第３４卷２０１３年２月 第１期 文章编号：０２５３－４３３９（２０ １ ３）０ １－００６９－０４ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．０２５３—４３３９．２０１３．０１．０６９ 冷水机组能效的理论极限 Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ．２０１３ 冷水机组能效的理论极限 周锦生 （英格索兰亚太工程技术中心上海２００００１） 摘 要 分析了冷水机组的换热器热平衡，推导了其制冷性能系数极限值的计算方法。在ＧＢ／Ｔ１８４３０．１—２ｏ０７及ＡＨＲＩ ５５０／５９０－－２０１ １规定的工况下，分别对水冷冷水机组及风冷冷水机组的制冷性能系数ＣＯＰ的极限值及综合部分负荷性能系数 ＩＰＬＶ的极限值进行了计算。结果表明，水冷冷水机组在ＧＢ／Ｔ１８４３０．１—２００７下的满负荷ＣＯＰ的极限值为１０．０１，ＩＰＬＶ的极限 值为１４．５１，在ＡＨＲＩ ５５０／５９０－－２０１１下的相应值分别为１０．０７及１７．３０。风冷冷水机组的相应值分别为７．３７／１０．２５及７．３０／１６．１１。 风冷冷水机组盘管换热面积的大小及效率的高低会直接影响空气的温升大小，进而决定冷凝温度的高低，如果不能通过改 进盘管设计、增大换热面积、提高盘管换热效率的方法，使满负荷下的盘管空气温升低于ＩＯ￣Ｃ，风冷冷水机组满负荷ＣＯＰ 的极限值只有７．３７，ＩＰＬＶ不可能超过１０．２５。 关键词冷水机组；能效：极限 中图分类号：ＴＵ８３；ＴＢ６１ ｌ 文献标识码：Ａ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｌｉｍｉｔ ０ｆ Ｃｈｉｌｌｅｒ Ｅｍｃｉｅｎｃｙ Ｚｈｏｕ Ｊｉｎｓｈｅｎｇ （Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ Ｒａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ—Ａｓｉａ Ｐａｃｉｉｆｃ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００００ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｈｉｌｌｅｒ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆｌｉｍｉｔ ｏｆｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ （ＣｏＰ）ｉＳ ｔｈｅｎ ｄｅｄｕｃｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ＧＢ／Ｔ １ ８４３０．１—２００７ ａｎｄ ＡＨＲＩ ５５０／５９ｏ＿一２０１ １，ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ Ｃ０Ｐ ａｎｄ ＩＰＬＶ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｃｏｏｌｅｄ ｃｈｉｌｌｅｒ ａｎｄ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｄ ｃｈｉｌｌｅｒ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ．ｔｈｅ Ｃ０Ｐ ｌｉｍｉｔ ａｎｄ ＩＰＬＶ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｏｌｅｄ ｃｈｉｌｌｅｒ ｉＳ １０．０１／１４．５１ ａｔ ＧＢ／Ｔ １８４３０．１—２００７ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ １０．０７／１７．