張運乾 盧軍 衛(wèi)俊宇 李鎮(zhèn)杉 楊志華

摘 要：當前建筑能耗在社會總能耗中所占比例越來越大，國家七部委發(fā)文要求提升大型公共建筑制冷能效，這對于促進綠色高效產品供給和消費、推進節(jié)能改造等方面提出了任務要求。現介紹了磁懸浮變頻離心式冷水機組開發(fā)的過程、機組的技術特點和優(yōu)勢，并與200 RT螺桿機組進行了對比研究，對其節(jié)能性能進行了計算分析。結果表明，在相同的條件下，相較于螺桿機組，磁懸浮機組的IPLV提升約42%，電機功耗降低約30%，設備能耗、電費均降低約30%，節(jié)省運行費用約30%。

關鍵詞：磁懸浮;離心式冷水機組;螺桿機組;節(jié)能;IPLV

0 ? ?引言

我國是能源消耗大國，其中建筑能耗約占社會總能耗的20%～30%。目前，建筑能耗已與工業(yè)能耗、交通能耗并列，成為我國能源消耗的三大“能耗大戶”之一。隨著人們生活水平的不斷提高，居民對室內環(huán)境的舒適度要求也越來越高，更高的要求意味著更多的能源需求，建筑能耗必將大幅增加，其在社會總能耗中所占比重也會越來越大。2019年，國家七部委發(fā)布《綠色高效制冷行動方案》，要求到2030年大型公共建筑制冷能效提升30%。離心式冷水機組作為大型建筑制冷系統的重要組成部分，其綜合運行能效直接影響建筑制冷能效。《冷水機組能效限定值及能效等級》（GB 19577—2015）[1]更是直接將IPLV作為能效等級評定的指標之一。

據《機電信息·中央空調市場》最新數據顯示，2019年上半年磁懸浮中央空調市場增幅達到43.70%，遠超冷水機組的平均增幅[2]。

本文主要對磁懸浮變頻離心式冷水機組的技術特點和優(yōu)勢進行介紹，并與200 RT螺桿機組進行了對比研究，對其節(jié)能性能進行了計算分析。

1 ?磁懸浮變頻離心式冷水機組技術特點

1.1 ?概述

為了提高機組的綜合運行能效，變頻技術最先應用于離心式冷水機組，通過調節(jié)壓縮機轉速改變制冷機的有效流量，從而實現冷量的調節(jié)。隨著技術的不斷發(fā)展，變頻技術已在離心式冷水機組上得到廣泛應用，隨后行業(yè)陸續(xù)推出了變頻直驅等技術，通過減少齒輪傳動機構進一步降低機組運行時的機械損耗。磁懸浮變頻離心式冷水機組就是利用磁懸浮軸承，通過磁力作用將轉子懸浮于空中，使轉子與定子之間沒有機械接觸，避免了直接接觸所帶來的機械摩擦損耗。

1.2 ?雙級壓縮循環(huán)

1.2.1 ?補氣增焓技術

補氣增焓技術采用了經濟器循環(huán)設計，通過準二級壓縮中間冷卻的原理，解決了高壓縮比及高排氣溫度的問題。采用補氣增焓技術的壓縮機通過中間壓力吸氣孔吸入一部分中間壓力氣體，與經過部分壓縮的冷媒混合后再壓縮，實現了以單臺壓縮機實現兩級壓縮的過程，其系統原理如圖1所示。

1.2.2 ?制冷循環(huán)

制冷系統的高效運行，不僅僅依靠離心式壓縮機的高效運行，同時還需要精確控制系統中的冷媒循環(huán)量，從而減少能量的浪費。在整個制冷系統中，通過電子膨脹閥及進口導葉對冷媒循環(huán)量進行有效控制，從而快速、準確地響應用戶負荷需求。同時，為了保證機組高效運行，機組在不同工況下，通過對補氣量進行調節(jié)，有效控制壓縮機的冷媒流量，比部分負荷能效提高3%～5%，從而提高制冷循環(huán)本身的運行效率。相比單級壓縮循環(huán)，利用補氣增焓雙級壓縮可從制冷原理上提高循環(huán)效率6%左右，其制冷循環(huán)壓焓圖如圖2所示。

1.3 ?磁懸浮軸承技術

磁軸承由徑向磁軸承、推力磁軸承、徑向和軸向位移傳感器等組成，軸承解剖圖如圖3所示。與傳統滾珠軸承、滑動軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機械接觸，轉子可以達到很高的運轉速度，具有機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優(yōu)點，特別適用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境。磁懸浮軸承功耗低至0.4 kW，僅為常規(guī)油軸承功耗的2%～10%，且轉速越高，功耗降低越明顯。

