磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組開發(fā)研究

張運(yùn)乾 盧軍 衛(wèi)俊宇 李鎮(zhèn)杉 楊志華

摘 要：當(dāng)前建筑能耗在社會(huì)總能耗中所占比例越來越大，國(guó)家七部委發(fā)文要求提升大型公共建筑制冷能效，這對(duì)于促進(jìn)綠色高效產(chǎn)品供給和消費(fèi)、推進(jìn)節(jié)能改造等方面提出了任務(wù)要求?，F(xiàn)介紹了磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組開發(fā)的過程、機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并與200 RT螺桿機(jī)組進(jìn)行了對(duì)比研究，對(duì)其節(jié)能性能進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，在相同的條件下，相較于螺桿機(jī)組，磁懸浮機(jī)組的IPLV提升約42%，電機(jī)功耗降低約30%，設(shè)備能耗、電費(fèi)均降低約30%，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約30%。

關(guān)鍵詞：磁懸浮;離心式冷水機(jī)組;螺桿機(jī)組;節(jié)能;IPLV

0 ? ?引言

我國(guó)是能源消耗大國(guó)，其中建筑能耗約占社會(huì)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(guó)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(duì)室內(nèi)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(huì)總能耗中所占比重也會(huì)越來越大。2019年，國(guó)家七部委發(fā)布《綠色高效制冷行動(dòng)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(jī)組作為大型建筑制冷系統(tǒng)的重要組成部分，其綜合運(yùn)行能效直接影響建筑制冷能效?！独渌畽C(jī)組能效限定值及能效等級(jí)》（GB 19577—2015）[1]更是直接將IPLV作為能效等級(jí)評(píng)定的指標(biāo)之一。

據(jù)《機(jī)電信息·中央空調(diào)市場(chǎng)》最新數(shù)據(jù)顯示，2019年上半年磁懸浮中央空調(diào)市場(chǎng)增幅達(dá)到43.70%，遠(yuǎn)超冷水機(jī)組的平均增幅[2]。

本文主要對(duì)磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行介紹，并與200 RT螺桿機(jī)組進(jìn)行了對(duì)比研究，對(duì)其節(jié)能性能進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 ?磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)

1.1 ?概述

為了提高機(jī)組的綜合運(yùn)行能效，變頻技術(shù)最先應(yīng)用于離心式冷水機(jī)組，通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速改變制冷機(jī)的有效流量，從而實(shí)現(xiàn)冷量的調(diào)節(jié)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)已在離心式冷水機(jī)組上得到廣泛應(yīng)用，隨后行業(yè)陸續(xù)推出了變頻直驅(qū)等技術(shù)，通過減少齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步降低機(jī)組運(yùn)行時(shí)的機(jī)械損耗。磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組就是利用磁懸浮軸承，通過磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸，避免了直接接觸所帶來的機(jī)械摩擦損耗。

1.2 ?雙級(jí)壓縮循環(huán)

1.2.1 ?補(bǔ)氣增焓技術(shù)

補(bǔ)氣增焓技術(shù)采用了經(jīng)濟(jì)器循環(huán)設(shè)計(jì)，通過準(zhǔn)二級(jí)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(bǔ)氣增焓技術(shù)的壓縮機(jī)通過中間壓力吸氣孔吸入一部分中間壓力氣體，與經(jīng)過部分壓縮的冷媒混合后再壓縮，實(shí)現(xiàn)了以單臺(tái)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)壓縮的過程，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2.2 ?制冷循環(huán)

制冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行，不僅僅依靠離心式壓縮機(jī)的高效運(yùn)行，同時(shí)還需要精確控制系統(tǒng)中的冷媒循環(huán)量，從而減少能量的浪費(fèi)。在整個(gè)制冷系統(tǒng)中，通過電子膨脹閥及進(jìn)口導(dǎo)葉對(duì)冷媒循環(huán)量進(jìn)行有效控制，從而快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)用戶負(fù)荷需求。同時(shí)，為了保證機(jī)組高效運(yùn)行，機(jī)組在不同工況下，通過對(duì)補(bǔ)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效控制壓縮機(jī)的冷媒流量，比部分負(fù)荷能效提高3%～5%，從而提高制冷循環(huán)本身的運(yùn)行效率。相比單級(jí)壓縮循環(huán)，利用補(bǔ)氣增焓雙級(jí)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(shù)