３ ａｔ ＡＨＲＩ ５５０／５９０—＿２０ｌｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｆｏｒ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｄ ｃｈｉｌｌｅｒ．ｔｈｏｓｅ ｖａｌｕｅｓ ａｒｅ ７．３７／１０．２５ ａｎｄ ７．３０／１６．１１．Ｔｈｅ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｃｏｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｄｅｃｉｄｅｄ ｂｙ ｉｔｓ ｈｅａｔ ｆｆａｎｓｆｅｒ ａｒｅａ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ．Ｉｆ ｔｈｅ ｆｏｒｎｌｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｆｕｌｌ ｌｏａｄ ａｔ ｒａｔｅｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｃａｎ’ｔ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ＩＯ￣Ｃ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｃｏｉｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｅｎｌａｒｇｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｒｅａ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ，ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｏｆＣＯＰ ｏｆａｉｒ ｃｏｏｌｅｄ ｃｈｉｌｌｅｒ ｉｎ ｆｕｌｌ ｌｏａｄ ｗｉｌｌ ｂｅ ｎｏ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ７．３７，ＩＰＬＶ ｃａｎ’ｔ ｂｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ １０．２５． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃｈｉｌｌｅｒ；ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ；ｌｉｍｉｔ 节能环保永远是制冷空调工业的主题。各种 类型的制冷设备，都在追求使用环保的制冷剂，提 ＳＥＥＲ（风冷单冷机）、ＡＰＦ（风冷热泵）、ＩＰＬＶ（Ｃ） （水冷式）。 高系统能效，减少制冷剂充注量及金属等原材料的 使用量，减少系统制冷剂泄漏，提高机组报废时的 材料回收 ”。 各种制冷设备的能效指标是不同的，ＧＢ／Ｔ 在致力于提高各种制冷设备的能效指标的同 时，必然会产生这样一系列问题：能效指标究竟有 没有极限，目前的能效是否已到达了一定的水平， 是否值得花费很大努力继续提高其能效。这里致力 于解答冷水机组的第一个问题。 ｌ ８４３０．１—２００７【２ 规定冷水机组的能效指标是制 冷名义工况下的性能系数ＣＯＰ及综合部分符 合性能系数ＩＰＬＶ（制冷）；ＧＢ／Ｔ １９０４９－－２００３【３】 规定水源热泵的能效指标是制冷ＥＥＲ及制热 １冷水机组能效极限的推导 １－１热平衡计算 压缩机的耗功为Ｐ ＝Ｑｆ．Ｅ 。／ＣＯＰ ，其中下标ｆ 为各负荷工况下的负荷百分比，取值为ｌ００％， ７５％，５０％，２５％，Ｏｆ．Ｅ 卵为各负荷工况下的制冷负 荷，ＣＯＰ 为各负荷工况下的机组能效比。 ＣＯＰ，目前正在讨论采用制冷制热综合性能系 数（ＩＣＯＰ＝０．５６ＥＥＲ＋０．