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摘要：制冷技术的应用已十分普遍，但制冷系统的消耗也不断上升，因此，制冷系统的节能工作已被制冷行业广泛重视。本文阐述了制冷系统节能优化思路与方法，并结合实例加以总结分析，得出了制冷系统最佳的运行参数，对降低制冷系统的消耗有一定参考价值。
关键词：制冷系统；节能；节能优化；温差
1 引 言
随着人们生活水平的提高，制冷技术的应用越来越多、规模越来越大，其能源消耗也日益巨大。我国是能源消耗大国，2002年以来我国的能源消耗增长一直高于GDP增长，努力降低制冷系统的能耗具有重要的现实意义。因此，有必要研究一种实际可行、经济合算的制冷系统节能优化控制方案。
2 制冷系统节能优化
2.1 制冷系统节能优化原则
对制冷系统进行节能优化，首先要确定节能优化的原则，即要确定节能优化目标、节能优化参数、节能优化计算的约束条件，然后才是节能优化方法的确定。
（1）节能优化目标的确定
对制冷系统进行节能优化，首先要明确节能优化目标。对不同的装置不同的人员所选择的节能优化目标都会有所不同，但一般来讲，节能优化的目标应该包括以下两项：（a）装置能够正常工作，达到其功能要求；（b）效率与竞技性最高。
（2）节能优化参数的选择
节能优化参数是指节能优化计算中的可变量。改变这些参数，寻找其最佳组合，即节能优化计算过程。本文所选研究实例为活塞式冷水机组。活塞式冷水机组中的活塞式压缩机的性能与很多参数有关，其性能曲线是指压缩机的制冷量和功率与相关参数的关系，其主要参数是蒸发温度和冷凝温度。而对于冷却水泵和冷冻水泵来说，影响水泵能耗功率的参数为冷却水流量和冷冻水流量，因此，选择冷却水流量和冷冻水流量为水泵节能优化参数。
3 节能优化实例
3.1 节能优化实例
某大型综合商场位于广东江门，制冷系统选用IS-100-65-200型冷却水泵，设有IS-125-100-315J型冷冻水泵4台，冷水机组的型号是开利活塞式冷水机组30HR-225，制冷量687.6kW，2台。工质为R22，总效率取0.75。
3.2 节能优化参数的确定
国内常见的用水输送冷量的中央空调中，空调系统消耗一般包括三部分，即空调冷热源能耗、冷却泵和冷水泵能耗。这三部分能耗中，冷热源能耗约占总能耗的1/2左右，冷冻水水泵、冷却水水泵、冷却塔风机的能耗约占整个能耗的1/4。这里以给定制冷量，冷却水泵、冷冻水泵和冷水机组总的能耗最小为最节能优化目标：
式中，P为制冷系统冷却水泵、冷冻水泵和冷水机组总能耗；P1、P2为冷却水泵和冷冻水泵能耗；P3为冷水机组能耗。下面对各个部分进行分析。
冷却水泵能耗：P1 =（qw/qw，o）3N1 （1）
式中，qw：冷却水实际流量（m3/h）；qw，o：冷却水最大流量（m3/h）；N1：冷却水泵轴功率（kW）。
对一定的空调系统，N1和qw，o是定值；所以冷却水泵能耗是冷却水流量的函数，即：P1=f（qw）。
冷冻水能耗：P2 =（qm/qm，o）3N2 （2）
式中，qm：冷冻水实际流量（m3/h）；qm，o：冷冻水最大流量（m3/h）；N2：冷冻水泵轴功率（kW）。
与冷却水泵同理，对一定的空调系统而言N2和qm，o是定值；冷冻水泵的能耗是冷冻水流量的函数：P2=f（qm）。
冷水机组压缩机能耗P3。
对于给定的定容量（理论排气量不变）的制冷压缩机构成的制冷系统而言，当所用制冷剂一定时，其制冷量Q0和耗功率P主要与蒸发温度和冷凝温度呈函数关系，即：P3=f（t0，tk）（3）
式中，t0，tk为蒸发温度、冷凝温度，单位为（℃）。对结构确定的制冷系统系统，压缩机能耗是蒸发温度和冷凝温度的函数，并随环境温度的改变而变化的。将上述的三部分功率相加便是节能优化的目标函数：