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(tǒng)滾珠軸承、滑動(dòng)軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子可以達(dá)到很高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，具有機(jī)械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長(zhǎng)、無需潤(rùn)滑、無油污染等優(yōu)點(diǎn)，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(zhuǎn)速越高，功耗降低越明顯。

筆者通過大量實(shí)驗(yàn)，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(jù)圖4可得出結(jié)論：轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速影響。

1.4 ?永磁同步電機(jī)技術(shù)

在電機(jī)方面，選用寬變頻永磁同步電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）永磁同步電機(jī)體積更小，全功率段總損耗比傳統(tǒng)異步電機(jī)更低，考慮磁懸浮軸承和雜散損耗0.2%、風(fēng)摩耗0.6%、電機(jī)損耗2.2%，額定點(diǎn)效率可達(dá)0.97以上;

（2）電機(jī)應(yīng)用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，可以實(shí)時(shí)根據(jù)工況變化精準(zhǔn)高效運(yùn)行，在全負(fù)荷運(yùn)行范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)能;

（3）采用定子溫度及轉(zhuǎn)子軸伸量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的精準(zhǔn)冷卻，可靠性高。

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

1.5 ?全降膜蒸發(fā)技術(shù)

水平管降膜蒸發(fā)器內(nèi)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(yīng)的作用下繞流成膜，同時(shí)從管內(nèi)熱流體吸收熱量，因?yàn)樵谝汗?、氣液界面均可發(fā)生相變，因此降膜蒸發(fā)表現(xiàn)出更高的換熱性能。

2 ?磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組優(yōu)勢(shì)

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

2.1 ? 穩(wěn)定可靠

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

（2）當(dāng)突然停電時(shí)，“永磁電機(jī)+變頻器+軸承電源板”自動(dòng)切換為不間斷自發(fā)電模式，永磁電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，用轉(zhuǎn)軸的殘余動(dòng)能給軸承供電，保持轉(zhuǎn)軸懸浮直到“近零轉(zhuǎn)速”，該過程大約持續(xù)十幾秒，轉(zhuǎn)速可降至“近零轉(zhuǎn)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(zhǎng)的壽命。

（3）備降軸承采用高強(qiáng)度滾動(dòng)軸承組和阻尼減震環(huán)，在突然斷電的情況下，有效支撐轉(zhuǎn)子軸從高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)到停止?fàn)顟B(tài)，避免磁軸承、傳感器與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磨損導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞。有了自發(fā)電模式和長(zhǎng)壽命備降軸承的雙重保護(hù)，當(dāng)壓縮機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，磁懸浮備降軸承可實(shí)現(xiàn)10次以上安全備降，比常規(guī)品牌安全備降次數(shù)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(tǒng)風(fēng)冷、水冷變頻器，用于大功率變頻器時(shí)，可使柜體尺寸更緊湊，功率器件短時(shí)過載能力更強(qiáng)。該變頻器還具有噪聲極小、柜內(nèi)清潔度高、電氣元器件壽命更長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)水冷變頻柜臟堵問題，使用該變頻器能夠減少客戶運(yùn)行維護(hù)工作量，更加方便易用。

（5）對(duì)電機(jī)H極絕緣，預(yù)置3組PT100溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)溫度;同時(shí)采用獨(dú)特的360°環(huán)形冷卻技術(shù)，確保電機(jī)定、轉(zhuǎn)子均勻冷卻，保證電機(jī)運(yùn)行的可靠性。

（6）具備斷電后的“快速啟動(dòng)”技術(shù)能力，可實(shí)現(xiàn)來電后最快5 s啟動(dòng)，啟動(dòng)后60 s恢復(fù)滿載制冷，無懼電網(wǎng)波動(dòng)，保證工藝穩(wěn)定。

2.2 ? 寬域運(yùn)行

制冷量的調(diào)節(jié)范圍是衡量離心式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，常規(guī)的制冷量調(diào)節(jié)方式有很多，如機(jī)組啟停調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)、吸氣節(jié)流調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)以及熱氣旁通調(diào)節(jié)等[3]。傳統(tǒng)離心機(jī)通常采用的是動(dòng)壓軸承，為了維持最小油膜厚度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能太低，否則會(huì)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(duì)于依靠轉(zhuǎn)速進(jìn)行冷量調(diào)節(jié)的離心式冷水機(jī)組而言，磁懸浮離心機(jī)的調(diào)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(jī)械接觸，減少了其運(yùn)行過程中機(jī)械部件的傳動(dòng)噪聲;壓縮機(jī)水平對(duì)置葉輪+外部管道式回流器結(jié)構(gòu)，降低了冷媒在流動(dòng)過程中的氣動(dòng)噪聲;特殊設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)箱體結(jié)構(gòu)，利用固—?dú)狻探唤缑鎸?duì)高頻噪聲的耗散，實(shí)現(xiàn)良好的隔音降噪效果，機(jī)組運(yùn)行噪聲低至70～75 dB（A）[4]，相比傳統(tǒng)螺桿機(jī)降低22%。