筆者通過大量實驗，分析了磁懸浮軸承與油軸承兩者的功耗情況，如圖4所示。

根據圖4可得出結論：轉速越高，油軸承的功耗越大，但磁懸浮軸承的功耗是比較穩(wěn)定的，不受轉速影響。

1.4 ?永磁同步電機技術

在電機方面，選用寬變頻永磁同步電機，其優(yōu)點在于：

（1）永磁同步電機體積更小，全功率段總損耗比傳統異步電機更低，考慮磁懸浮軸承和雜散損耗0.2%、風摩耗0.6%、電機損耗2.2%，額定點效率可達0.97以上;

（2）電機應用空間矢量脈寬調制技術，可以實時根據工況變化精準高效運行，在全負荷運行范圍內實現節(jié)能;

（3）采用定子溫度及轉子軸伸量實時監(jiān)測系統，實現電機定轉子的精準冷卻，可靠性高。

相較于傳統三相交流異步電機，其具有更高的電機效率，尤其是在低負荷下優(yōu)勢更加明顯，如圖5所示。

1.5 ?全降膜蒸發(fā)技術

水平管降膜蒸發(fā)器內部主要的換熱方式為降膜蒸發(fā)，即從蒸發(fā)器頂部流入的制冷劑液體沖刷水平管，在附壁效應的作用下繞流成膜，同時從管內熱流體吸收熱量，因為在液固、氣液界面均可發(fā)生相變，因此降膜蒸發(fā)表現出更高的換熱性能。

2 ?磁懸浮變頻離心式冷水機組優(yōu)勢

相較于傳統離心式冷水機組，磁懸浮變頻離心式冷水機組主要具有以下優(yōu)點：

2.1 ? 穩(wěn)定可靠

（1）與傳統串列布置葉輪不同，磁懸浮變頻離心機采用水平對置葉輪結構，較傳統串列布置結構，高速旋轉徑向振動更小;并且兩個葉輪所受軸向力相互抵消、自主平衡，總推力僅為傳統串列布置葉輪的10%，因此，磁懸浮軸承的可靠性更好。

（2）當突然停電時，“永磁電機+變頻器+軸承電源板”自動切換為不間斷自發(fā)電模式，永磁電機變?yōu)榘l(fā)電機，用轉軸的殘余動能給軸承供電，保持轉軸懸浮直到“近零轉速”，該過程大約持續(xù)十幾秒，轉速可降至“近零轉速”=300 r/min，然后再平穩(wěn)降落到備降軸承，即可保證軸承擁有更長的壽命。

（3）備降軸承采用高強度滾動軸承組和阻尼減震環(huán)，在突然斷電的情況下，有效支撐轉子軸從高速轉動狀態(tài)到停止狀態(tài)，避免磁軸承、傳感器與轉子產生磨損導致壓縮機損壞。有了自發(fā)電模式和長壽命備降軸承的雙重保護，當壓縮機以最高轉速運轉時，磁懸浮備降軸承可實現10次以上安全備降，比常規(guī)品牌安全備降次數提升67%。

（4）采用微通道冷媒散熱變頻器，散熱效果明顯優(yōu)于傳統風冷、水冷變頻器，用于大功率變頻器時，可使柜體尺寸更緊湊，功率器件短時過載能力更強。該變頻器還具有噪聲極小、柜內清潔度高、電氣元器件壽命更長等優(yōu)點，相較于傳統水冷變頻柜臟堵問題，使用該變頻器能夠減少客戶運行維護工作量，更加方便易用。

（5）對電機H極絕緣，預置3組PT100溫度傳感器，實時監(jiān)控電機溫度;同時采用獨特的360°環(huán)形冷卻技術，確保電機定、轉子均勻冷卻，保證電機運行的可靠性。

（6）具備斷電后的“快速啟動”技術能力，可實現來電后最快5 s啟動，啟動后60 s恢復滿載制冷，無懼電網波動，保證工藝穩(wěn)定。

2.2 ? 寬域運行

制冷量的調節(jié)范圍是衡量離心式冷水機組設計的一個重要指標，常規(guī)的制冷量調節(jié)方式有很多，如機組啟停調節(jié)、壓縮機臺數調節(jié)、吸氣節(jié)流調節(jié)、壓縮機變頻調節(jié)以及熱氣旁通調節(jié)等[3]。傳統離心機通常采用的是動壓軸承，為了維持最小油膜厚度，轉子轉速不能太低，否則會降低軸承載荷承受力，從而損壞軸承。磁懸浮軸承則不存在此限制，因此，對于依靠轉速進行冷量調節(jié)的離心式冷水機組而言，磁懸浮離心機的調節(jié)范圍更為寬廣。

2.3 ? 低噪環(huán)保

（1）磁懸浮軸承無直接機械接觸，減少了其運行過程中機械部件的傳動噪聲;壓縮機水平對置葉輪+外部管道式回流器結構，降低了冷媒在流動過程中的氣動噪聲;特殊設計的壓縮機箱體結構，利用固—氣—固交界面對高頻噪聲的耗散，實現良好的隔音降噪效果，機組運行噪聲低至70～75 dB（A）[4]，相比傳統螺桿機降低22%。