minP=P1+P2+P3=f（qw）+f（qm）+f（t0，tk）
经过上述分析，我们选定（qw，qm，t0，tk）为节能优化参数。
（1）压缩机能量调节
根据开利活塞式冷水机组30HR-225的技术参数表，此机组配备3台型号为06EF的压缩机，压缩机冷量调节范围为16/33/50/67/83/100，即通过卸载气缸来进行能量调节。
在不同的冷凝温度下，压缩机可以通过卸载气缸数满足冷负荷要求，但是压缩机耗功就会有变化。此时我们通过调节变频冷却水泵的转速以改变流量使压缩机，冷却水泵的能耗之和达到最小。
（2）冷凝器排热量变化
冷凝器排热量Qk也会随着压缩机的能量调节的变化而变化，冷凝器除热温差和传热面积不变，则冷凝器排热量与平均温差有关：
K：冷凝器传热系数（kW/m2.℃）；A：冷凝器换热面积（m2）；Δtm：平均温差（℃）；Cp：水定压比热（kJ/m2.℃）；ΔT2：冷却水进出口温差（℃）。
（3）大温差/小流量方案的研究
多年来冷水机组的冷却水供、回水设计温差通常为5℃。冷凝器排热量与冷凝器供、回水温差和流量有关，计算公式如下：ΔT2：冷却水进出口温差（℃）。
假定比热Cp为常数，则既可采用增大流量qw而减小温差$T2的方案，即增加水泵耗功而减少冷水机组耗功，又可采用减少qw而增大ΔT2的方案，即减少水泵耗功而增加冷水机组耗功，这两种方案的总能。耗能可能并不相同。我们选择4种不同的冷水/冷却水的流量与温差方案进行比较计算。以流量比为4.3/5.4的基准方案（ARI的标准额定工况），逐步减少水流量。
这4种方案的能耗对比见图1。可见，随着水流量的减小，整个系统的总能耗是逐渐减小的，冷却水泵、冷水水泵的能耗也是逐渐降低的，而压缩机的能耗反而增加。这个变化趋势是与水流量减小而水温差增大有关的。 图1 冷水系统的总能耗随工况的变化图
在部分负荷下，当制冷量减小时，冷水机组的能耗随之降低，冷却水泵、冷水水泵的能耗占冷水系统总能耗的比例增大。因此采用大温差小流量的方案后，减小冷却水泵、冷水水泵的能耗，此能耗的降低对整个水系统作用更明显。相比常规水系统，大温差小流量系统方案节能效果更为显著。
（4）拟合曲线求最小值
某大型商场初始冷水进出口温度分别为12℃，7℃，蒸发温度0℃；冷却水进出口温度分别为32℃，37℃；冷凝温度45℃。环境温度改变时，若冷凝器传热系数K；冷凝器传热面积A不变，则冷却水出口温度也会相应改变，据经验值冷凝温度为tk，此时冷凝器排热量：Qk=KAΔtm。
根据Qk=qwCpΔT2。
ΔT2：冷却水进出口温差（0℃）。总能耗：minP=P1+P2+P3=f（qw）+f（qm）+f（t0，tk）
压缩机能耗：P3=173.7+173.7×50%=260.55kW，若保持冷却水进流量65m3/h，冷凝器排热量：
根据Q0=qmCpΔT1，冷冻水进出口温差5℃，qm=49.75m3/h，P1=2.507×10-19q3w-1.429×10-4q2w+0.1307qw+6.264=64.6kW；P2=-2.778×10-6q3m+1.048×10-3q2m-0.0502qm+9.238=35.95kW；P3=260.55kW；P=P1+P2+P3=361.1kW。
其中压缩机耗能占总能耗的72.2%，冷却水泵和冷冻水泵分别占总能耗的17.9%和9.9%。下面我们再看当冷却水流量为55m3/h时总能耗的变化情况，进水温度28℃时，
。
