近年来全国各地建设了大量采用中央空调系统的建筑，空调系统运行能耗较大，高峰时约占建筑物总能耗60%左右，对空调系统运行能耗的研究日益增多。但是对空调水系统的运行模式进行系统研究较少。随着工业制造及自控技术的发展，冷水机组的性能系数(COP)得到了很大的提升。据设备厂家资料显示，冷水机组在部分负载率时的COP值一般大于满载时的COP值，满负荷运行状态时的耗电量大于部分负载。由此通常认为在满足系统冷量需求的前提下，将机组设定在高COP值的部分负载率下运行，比设定在满负荷下运行，更能降低运行能耗。
由于空调系统的运行能耗并非仅冷水机组能耗，还包括水输送系统能耗和空气输送系统能耗，因此上述运行方式究竟是否节能并不明确。为论证此问题，本文将某实际工程的中央空调系统分别设定几种不同的主机运行模式进行能耗计算，并对能耗结果进行对比分析。
1工程概况
该实际工程位于广州地区，由2栋写字楼组成，地下2层，地上18层，标准层平面布置如图1。大堂及各层办公室设置中央空调系统，总空调面积约65000m2。
中央空调系统冷源采用水冷式冷水机组。各冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔均为定频设备;空调水系统通过压差旁通装置实现主机定流量、末端变流量运行，以适应系统在部分负荷时的运行需求;空气末端处理装置采用风机盘管加新风系统。该工程制冷系统主要设备及参数详见表1。

图1 写字楼空调平面图

表1本项目制冷系统主要设备表
2全年动态负荷计算
采用鸿业全年负荷计算及能耗分析软件HY－EP4.0以该写字楼为模型进行全年动态负荷计算。
2.1计算条件
根据该写字楼的实际使用情况，其全年运营时间为9:00—18:00，且常年为满员使用状态，室内冷负荷基本稳定。为便于计算比较，室内设计参数、人员密度、设备功率、照明密度等参数均按照设计日工况取值，并保持恒定，围护结构冷负荷和新风冷负荷随室外气象参数变化。
2.2围护结构参数
围护结构参数按照该工程原设计说明中参数为准，具体见表2。

表2 各气候区围护结构传热参数K［W/(m2·K)］
2.3室内参数
室内参数、人员密度、设备功率、照明密度及使用率的取值均按照该工程原设计说明为准，具体见表3。
2.4全年动态负荷计算结果
根据上述计算条件，该写字楼的全年动态负荷计算结果如图2所示。

图2 写字楼全年动态负荷统计图
由图2可见，该写字楼全年冷负荷主要集中在4月初至11月中，12月至4月的冷负荷较小，冷负荷最大值为6610kW，发生时刻为8月30日16:00。
引用《非供暖季不同末端空调系统综合能耗的计算分析方法浅析》一文中的分析方法，该写字楼全年需要开启中央空调系统进行人工制冷的总小时数为2377h。根据计算所得的冷负荷最大值，将该写字楼全年负荷划分为四个连续的负荷区间，其分布及对应的运行时间占比如图3。

图3 系统制冷负荷区间及运行时间占比图
由图3可见，系统0～25%负荷区间的对应运行时间占比最高，为38.9%;其次是50%～75%负荷区间，对应运行时间占比为29.1%;最低的是75%～100%负荷区间，对应运行占比仅为7.3%。由此可见，该写字楼制冷系统处于满负荷需求的时间较少，处于部分负荷需求的时间较长。

表3 室内参数
3能耗计算结果及分析
3.1能耗计算方法
由于在制冷运行期间，中央空调系统冷水机组的运行模式仅影响冷水机组能耗和水输送系统能耗，空气输送系统能耗不变，因此本文仅分析比较冷水机组能耗和水输送系统能耗。本文定义冷水机组制冷能耗与水输送系统能耗之和为中央空调系统主机房综合能耗，以下简称“主机房综合能耗”。冷水机组制冷能耗、水输送系统能耗、主机房综合能耗的构成及计算公式详见式(1)、式(2)、式(3)。

3.2冷水机组运行模式说明
根据冷水机组特性，机组COP值与冷冻水出水温度、冷却水供水温度及机组负载率相关。冷冻水出水温度越高，COP值越高;冷却水供水温度越低，COP值越高。但是上述两种水温因素对冷水机组COP变化趋势的影响不因负载率的不同而变化。因此为便于比较，本文统一设定各冷水机组的冷却水供水温度为32℃、冷冻水供水温度为7℃并保持恒定，系统根据冷冻水回水温度的高低，作为系统加载或减载的依据;本文仅考虑冷水机组在不同负载率下的COP值变化，并据此通过设定冷水机组不同的最大负载率，从而分别制定冷水机组不同的运行模式。
3.2.1冷水机组在部分负荷下的COP值
按照本项目冷水机组供应厂家提供的性能曲线，螺杆式冷水机组和离心式冷水机组在不同负载率下的COP值如图4和图5。