４４ＣＯＰ）；ＧＢ／Ｔ１８８３７— ２００２【４ 规定多联机的能效指标是制冷综合性能 系数ＩＰＬＶ（Ｃ）及制热综合性能系数ＩＰＬＶ（Ｈ）； ＧＢ／Ｔ１７７５８—２Ｏ１０［５ 则规定单元机的能效指标是 收稿日期：２０１２年４月ｌ７日 一６９— 第３４卷第１期 ２０１３年２月 制冷学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｖｏ１．３ ．Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ．２０１３ 冷凝器的热负荷为： Ｑｉ，ｃｏｎｄ ＋ 唧进水或进风温度。 （１＋击］ ㈩ 冷凝器在该负荷工况下的冷凝温度为： ｃ叩ｄ，ｓＴ＝ ，Ｃｏｎｄ，ＬｅａｖｉｎｇＡｗ＋ ，，ｃ。ｎｄ，Ａｐｐｍａｃｂ 式中： 为各负荷工况下的冷凝器热负荷。 冷凝器的水侧或空气侧换热量为： Ｑｉ＇Ｃ０ｎｄ＝ｍｆ，Ｃ。 ｄ，Ａｗ’ ‘ ，ｃ０ｎｄ，Ａｗ （２） 式中：ｍ∽。 ¨ｗ为空气或冷却水流量；下标 ＡＷ表示冷却介质为空气或冷却水；Ｃｐ为空气或冷 却水比热； ．ｃ。 ．Ａｗ为各负荷工况下空气或冷却水 流经冷凝器的温升。 将式（１）和（２）综合可得： ｆ， １ 、 ｎｄ，Ａｗ ‘ｄＴ／，ｃｏｎｄ，Ａｗ ，Ｅｖ印【¨赢』（３） （・＋ ］ 脚［１＋ ㈤ ， ‰ ・ ＋ ］ ｃｏｎ Ｅｎｔｅ￣ｎｇＡＷ ｑ－ＬＯａｄｉ＂ｄＴＩｏｏ＂／ｏ，Ｃｏｎｄ，ＡＷ‘ 一７０一 １ ：Ｔ／，ｃｏｎｄ，ＥｎｔｅｒｉｎｇＡＷ＂［－Ｌｏａ￣ ， Ｉ１＋一ｃｏＰ，— ００％／１ｌ ．７１ ， ｏｎｄ，Ａｐｐｒｏａｃ“ （６） 式中： ＇ｃ０ ｄ．Ａ 。。 为该负荷工况下的冷凝器内 制冷剂饱和温度与冷却介质出口温度间的温差。 蒸发器在该负荷工况下的蒸发温度为： Ｅｖａｐ，ｓＴ： Ｅｖ印，Ｌｅａｖｉｎｇ 一 ，，，Ｅｖａｐ，Ａｐｐｒ０ａｃｈ （７） 式中： ＇Ｅｖ印＇Ａｐ 。。 为该负荷工况下的蒸发器内 制冷剂饱和温度与冷水出口温度间的温差。 在此蒸发温度和冷凝温度下，机组制冷ＣＯＰ的 理论极限值为： ｃｏ Ｐ．… ２７３．１５＋ ｒ、ｎＤ 一，Ｅ ｄ｜ｐ’ｓＴ （８） 』 ｃ０ｎｄ，ｓＴ～』ｉＥｖａｐ，ｓＴ ６ ，，１．３能效极限 为了对式（８）进行具体计算，显然蒸发温度应 尽量高，冷凝温度应尽量低，即： ∞Ｐｆ２７３．１５＋Ｔ／ｎＤ ，一 一，ＥｖＩｐ，ｓＴ，ｍ （９） ｆ，Ｃｏｎｄ，ＳＴ，ｍｉｎ ，ＥｖａＤ，ＳＴ，ｍａｘ ＼ 将式（６）（７）中Ｔｉ，ｃ。 ｄｌＡｐｐｒ。 。ｈ ＴｉＩＥｖ ｐ｝Ａｐｐｒ ｈ均 取值为零，即可求得式（９）中的最低冷凝温度 ＇ｃ０ ｄ．Ｓ ．ｍ， 及最高蒸发温度 ，Ｅｖ ｐ，ｓ ，再代入式 （９），经过推导，可得， ＣＯＰｉ ＝ ——— 生－１＋ —ｉ一ｌ＋ ，Ｌｏａｄｆ’媚０ ｃ。ｎｄ．Ａｗ ［１＋ １］ ２冷水机组能效极限的计算 按照ＧＢ／Ｔ １ ８４３０．１—２００７及ＡＨＲＩ ５５０／５９０— ２０ｌｌ的规定值，即可根据式（１０）对水冷冷水机组 及风冷冷水机组的制冷工况进行计算，求出各部 分负荷下的ＣＯＰ极限，进而根据各自权重累加算出 ＩＰＬＶ的极限，结果如表ｌ、表２所示。 由表１可见，水冷冷水机组在ＧＢ／Ｔ １８４３０．１ｍ ２００７规定工况下，其满负荷ＣＯＰ的极限值为 １０．０１，ＩＰＬＶ的极限值为１４．５１，而在ＡＨＲＩ ５５０／５９０ 第３４卷第１期 ２０１３年２月 冷水机组能效的理论极限 ＶｏＬ３４，Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ．２０１３ —２０ｌｌ规定的工况下则分别为ｌ０．０７及ｌ７．３０，这是 因为ＡＨＲＩ ５５０／５９０－－２０１ １所有部分负荷下的冷却 水进水温度均低于ＧＢ／Ｔ １ ８４３０．１—２００７的对应点， ＩＰＬＶ的极限值为ｌＯ．２５，而在ＡＨＲＩ ５５０／５９０－－２０１ ｌ 规定的工况下则分别为７．３及１６．