此时冷却水进出口温差为6℃，压缩机能耗P=178.4+178.4×50%=1020.75kW，Q0=680.5+680.5×50%=1020.75kW，Q0=qmCpΔT1，冷冻水进出口温差5℃，qm=48.72m3/h，P1=2.507×10-19q3w-1.429×10-4q2w+0.1307qw+6.264=52.08kW；P2=-2.778×10-6q3m+1.048×10-3q2m-0.0502qm+9.238=35.67kW；P3=178.4+178.4×50%=267.6kW；P=P1+P2+P3=355.35kW。
其中压缩机耗能占总能耗的75.3%，冷却水泵和冷冻水泵分别占总能耗的14.7%和10%。两种方案进行比较，很明显，当冷却水流量为55m3/h时，系统总能耗比冷却水流量65m3/h时要小。可以看出随着冷却水流量的减少，温差的增大，冷却水泵耗能在整个系统中所占的耗能比例是减小的，而冷冻水泵流量和能耗基本不变，总能耗也在减小。
通过EXCEL的规划求解功能我们可以求出上述环境温度条件下当冷却水流量为50.03m3/h，冷却水进出口温差为6.7℃，系统总能耗为最小，此时总能耗为348.3kW。现给出环境温度30℃时系统总能耗与冷却水流量之间的函数关系图如图4所示。
如图所示在环境温度30℃时，调解冷却水流量为50.03m3/h时，系统总能耗为最小。我们用同样的方法可以求出不同环境温度下整个制冷空调系统能耗的最小值，以及在此能耗最小值条件下的冷却水流量和冷冻水流量、冷却水进出口温差和冷凝温度等值。
4 结论
总之，我国是一个能源消耗大国，努力降低能耗，提高能源使用效率，于国家经济持续发展有着重大意义。制冷系统只是其中的个体，本文只列举了系统中一部分可以节能的环节如何让制冷系统发挥最大效率，在指导现行制冷系统的节能工作中发挥了重要作用。但是降低制冷系统能耗是一项长期工作，并不是一早一夕就能做好的，因此，这需要我们每个制冷工作者不断开拓创新，学习国内外先进经验。
参考文献：
[1]康炜.高新国际商务中心空调制冷系统能耗分析与方案优化[D].西安建筑科技大学，2011年
[2]朱敏杰.制冷系统节能技术及其在现代冷库中的应用研究[J].科技致富向导，2011年18期
关键词：制冷系统；节能；节能优化；温差
1 引 言
随着人们生活水平的提高，制冷技术的应用越来越多、规模越来越大，其能源消耗也日益巨大。我国是能源消耗大国，2002年以来我国的能源消耗增长一直高于GDP增长，努力降低制冷系统的能耗具有重要的现实意义。因此，有必要研究一种实际可行、经济合算的制冷系统节能优化控制方案。
2 制冷系统节能优化
2.1 制冷系统节能优化原则
对制冷系统进行节能优化，首先要确定节能优化的原则，即要确定节能优化目标、节能优化参数、节能优化计算的约束条件，然后才是节能优化方法的确定。
（1）节能优化目标的确定
对制冷系统进行节能优化，首先要明确节能优化目标。对不同的装置不同的人员所选择的节能优化目标都会有所不同，但一般来讲，节能优化的目标应该包括以下两项：（a）装置能够正常工作，达到其功能要求；（b）效率与竞技性最高。
（2）节能优化参数的选择
节能优化参数是指节能优化计算中的可变量。改变这些参数，寻找其最佳组合，即节能优化计算过程。本文所选研究实例为活塞式冷水机组。活塞式冷水机组中的活塞式压缩机的性能与很多参数有关，其性能曲线是指压缩机的制冷量和功率与相关参数的关系，其主要参数是蒸发温度和冷凝温度。而对于冷却水泵和冷冻水泵来说，影响水泵能耗功率的参数为冷却水流量和冷冻水流量，因此，选择冷却水流量和冷冻水流量为水泵节能优化参数。
3 节能优化实例
3.1 节能优化实例
某大型综合商场位于广东江门，制冷系统选用IS-100-65-200型冷却水泵，设有IS-125-100-315J型冷冻水泵4台，冷水机组的型号是开利活塞式冷水机组30HR-225，制冷量687.6kW，2台。工质为R22，总效率取0.75。
