空調系統中制冷機的選擇與節能
一、制冷系統的耗能現狀
隨著經濟的快速發展與人民生活水平的不斷提高，能源的供給必有大幅度增加。但由于我國目前的能源利用率較低，造成能源的極大浪費。我國決心在“十一五”期間使單位國內生產總值能耗降低2O%左右，這相當于共節約2.4億噸標準煤。據有關方面估算，如果將2O%的節能降耗目標具體分解到每年，“十一五”期間中國的年節能率要達到4.4%.這體現了建設資源節約型社會的要求，是現實和長遠利益的需要。
空調系統是能耗大戶。建筑直接耗能占社會總耗能的15%～2O%，采暖與空調能耗占建筑總能耗的3O%～5O%，如果不采用節能措施，必將給供電系統造成很大的壓力，也會對我國經濟的發展產生不利的影響。制冷與空調設備的節能，對于我國經濟與社會發展具有極其重要的意義。對于空調系統而言，從設計、安裝、調試、運行到管理每個環節都對系統的節能性有著重要的影響，其中制冷機的選擇對于空調系統的耗能大小起著決定性的影響。
二、制冷機選擇與節能
2.1、常用制冷壓縮機種類、特點與應用
在工程實際中，常用的制冷壓縮機有活塞式、離心式、螺桿式、渦旋式四種類型。在各類制冷壓縮機的應用范圍和冷量范圍。活塞式制冷壓縮機是使用歷史最長的壓縮機，我國的生產、制造的技術很成熟，運行管理經驗也很豐富，造價較低廉，應用普遍，突出的缺點是熱效率相對較低。其目前用于工程的單機制冷量在5.8～1745KW、之間。
螺桿式壓縮機與活塞式制冷壓縮機相比，具有易損件少、體積小、重量輕、單機壓縮比大、對濕行程不敏感、振動小、熱效率較高等許多優點，而且制冷量可在1O%～的范圍內無級調節。較突出的缺點是噪音較大，耗油量大，價格相對較昂貴。其制冷量主要在150～1500KW、范圍內。
離心式壓縮機與活塞式壓縮機相比，具有轉速高、制冷量大、易損件少、維護簡單、連續工作時間長、振動小、對基礎要求低、潤滑油和制冷劑基本不接觸等優點，通常可在3O%～范圍內無級調節。其主要缺點是單機制冷量不宜太小，一般用于350KW、以上的場合，在1500KW、以上的大冷量場合有著不可比擬的優勢。
渦旋式壓縮機屬于新型的壓縮機，其結構簡單、動力平衡性能好、沒有吸氣閥片、易損件少、容積效率、轉速變化范圍很大，價格相對較高，目前主要應用在5～70KW、的中等冷量范圍內。
2.2、制冷機類型的選擇與節能
選擇制冷機時應從溫度范圍、制冷量、一次性投資、運行管理費用、與環保等幾個方面進行考慮。
不同工況的壓縮機，其性能和可靠性有很大的差別。在選擇壓縮機時要根據工程實際的溫度需要選取合適的壓縮機。我國新的壓縮機名義工況標準（GB10871—89等）中將舊國標中規定的各種形式壓縮機的名義工況由原來的標準工況和低溫工況兩種改為高溫工況、中溫工況和低溫工況三種。例如從表1、表2所示。各生產廠家在標注自己產品時可能會有差別。如果選擇的壓縮機和工程實際的工況條件不符合，則勢必造成制冷系統的使用經濟性下降、能耗增加、效率下降，壓縮機運轉的可靠性降低，甚至發生危險。設計人員在選擇壓縮機時應嚴格核對相關參數，嚴格控制壓縮機的使用工況不能超出極限條件。