１ １，这是因为ＡＨＲＩ ５５０／５９０－－２０１ ｌ所有部分负荷下的环境温度均远低 于ＧＢ／Ｔ ｌ８４３０．１—２００７的对应点，尤其其２５％负荷 下的环境温度要低ｌ１．７２℃，而且其２５％工况的权 重也比ＧＢ／Ｔ １８４３０．１—２００７高２％。 尤其其５０％负荷下的冷却水进水温度要低４．６７℃， 而且其２５％工况的权重也￣ｇＧＢ／Ｔ １ ８４３０．１—２００７高 ２％。 由表２可见，风冷冷水机组在ＧＢ／Ｔ ｌ ８４３０．１ｍ ２００７规定工况下，其满负荷ＣＯＰ的极限值为７－３７， 对于风冷冷水机组，盘管换热面积的大小及 效率的高低会直接影响空气的温升大小。一般的机 表ｌ水冷冷水机组在ＧＢ／Ｔ １８４３０．１—２００７及ＡＨＲＩ ５５０／５９０－－２０１ １规定工况下的能效极限值 Ｔａｂ．１ Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｌｉｍｉｔ ｏｆＷＣ ｃｈｉｌｌｅｒｓ ａｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆＧＢ／Ｔ １８４３０．１—＿２００７ ａｎｄ ＡＨＲＩ ５５０／５９１１－－－２０１１ 注：水冷冷水机组满负荷下的冷却水温差取５℃ 表２风冷冷水机组在ＧＢ／Ｔ １８４３０．１—２０Ｏ７及ＡＨＲＩ ５５０／５９１１－－－２０１１规定工况下的能效极限值 Ｔａｂ．２ Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ＡＣ ｃｈｉｌｌｅｒｓ ａｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ＧＢ／Ｔ １８４３０．１—２００７ ａｎｄ ＡＨＲＩ ５５０／５９１）－－－２０１ １ 注：风冷冷水机组满负荷下通过盘管的空气的温升取１０℃ 一７１— 第３４卷第ｌ期 ２０１３年２月 制冷学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｖ ２０１３ 组设计中，满负荷下通过盘管的空气的温升都高于 ｌＯ℃。表３列出了在ＧＢ／Ｔ １ ８４３０．１—２００７规定工况 下，风冷冷水机组在不同的满负荷盘管空气温升下 所能达到的ＩＰＬＶ极限值。 表３ ＧＢ／Ｔ １８４３０．１—２ＯＯ７规定工况的风冷冷水机组在不同 的满负荷盘管空气温升下所能达到的ＩＰＬＶ极限值 Ｔａｂ．３ ＩＰＬＶ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ＡＣ ｃｈｉｌｌｅｒｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｉｌ ｔｅｍｐ． ｉｎｃｒｅａｓｅ ａｔ ｆｕ１１ ｌｏａｄ ｏｆ ＧＢ／Ｔ １８４３０．１—２００７ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 由表３可以看出，在ＧＢ／Ｔ １８４３０．１～２００７规定 ｜［况下，如果不能通过改进盘管设计、增大换热面 积、提高盘管换热效率的方法，使满负荷下的楹管 空气温升低于１０℃，风冷冷水机组的满负荷ＣＯＰ的 极限值只有７．３７，ＩＰＬＶ是不可能超过ｌ０．２５的。 ３结论 水冷冷水机组在ＧＢ／Ｔ １ ８４３０．１—２００７规定的 ［ 况下，其满负荷ＣＯＰ的极限值为１０．０Ｉ，ＩＰＬＶ的极 限值为１４．５１，而在ＡＨＲＩ ５５０／５９０－－２０１１规定的工 况下则分别为１０．０７及１７．３０。风冷冷水机组的相应 值分别为７．３７／１０．２５及７．３０／１６．１ １。 风冷冷水机组盘管换热面积的大小及效率的 高低会直接影响空气的温升大小，进而决定冷凝温 度的高低，如果不能通过改进盘管设计、增大换热 面积、提高盘管换热效率的方法，使满负荷下的盘 管空气温升低于１０℃，风冷冷水机组的满负荷ＣＯＰ 的极限值只有７．３７，ＩＰＬＶ是不可能超过ｌ０．２５的。 