3.2 节能优化参数的确定
国内常见的用水输送冷量的中央空调中，空调系统消耗一般包括三部分，即空调冷热源能耗、冷却泵和冷水泵能耗。这三部分能耗中，冷热源能耗约占总能耗的1/2左右，冷冻水水泵、冷却水水泵、冷却塔风机的能耗约占整个能耗的1/4。这里以给定制冷量，冷却水泵、冷冻水泵和冷水机组总的能耗最小为最节能优化目标：
式中，P为制冷系统冷却水泵、冷冻水泵和冷水机组总能耗；P1、P2为冷却水泵和冷冻水泵能耗；P3为冷水机组能耗。下面对各个部分进行分析。
冷却水泵能耗：P1 =（qw/qw，o）3N1 （1）
式中，qw：冷却水实际流量（m3/h）；qw，o：冷却水最大流量（m3/h）；N1：冷却水泵轴功率（kW）。
对一定的空调系统，N1和qw，o是定值；所以冷却水泵能耗是冷却水流量的函数，即：P1=f（qw）。
冷冻水能耗：P2 =（qm/qm，o）3N2 （2）
式中，qm：冷冻水实际流量（m3/h）；qm，o：冷冻水最大流量（m3/h）；N2：冷冻水泵轴功率（kW）。
与冷却水泵同理，对一定的空调系统而言N2和qm，o是定值；冷冻水泵的能耗是冷冻水流量的函数：P2=f（qm）。
冷水机组压缩机能耗P3。
对于给定的定容量（理论排气量不变）的制冷压缩机构成的制冷系统而言，当所用制冷剂一定时，其制冷量Q0和耗功率P主要与蒸发温度和冷凝温度呈函数关系，即：P3=f（t0，tk）（3）
式中，t0，tk为蒸发温度、冷凝温度，单位为（℃）。对结构确定的制冷系统系统，压缩机能耗是蒸发温度和冷凝温度的函数，并随环境温度的改变而变化的。将上述的三部分功率相加便是节能优化的目标函数：
minP=P1+P2+P3=f（qw）+f（qm）+f（t0，tk）
经过上述分析，我们选定（qw，qm，t0，tk）为节能优化参数。
（1）压缩机能量调节
根据开利活塞式冷水机组30HR-225的技术参数表，此机组配备3台型号为06EF的压缩机，压缩机冷量调节范围为16/33/50/67/83/100，即通过卸载气缸来进行能量调节。
在不同的冷凝温度下，压缩机可以通过卸载气缸数满足冷负荷要求，但是压缩机耗功就会有变化。此时我们通过调节变频冷却水泵的转速以改变流量使压缩机，冷却水泵的能耗之和达到最小。
（2）冷凝器排热量变化
冷凝器排热量Qk也会随着压缩机的能量调节的变化而变化，冷凝器除热温差和传热面积不变，则冷凝器排热量与平均温差有关：
K：冷凝器传热系数（kW/m2.℃）；A：冷凝器换热面积（m2）；Δtm：平均温差（℃）；Cp：水定压比热（kJ/m2.℃）；ΔT2：冷却水进出口温差（℃）。
（3）大温差/小流量方案的研究
多年来冷水机组的冷却水供、回水设计温差通常为5℃。冷凝器排热量与冷凝器供、回水温差和流量有关，计算公式如下：ΔT2：冷却水进出口温差（℃）。
假定比热Cp为常数，则既可采用增大流量qw而减小温差$T2的方案，即增加水泵耗功而减少冷水机组耗功，又可采用减少qw而增大ΔT2的方案，即减少水泵耗功而增加冷水机组耗功，这两种方案的总能。耗能可能并不相同。我们选择4种不同的冷水/冷却水的流量与温差方案进行比较计算。以流量比为4.3/5.4的基准方案（ARI的标准额定工况），逐步减少水流量。
这4种方案的能耗对比见图1。可见，随着水流量的减小，整个系统的总能耗是逐渐减小的，冷却水泵、冷水水泵的能耗也是逐渐降低的，而压缩机的能耗反而增加。这个变化趋势是与水流量减小而水温差增大有关的。 图1 冷水系统的总能耗随工况的变化图
