冷冻机的制冷效率与运行电费

摘要：本文提出在 冷冻 机平均使用寿命中运行电费远大于 冷冻 机初投资的观点，讨论 冷冻机的制冷效率对年运行费用的影响，在简介和初评IPLV、NPLV，分析多台机组并联运行规律和 冷冻 机部分负荷下运行效率基础上, 提出一种评估冷冻 机组常年运行电费的方法，并举例说明高效率的 冷冻 机节能效果显著。因此在选择 冷冻 机时，不仅比较 冷冻 机售价，更应比较 冷冻机的制冷效率和运行电费。

1 关注冷冻机的运行费用和制冷效率

在销售和购买冷冻机的过程中，商家和用户十分重视比较冷冻机的价格（初投资），却忽略冷冻机的运行费用巨大这一事实：以冷冻机的平均寿命25年计，在对冷冻机的所有投资中，初投资约占8.3%，运行费用约占91.4%，制冷剂添加费约占0.3%，故我们更应关注冷冻机的运行效率。比如若选用高效的水冷机组，其在25年平均寿命中节省的运行电费（与一般效率同类机组比较）可能接近机组初投资，相当于白送百万元的冷冻机。果真如此吗？

分析冷冻机的运行费用需了解冷冻机的运行规律和制冷效率。由于以空调系统满负荷为前提来选择冷冻机的容量，而冷冻机绝大部份时间在部分负荷下运行，因此评价冷冻机的制冷效率不能仅参考冷冻机满负荷下的制冷效率，还需要比较冷冻机在部分负荷工况下的制冷效率。目前常用的二个指标有IPLV和NPLV。

2 IPLV，NPLV的定义及由来

IPLV（ARI标准工况下综合部分负荷效率）与NPLV（非ARI标准工况下综合部分负荷效率）是ARI（美国空调制冷学会）运用概率统计的方法，借助于大型计算机，对全美有代表性的29个城市的气象数据、各类建筑物冷负荷、冷冻机的不同运行时间，进行综合分析和加权平均处理，得出冷冻机的运行时间百分比与冷冻机的负荷之间的关系，共有四种模式（见ARI550/590-98标准，白皮书）。ARI根据此四种模式制定一个针对冷冻机产品单机性能的评价标准，即单机IPLV或NPLV方程（综合模式）：

IPLV=1/（0.01/A+0.42/B+0.45/C+0.12/D） 其中：

NPLV公式与IPLV公式一样，仅NPLV公式中冷却水最高进水温度为实际应用中任一温度，并且冷冻机100%与50%负荷（对应冷却水65F进水温度）之间, 冷冻机负荷与冷却水进水温度呈线性关系；冷冻机50%与0负荷之间, 冷却水进水温度恒为65F。

上述NPLV、IPLV公式说明：ARI定义当冷却水进水温度低于65F时，冷冻机不开；即通过大量低温室外新风带走空调系统冷负荷，或使用热交换器代替冷冻机。

根据上述介绍，我们看出NPLV、IPLV公式不能直接应用到我国空调系统中评价冷冻机效率。原因如下：

1) 美国气象数据不能代表我国特定工程所在地区的气象

2) 建筑物类型及冷负荷的来源因工程而异

3) 冷冻机的运行时间差异较大

4) 当冷却水进水温度低于65F时，某些工程仍需开冷冻机

5) 实际工程中绝大多数（85%以上）多台机组并联运行，与ARI假设单台机组承担空调系统负荷情况大相径庭。

上述差异均导致NPLV、IPLV公式中与冷冻机负荷相对应的冷冻机行时间百分比不同，尤其是第5条的影响。因此有必要讨论多台机组并联运行规律。

3 多台制冷机组并联运行规律分析

请看不同组合的多台机组运行时，单机负荷与机组负荷（空调系统负荷）的关系。（见表1、图1）

表1 单机负荷与机组负荷对比

图1单机负荷与机组负荷对比

上述图表表明：

1) 采用多台冷冻机的项目，单机在高负荷区( 100%-75%)运行的时间百分比随台数增加而急增，远超过用一台冷冻机提供全额冷负荷的情况。

2) 制冷量均等的单机负荷与机组负荷（空调系统负荷）关系如下：

Y=N/j *X ( j=1,2, ..N) ；( j-1/N< X < j/N )

Y — 单机负荷；X— 机组负荷；N— 单机数量

3) 单机制冷量以1,2,4 .., 2N 倍分配而产生的组合，其单机在高负荷区间运行的时间百分比最大

4) 在实际运行中，冷冻机单机制冷量差别小于3倍且多台单机制冷量相同。因为考虑到冷冻机单机制冷量范围的限制和冷冻机互换、备用，不同制冷量冷冻机的成本、占地面积。

5) ARI推出的适用于单一机组制冷的NPLV、IPLV公式推广到多台机组制冷时，式中A、B、C、D的权重（运行时间百分比）将向高负荷区偏移，偏移程度与冷冻机台数、单机制冷量分配有关。（见图2）