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

3 ?節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析

磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組采用變頻直驅(qū)技術(shù)，避免了傳統(tǒng)齒輪增速離心機(jī)所帶來的傳動(dòng)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(jī)械損耗占比，對(duì)機(jī)組在小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的能效提升尤為明顯。此外，采用永磁同步電機(jī)進(jìn)一步提高了磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組的工作效率，相比傳統(tǒng)三相異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)功率密度高，功率因數(shù)高，同時(shí)由于永磁同步電機(jī)沒有勵(lì)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(jī)組具有更為寬廣的高效運(yùn)行范圍。

采用磁懸浮無油離心機(jī)，可以減少傳統(tǒng)螺桿機(jī)產(chǎn)品油路系統(tǒng)相關(guān)維護(hù)保養(yǎng)內(nèi)容，如潤(rùn)滑油更換、油濾更換、油濾系統(tǒng)清洗、軸承磨損檢測(cè)等，降低用戶維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。傳統(tǒng)螺桿機(jī)在使用多年后，系統(tǒng)會(huì)含油，從而影響機(jī)組能效;磁懸浮無油離心機(jī)有效避免了系統(tǒng)含油導(dǎo)致的能效衰減，高效節(jié)能省電，特別適合工業(yè)應(yīng)用。磁懸浮無油離心機(jī)在使用壽命上優(yōu)勢(shì)也更為顯著，磁懸浮軸承無磨損，可使空調(diào)使用壽命延長(zhǎng)至30年[5]。磁懸浮機(jī)組與螺桿機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示（以制冷量200 RT為例，按25年計(jì)算，電費(fèi)按1元/kWh計(jì)）。

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組》（GB/T 18430.1—2007）[6]3.2.1章節(jié)的內(nèi)容，綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV）定義為用一個(gè)單一數(shù)值表示的空氣調(diào)節(jié)用冷水機(jī)組的部分負(fù)荷效率指標(biāo)，基于該標(biāo)準(zhǔn)表3規(guī)定的IPLV工況下機(jī)組部分負(fù)荷的性能系數(shù)值，按機(jī)組在特定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)間的加權(quán)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(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)COP（kW/kW）;B為75%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)COP（kW/kW）;C為50%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)COP（kW/kW）;D為25%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)COP（kW/kW）。

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

4 ?結(jié)語

本文以磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了其技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。主要結(jié)論如下：

（1）磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)的雙級(jí)壓縮循環(huán)、不存在機(jī)械接觸的磁懸浮軸承技術(shù)、具有更高電機(jī)效率的永磁同步電機(jī)技術(shù)、表現(xiàn)出更高的換熱性能的全降膜蒸發(fā)技術(shù)，使其具有穩(wěn)定可靠、寬域運(yùn)行、低噪環(huán)保、高效經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

（2）對(duì)磁懸浮機(jī)組與螺桿機(jī)組的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析對(duì)比，得出：磁懸浮機(jī)組綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV）為8.82，螺桿機(jī)組IPLV為6.21，磁懸浮機(jī)組IPLV相較于螺桿機(jī)組提升約42%;磁懸浮機(jī)組電機(jī)功耗為79.73 kW，螺桿機(jī)組電機(jī)功耗為113.24 kW，電機(jī)功耗降低約30%;使用磁懸浮機(jī)組每年電費(fèi)為11.48萬元，使用螺桿機(jī)組每年電費(fèi)為16.31萬元，電費(fèi)降低30%左右，因此采用磁懸浮機(jī)組比螺桿機(jī)組節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約30%。

[參考文獻(xiàn)]

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

[4] 姜?jiǎng)P迪，崔紅社，高屾，等.磁懸浮冷水機(jī)組在公建項(xiàng)目中的應(yīng)用分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2020，39（9）：58-61.

[5] ?潘順平.磁懸浮技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2020（30）：77-78.

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

收稿日期：2021-03-12

作者簡(jiǎn)介：張運(yùn)乾（1979—），男，山東曹縣人，高級(jí)工程師，研究方向：暖通制冷。