在部分负荷下，当制冷量减小时，冷水机组的能耗随之降低，冷却水泵、冷水水泵的能耗占冷水系统总能耗的比例增大。因此采用大温差小流量的方案后，减小冷却水泵、冷水水泵的能耗，此能耗的降低对整个水系统作用更明显。相比常规水系统，大温差小流量系统方案节能效果更为显著。
（4）拟合曲线求最小值
某大型商场初始冷水进出口温度分别为12℃，7℃，蒸发温度0℃；冷却水进出口温度分别为32℃，37℃；冷凝温度45℃。环境温度改变时，若冷凝器传热系数K；冷凝器传热面积A不变，则冷却水出口温度也会相应改变，据经验值冷凝温度为tk，此时冷凝器排热量：Qk=KAΔtm。
根据Qk=qwCpΔT2。
ΔT2：冷却水进出口温差（0℃）。总能耗：minP=P1+P2+P3=f（qw）+f（qm）+f（t0，tk）
压缩机能耗：P3=173.7+173.7×50%=260.55kW，若保持冷却水进流量65m3/h，冷凝器排热量：
根据Q0=qmCpΔT1，冷冻水进出口温差5℃，qm=49.75m3/h，P1=2.507×10-19q3w-1.429×10-4q2w+0.1307qw+6.264=64.6kW；P2=-2.778×10-6q3m+1.048×10-3q2m-0.0502qm+9.238=35.95kW；P3=260.55kW；P=P1+P2+P3=361.1kW。
其中压缩机耗能占总能耗的72.2%，冷却水泵和冷冻水泵分别占总能耗的17.9%和9.9%。下面我们再看当冷却水流量为55m3/h时总能耗的变化情况，进水温度28℃时，
。
此时冷却水进出口温差为6℃，压缩机能耗P=178.4+178.4×50%=1020.75kW，Q0=680.5+680.5×50%=1020.75kW，Q0=qmCpΔT1，冷冻水进出口温差5℃，qm=48.72m3/h，P1=2.507×10-19q3w-1.429×10-4q2w+0.1307qw+6.264=52.08kW；P2=-2.778×10-6q3m+1.048×10-3q2m-0.0502qm+9.238=35.67kW；P3=178.4+178.4×50%=267.6kW；P=P1+P2+P3=355.35kW。
其中压缩机耗能占总能耗的75.3%，冷却水泵和冷冻水泵分别占总能耗的14.7%和10%。两种方案进行比较，很明显，当冷却水流量为55m3/h时，系统总能耗比冷却水流量65m3/h时要小。可以看出随着冷却水流量的减少，温差的增大，冷却水泵耗能在整个系统中所占的耗能比例是减小的，而冷冻水泵流量和能耗基本不变，总能耗也在减小。
通过EXCEL的规划求解功能我们可以求出上述环境温度条件下当冷却水流量为50.03m3/h，冷却水进出口温差为6.7℃，系统总能耗为最小，此时总能耗为348.3kW。现给出环境温度30℃时系统总能耗与冷却水流量之间的函数关系图如图4所示。
如图所示在环境温度30℃时，调解冷却水流量为50.03m3/h时，系统总能耗为最小。我们用同样的方法可以求出不同环境温度下整个制冷空调系统能耗的最小值，以及在此能耗最小值条件下的冷却水流量和冷冻水流量、冷却水进出口温差和冷凝温度等值。
4 结论
总之，我国是一个能源消耗大国，努力降低能耗，提高能源使用效率，于国家经济持续发展有着重大意义。制冷系统只是其中的个体，本文只列举了系统中一部分可以节能的环节如何让制冷系统发挥最大效率，在指导现行制冷系统的节能工作中发挥了重要作用。但是降低制冷系统能耗是一项长期工作，并不是一早一夕就能做好的，因此，这需要我们每个制冷工作者不断开拓创新，学习国内外先进经验。
参考文献：
[1]康炜.高新国际商务中心空调制冷系统能耗分析与方案优化[D].西安建筑科技大学，2011年
[2]朱敏杰.制冷系统节能技术及其在现代冷库中的应用研究[J].科技致富向导，2011年18期