由于各種類型壓縮機性能特點的差異，制冷機在實際的應用中有著不同的應用范圍。有關文獻介紹：當冷量大于580KW、時，選擇離心式制冷機比選擇其它制冷機具有相對較低的成本費用和更高的可靠性；而當冷量在350KW~1500KW、時，螺桿式壓縮機比離心式壓縮機具有更好的部分負荷調節性能，部分符合時其效率比離心式壓縮機高8%～1O%；冷量小于750KW、時，螺桿式壓縮機比往復式壓縮機具有更高的可靠性和效率、易于維護保養。從節能角度出發，設計人員在選擇制冷機時應根據各種類型壓縮機的性能特點和應用范圍、工程實際的冷量負荷、工程實際對部分符合調節的要求等選擇合適的制冷機。
選擇制冷機時應該注意，在冷量相同情況下，機種不同其一次性投資會有很大差別，運行管理費用也不同。在介紹了空調用制冷機不同選型時的相對價格和運行管理費用的對比值，如表3.在2002年對空調用不同類型制冷機運行費用進行詳細比較，如表4.制冷機的運行時間越長，各種類型制冷機運行管理費用的差別越大，運行管理費用在設計選型中的地位越重要。如螺桿式制冷機可靠、維修周期長，在運行時不需要運行管理人員長時間的操作管理，其相對增加的一次性投資完全可以從運行管理費用等方面得到補償。根據制冷設計規范“當有壓力不低于30kPa（0.3kgf/c㎡）的蒸汽或溫度不低于8O℃的熱水等適宜的熱源可資利用，且制冷量大于或等于350KW（30×104kcal/h），所需冷水溫度不低于5℃時，就采用溴化鋰吸收式制冷。”溴化鋰吸收式冷水機組設置在沒有低品位蒸汽或熱水的環境即沒有低品位熱源可以利用時，其性能系數一般為1.5～1.7，而螺桿式制冷機組性能系數達4.5～5.0，離心式制冷冷機組性能系數達到5.0以上，活塞式制冷機組達4.0.目前工業電價0.95元/（KW、·h），燃料價格呈上漲趨勢，輕柴油平均4元/kg.按當前電價和燃料價格計算，溴化鋰吸收式冷水機組運行費用比活塞式、離心式、螺桿式冷水機組都高。選型時應綜合考慮一次性投資和運行管理費用，同時應注意當地電價、燃料價格和其他因素。
制冷機選型時還應注意振動、噪聲、與環保等問題。現在國家政策對于環保的問題越來越重視，制冷機運行時的噪聲等環保項目不應超過相應規定，否則會受到相關的經濟制裁。
2.3、制冷壓縮機臺數、容量的選擇與節能
制冷壓縮機臺數和容量的選擇，關系到制冷系統的運行管理費用的大小，這主要體現在部分負荷能量調節時的費用和制冷壓縮機的損耗上。制冷壓縮機的臺數和容量應盡量少，以簡化系統和便于管理操作；應便于能量調節、單機負載率盡量高以利節能；應根據工程實際確定是否設置備用壓縮機。
壓縮機的輸氣量調節中，氣體的壓縮功隨著輸氣量的減小而減少，螺桿式壓縮機幾乎是成正比例減少，但壓縮機的機械損耗維持不變。因此，同樣容量的系統，采用多機并聯代替單臺壓縮機在部分負荷時可節省功率，特別是冷量較大的系統。對同一系統中采用單機和四機并聯的耗能進行了比較。四機并聯系統在部分負荷75%、5O%、25%時分別停開l、2、3臺壓縮機，其余壓縮全負荷工作。從比較數據看，負荷越小，系統的節能率越高；當部分負荷為25%時，四機并聯系統比單機系統節能42%.從表5中數據看出，在部分負荷時，四機并聯系統節能是相當可觀的。
離心式壓縮機由于具有“喘振”和“堵塞”工況點，其工作范圍在4O%～之間，在選擇確定壓縮機容量和臺數時應盡可能選用單機制冷量大的制冷機組，減少所用的臺數。
多機并聯系統的另一種壓縮機選擇方式是將大冷量的壓縮機和相對小冷量壓縮機并聯。全負荷時，大冷量和小冷量壓縮機全部投入工作；部分負荷時，可停一臺或數臺大冷量壓縮機，使各運行壓縮機滿負荷工作，同時讓運行壓縮機冷量總和與部分負荷相適應。