（2）機組采用R134a環(huán)保冷媒以及全降膜蒸發(fā)技術，在保障機組高效換熱的同時，減少冷媒充注量，降低對環(huán)境的影響，更加環(huán)保。

3 ?節(jié)能經濟性分析

磁懸浮變頻離心式冷水機組采用變頻直驅技術，避免了傳統齒輪增速離心機所帶來的傳動損失，相比油軸承，磁懸浮軸承功耗僅為其2%～10%，大大降低了固定機械損耗占比，對機組在小負荷運行時的能效提升尤為明顯。此外，采用永磁同步電機進一步提高了磁懸浮變頻離心式冷水機組的工作效率，相比傳統三相異步電機，永磁同步電機功率密度高，功率因數高，同時由于永磁同步電機沒有勵磁損耗，因此其工作效率更高。綜上所述，磁懸浮變頻離心式冷水機組具有更為寬廣的高效運行范圍。

采用磁懸浮無油離心機，可以減少傳統螺桿機產品油路系統相關維護保養(yǎng)內容，如潤滑油更換、油濾更換、油濾系統清洗、軸承磨損檢測等，降低用戶維護保養(yǎng)費用。傳統螺桿機在使用多年后，系統會含油，從而影響機組能效;磁懸浮無油離心機有效避免了系統含油導致的能效衰減，高效節(jié)能省電，特別適合工業(yè)應用。磁懸浮無油離心機在使用壽命上優(yōu)勢也更為顯著，磁懸浮軸承無磨損，可使空調使用壽命延長至30年[5]。磁懸浮機組與螺桿機組各項性能指標對比如表1所示（以制冷量200 RT為例，按25年計算，電費按1元/kWh計）。

參照國家標準《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組》（GB/T 18430.1—2007）[6]3.2.1章節(jié)的內容，綜合部分負荷性能系數（IPLV）定義為用一個單一數值表示的空氣調節(jié)用冷水機組的部分負荷效率指標，基于該標準表3規(guī)定的IPLV工況下機組部分負荷的性能系數值，按機組在特定負荷下運行時間的加權因素，通過式（1）獲得。

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D

式中：A為100%負荷時的性能系數COP（kW/kW）;B為75%負荷時的性能系數COP（kW/kW）;C為50%負荷時的性能系數COP（kW/kW）;D為25%負荷時的性能系數COP（kW/kW）。

由表1可知，在制冷量一定的條件下，磁懸浮機組相較于螺桿機組，其綜合部分負荷性能系數（IPLV）提升約42%，建筑制冷能效也隨之提高;電機功耗降低約30%;在全年運行時間均為1 440 h的前提下，設備能耗、電費均降低30%左右。

4 ?結語

本文以磁懸浮變頻離心式冷水機組為研究對象，詳細分析了其技術特點與優(yōu)勢。主要結論如下：

（1）磁懸浮變頻離心式冷水機組采用補氣增焓技術的雙級壓縮循環(huán)、不存在機械接觸的磁懸浮軸承技術、具有更高電機效率的永磁同步電機技術、表現出更高的換熱性能的全降膜蒸發(fā)技術，使其具有穩(wěn)定可靠、寬域運行、低噪環(huán)保、高效經濟的優(yōu)點。

（2）對磁懸浮機組與螺桿機組的節(jié)能經濟性進行分析對比，得出：磁懸浮機組綜合部分負荷性能系數（IPLV）為8.82，螺桿機組IPLV為6.21，磁懸浮機組IPLV相較于螺桿機組提升約42%;磁懸浮機組電機功耗為79.73 kW，螺桿機組電機功耗為113.24 kW，電機功耗降低約30%;使用磁懸浮機組每年電費為11.48萬元，使用螺桿機組每年電費為16.31萬元，電費降低30%左右，因此采用磁懸浮機組比螺桿機組節(jié)省運行費用約30%。

[參考文獻]

[1] 冷水機組能效限定值及能效等級：GB 19577—2015[S].

[2] 2019年上半年中國中央空調市場總結報告[J].機電信息，?2019（22）：34-67.

[3] 何浩，夏雨亮.熱氣旁通對磁懸浮離心式冷水機組卸載能力的影響[J].制冷與空調，2020，20（9）：29-34.

[4] 姜凱迪，崔紅社，高屾，等.磁懸浮冷水機組在公建項目中的應用分析[J].建筑熱能通風空調，2020，39（9）：58-61.

[5] ?潘順平.磁懸浮技術在暖通空調中的應用[J].機電信息，2020（30）：77-78.

[6] 蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組：GB/T 18430.1—2007[S].

收稿日期：2021-03-12

作者簡介：張運乾（1979—），男，山東曹縣人，高級工程師，研究方向：暖通制冷。