图4 螺杆式冷水机组部分负荷性能曲线图
由图4可以看出，该螺杆式冷水机组在满载时COP值为5.604，80%负载率时COP值为6.082，60%负载率时COP值为6.535。大于50%负载时的COP值均高于满载时COP值。

图5 离心式冷水机组部分负荷性能曲线图
由图5可以看出，该离心式冷水机组在满载时COP值为5.925，80%负载率时COP值为6.219，60%负载率时COP值为6.816;部分负载率时COP值高于满载时COP值。
由上可见，冷水机组的COP性能在一定范围内都随着负载率的降低而增加。但如果仅考虑提高冷水机组COP值而降低负载率，则需要投入台数较多的冷水机组才能满足一定的制冷量需求，这在实际工程中显然是不可行的。因此本文在讨论冷水机组运行模式时，设定各冷水机组的最大允许负载率分别按100%负载率、80%负载率、60%负载率这三种模式运行，简称为“运行模式(一)”、“运行模式(二)”、“运行模式(三)”，并分别说明如下。
3.2.2运行模式(一)
在此运行模式下，当系统负荷由小变大，设定现运行冷水机组制冷量都已达到100%额定制冷量仍不能满足系统负荷需求时，则开启另一台冷水机组。按此模式，本工程螺杆式冷水机组和离心式冷水机组运行组合及加减载机组的系统负荷切换点详见表4。各冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的投运状态与其对应的冷水机组同步。

表4 运行模式(一)及负荷切换点
3.2.3运行模式(二)
在此运行模式下，当系统负荷由小变大时，设定现运行冷水机组制冷量都已达到80%额定制冷量仍不能满足系统负荷需求时，则开启另一台冷水机组。按此模式，本工程螺杆式冷水机组和离心式冷水机组运行组合及加减载机组的系统负荷切换点详见表5。
各冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的投运状态与其对应的冷水机组同步。

表5 运行模式(二)及负荷切换点
3.2.4运行模式(三)
在此运行模式下，当系统负荷由小变大时，设定现运行冷水机组制冷量都已达到60%额定制冷量仍不能满足系统负荷需求时，则开启另一台冷水机组。按此模式，本工程螺杆式冷水机组和离心式冷水机组运行组合及加减载机组的系统负荷切换点详表6。各冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的投运状态与其对应的冷水机组同步。

表6 运行模式(三)及负荷切换点
3.3计算结果及分析
根据上述能耗计算方法，分别计算三种主机运行模式下冷水机组能耗、水输送系统能耗及主机房综合能耗，计算结果详表7及图6。


图6三种运行模式的主机房综合能耗构成对比图
由上述计算结果可以看出:
(1)关于冷水机组的全年能耗，运行模式(一)最高，运行模式(二)其次，运行模式(三)最低，最高和最低相差约14%。这是由于冷水机组在部分负载率时的COP值比满载时COP值高。
(2)关于水输送系统的全年能耗，运行模式(一)最低，运行模式(二)其次，运行模式(三)最高，最高和最低相差约42.5%。这是由于在冷负荷需求一定时，冷水机组负载率设定值越高，系统需投运的冷水机组及其对应的水输送系统设备的台数就越少;反之，系统需投运的设备台数就越多。
(3)关于主机房全年综合能耗，运行模式(一)最低，运行模式(二)其次，运行模式(三)最高，最高和最低相差约4.31%;主机房综合能耗构成中:冷水机组能耗、水输送系统能耗在综合能耗中的占比各不相同;运行模式(一)冷水机组能耗最高，但水输送系统能耗最低;运行模式(三)冷水机组能耗最低，但水输送系统能耗最高，因此，仅依据冷水机组能耗高低并不能说明主机房综合能耗的高低。
4结语
通过上述数据整理与分析，可得出如下结论:冷水机组的运行能耗，满载运行模式比部分负载运行模式高;水输送系统能耗，满载运行模式比部分负载运行模式低;主机房综合能耗，满载运行模式比部分负载运行模式低。因此，为降低中央空调系统运行能耗，对于多台联用的冷水机组系统，建议按满载运行模式逐台开启冷水机组及其相应的水输送系统，即尽可能少开启机组台数为节能运行原则。