多機并聯系統有著很大的節能潛力，但是多機并聯系統也有不利的方面。多機并聯系統采用多臺壓縮機，則系統一次性投資將增大；壓縮機的容量減少，其效率通常會有所降低，系統對每臺壓縮機的質量要求也提高了；多臺壓縮機占用的空間也增大。所以，在工程實際中選擇壓縮機臺數和容量時應根據用戶實際情況進行具體分析后決定。
2.4、壓縮機能量調節方式的選擇與節能
壓縮機能量調節的最終目的是使壓縮機的產冷量與外界熱負荷相平衡，能量調節方式的選擇決定了壓縮機部分負荷時能量調節的經濟性。
不同的壓縮機有不同的能量調節方式。
工程實際中活塞式壓縮機常用的能量調節方式有：頂開吸氣閥片調節、旁通調節、多機并聯調節、間隙運行調節等幾種方式。活塞式壓縮機的能量調節方式多為有級調節，如8缸壓縮機可有1/4、1/2、3/4、1四檔運行；能量調節時活塞和連桿等零部件仍然在運動，機械摩擦仍存在，壓縮機能耗減小不多；間隙運行使壓縮機頻繁啟動，對電網和壓縮機都不利。總的來說，活塞式壓縮機在部分負荷時能量調節經濟性都不高，可根據實際情況選擇合適方式。螺桿式壓縮機多采用滑閥調節能量、滑閥調節可以在1O%～范圍內連續無級地進行，在部分負荷為4O以上、內容積比較小時，功率和制冷量的幾乎是成正比的，在部分負荷4O%以下、內容積比較大時，效率降低較多。國內一些廠家研發的內容積比調節機構可以在2.6～5范圍內連續地進行調節，能夠很好地配合滑閥進行能量調節。螺桿式壓縮機優良的能量調節性能使得它能在較惡劣的，冷量變化較大的中、大冷量場合使用。
離心式壓縮機常用的能量調節方法有：變轉速調節、進口節流調節、進口導葉調節、旁通調節、冷凝器冷卻水量調節等。變轉速調節、進口導葉調節這兩種方式經濟性較好，在設計中應優先考慮使用。例如有關文獻提到：“美國YORK、Codeoak系列離心式冷水機組，采用‘Turbo變速調節器’變頻調速調節，比定轉速的冷水機組每年節電3O%.”而其他調節方式適合用于短時間運行調節用。刮片式和渦旋式壓縮機作為中等冷量場合使用的壓縮機，其能量調節方式主要有間隙運行、多機并聯、旁通調節、變頻調節等方式。隨著變頻技術和壓縮機相關技術難題的攻破，變頻調節方式應用越來越廣泛。文獻[1]的分析表明，刮片式和渦旋式壓縮機屬于旋轉式壓縮機，適合采用變頻調節方式調節能量；而在100Hz內，無論從容積效率、等熵效率還是振動和噪聲進行比較，渦旋式壓縮機的變頻調節性能比刮片式、活塞式壓縮機優越；其中等熵效率比刮片式、活塞式高出8個百分點以上。在資金和技術條件允許的條件下，應盡量采用變頻調節的方式，可以使壓縮機的部分負荷仍具有較高的容積效率，使制冷系統具有較高的經濟性。
2.5、盡量選擇制冷機組
確定了壓縮機的種類、容量和臺數后，應盡量選用制冷機組，如壓縮冷凝機組、冷水機組、鹽水機組、單機雙級機組、氨泵機組等。制冷機組是經過廠商論證和試驗的，匹配合理、能效比高、耗電量少；如螺桿式、離心式冷水機組能效比一般都在4.5～5.8之間。選用機組可減少了設計和安裝環節，工程的質量得到較好的保證。
三、結束語
在空調系統的運行節能中，制冷機的選擇是決定性因素。在選擇制冷機組時，應在熟悉各種類型壓縮機運行和調節特性的基礎上，根據工程實際工況、資金、技術條件和環保等實際情況確定選擇方案，進行經濟性分析，然后確定合適的制冷壓縮機或制冷機組。經過論證比較后，設計的空調系統才能達到節能的目的。