符号说明 ＣＯＰ——各负荷工况 的机组制冷性能系数，ｋＷ／ｋＷ ｃ ——冷却介质（空气或冷却水）的比热，ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ） ｄＴ——冷却介质（空气或冷却水）流经冷凝器的 温升，℃ ＩＰＬＶ——综合部分负荷性能系数，ｋＷ／ｋＷ Ｌｏａｄ——部分负荷工况的制冷量与满负荷制冷量的 比值，取值为１００％，７５％，５０％，２５％ ｍ——冷凝器冷却介质（空气或冷却水）的流量，ｋｇ／ｓ Ｐ——压缩机功耗，ｋＷ Ｑ 。——各负荷工况下的蒸发器负荷，ｋｗ Ｑ ——各负荷工况下的冷凝器负荷，ｋｗ ——温度，℃ 一７２一 下标 Ａｐｐｒｏａｃｈ——制冷剂饱和温度与换热器出口流体的温差 Ａｗ——冷却介质为空气或冷却水 Ｃｏｎｄ——冷凝器 Ｅｖａｐ——蒸发器 ＥｎｔｅｒｉｎｇＡＷ——冷凝器进口处的冷却介质 ｉ——各负荷工况下的负荷百分比，取值为 １００％，７５％，５０％，２５％ ＬｅａｖｉｎｇＡＷ——冷凝器出口处的冷却介质 ｍａｘ——最大值 ｍｉｎ——最小值 ＳＴ——饱和温度 参考文献 【１】周锦生．制冷空调设备环境友好性评价的…种新指 标一ＡＥＰ［Ｊ１．制冷与窄调，２Ｏ１２，１２（１）：８．１１．（Ｚｈｏｕ Ｊｉｎｓｈｅｎｇ．ＡＥＰ—Ａ Ｎｅｗ Ｉｎｄｅｘ Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ—Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ，２０１２， １２（１）：８．１１．） 【２】全国冷冻空调设备标准化委员会．ＧＢ／Ｔ １ ８４３０．１— ２００７，蒸气压缩循环冷水（热泵）机组第１部分：工、ｌ 或 商业刖及类似用途的冷水（热泵）机组【Ｓ】．北京：中困标 准出版礼。２００８． 【３】全国冷冻空调设备标准化委员会．ＧＢ／Ｔ １９０４９－－２００３， 水源热泵机组【Ｓ】．北京：巾国标准出版社，２００４． ［４］全围冷冻空调设备标准化委员会．ＧＢ／Ｔ １８８３７－－２００２， 多联式空调（热象）机组［ｓ】．北京：中国标准出版社， ２００３． ［５】全国冷冻空调设备标准化委员会．ＧＢ／Ｔ １７７５８－－２０１０， 单元式空气调节机［ｓ】．北京：中国标准出版社，２０１ １． 作者简介 周锦生，男（１９６７一），博士，副教授，英格索■亚太Ｔ 技 术 十Ｉ心，（０２１）５３５９９５６６—２６８，Ｅ．ｍａｉｌ：ｊｓｚｈｏｕｓｈ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。 研究方向：制冷空调装置的系统设计、性能仿真及新Ｔ质 的应用 Ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ Ｚｈｏｕ Ｊｉｎｓｈｅｎｇ（１ ９６７一），ｍａｌｅ，Ｐｈ．Ｄ，Ａｓｓｏｃｉａｔｅ Ｐｒｏｆ．，Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ Ｒａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ—Ａｓｉａ Ｐａｃｉｆｉｃ． （０２１）５３５９９５６６．２６８，Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｓｚｈｏｕｓｈ＠ｓｉｎａ．ｔｏｍ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｆｅｌｄｓ：Ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＨＶＡＣ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｎｅｗ ｒｅ￣ｇｅｒａｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