图2 单机负荷与机组负荷的差异

上述对比图表明：采用2-3台冷冻机的常规项目中，单机在50%负荷以上区间运行的时间百分比超过87.2%

上海某项目使用三台冷冻机(一台300 ton,二台600ton)，单机累计运行16734小时，其中在50%负荷以上区间运行的时间为15395小时，时间百分比为92%

上述对多台机组运行规律的分析表明：只需要比较各品牌冷冻机在50%负荷以上时的效率，就能评估冷冻机在不同空调系统中的节能效果。

4 制冷机组部分负荷下运行效率的分析比较

比较冷冻机在部分负荷下运行效率时，有下列有趣现象：

1) 冷却水进水温度不变时，负荷越高，冷冻机运行效率越高，在100%附近时冷冻机运行效率最高（见图3）。

图3 冷冻机运行效率比较（冷却水进水温度不变）

这就是用多台机组代替单一机组运行时可节能的原因：因为在同一时刻，冷却水进水温度对于任一台机组相同，多台机组中的单机负荷大于单一机组运行负荷，故单机的运行效率高，节能。

2)冷却水进水温度与空调系统负荷同步变化时（受太阳得热影响），冷冻机运行效率在65%-75%区间内效率最高（见图4）。

图4冷冻机运行效率比较（冷却水进水温度变化）

这是因为在冷冻水温度不变情况下，冷却水进水温度降低后，减小了冷凝器与蒸发器中制冷剂的压差，冷冻机运行效率提高，相当于增加了散热面积。

3) 与多台机组代替单一机组运行的节能措施相比，冷却水进水温度降低对冷冻机运行效率提高影响较大。在实际工程中，冷却水进水温度与空调系统负荷变化趋势相同。

4) 空调系统负荷变化大时，通过加减冷冻机来节能。客观上冷却水进水温度降低对冷冻机运行效率提高有利，主观上提高冷冻水出水温度，也可提高冷冻机运行效率（空调系统负荷减小，允许提高冷冻水出水温度）。但是物极必反，冷却水进水温度与冷冻水出水温度温差减小过度，对离心机而言会发生喘振。

5 冷冻机寿命周期内的运行费用分析比较

了解了冷冻机组（含多台）的运行规律和部分负荷下运行效率，我们可以抓住本质，比较不同品牌冷冻机在正 常寿命中的运行费用。

虽然特定工程所处的地理环境不同、建筑物类型不同、冷负荷来源不同、冷冻机的台数和运行时间不同，但是我们可以通过类比方法，比较典型工况下不同品牌冷冻机的运行效率，结合全年冷冻机运行时间表，以冷冻机运行效率的综合指标，综合考虑不同品牌冷冻机的运行效率差异的最大值和最小值，就可以比较不同品牌冷冻机全年的运行费用，并推算出冷冻机在正常寿命中的运行费用差异，以协助我们合理选择冷冻机。

以四台650冷吨的冷冻机为例，评价四台冷冻机运行效率的综合指标PLV4应介于单机满负荷效率FLV与NPLV之间，因为四台冷冻机在一年四季中既不是全部满负荷运行，也与一台冷冻机承担空调系统负荷的情况区别较大。用公式表示：PLV4=A*FLV+(1-A)*NPLV,取A=0.5, 权系数A范围（0<A<1）

比较两种效率的制冷机组（根据样本）的性能参数如下：

根据上表计算冷冻机在正常寿命中的运行电费及其差异如下：

1) 机组使用寿命中的运行电费=机组寿命×电费×全年机组能耗

2) 全年机组能耗=全年机组运行时间×机组总冷吨×综合指标PLV4

全年机组运行时间=6个月×30天/月×12小时/天=2160 小时

机组总冷吨=4台×650TON/台=2600 TON

全年机组能耗=2160小时×2600 TON×PLV4（KW/TON）

机组寿命=25年；电费=0.65元/度；

四台650冷吨冷冻机的进口设备价约为54万美元，与约5100-5700万元（人民币）冷冻机寿命周期运行电费相比，占冷冻机全部投资费用的9%。而二种效率冷冻机的电费差价约为584万元（人民币），介于483-684万元（人民币）之间。故采用高效制冷机组，在运行寿命周期内可节省约500多万元电费，可以回收54万美元的冷冻机采购费。相当于白送百万元的冷冻机，这正是冷冻机高效率的体现。

6 结论：

1) 在冷冻机的选择中，应兼顾冷冻机的初投资和运行效率。因为在对冷冻机的所有投资中，初投资仅占8.3%，运行电费占91.4%。高效率的冷冻机在平均寿命25年中节省的电费可能与冷冻机的初投资相当。

2) 评估冷冻机组的运行电费，不能仅用冷冻机单机的满负荷效率FLV和NPLV二个指标，应根据机组台数、空调系统负荷一年四季变化情况，掌握冷冻机组及单机的运行规律，力求评估结果与实际情况相符。

参考文献:

1.William Landman, Brenda Bradley Trane Engineers Newsletter 1996,Vol. 25 No5,

2.ARI STANDARD 550/590-1998

作者简介：

贾晶,男,1966年12月生,高工,地址:上海市西藏中路268号来福士广场10楼,邮编:200001, 电话(021)5359 9566,传真: (021)6352 9909, E-mail:[email protected]