磁悬浮变频离心式冷水机组开发研究

张运乾 卢军 卫俊宇 李镇杉 杨志华

摘 要：当前建筑能耗在社会总能耗中所占比例越来越大，国家七部委发文要求提升大型公共建筑制冷能效，这对于促进绿色高效产品供给和消费、推进节能改造等方面提出了任务要求。现介绍了磁悬浮变频离心式冷水机组开发的过程、机组的技术特点和优势，并与200 RT螺杆机组进行了对比研究，对其节能性能进行了计算分析。结果表明，在相同的条件下，相较于螺杆机组，磁悬浮机组的IPLV提升约42%，电机功耗降低约30%，设备能耗、电费均降低约30%，节省运行费用约30%。

关键词：磁悬浮;离心式冷水机组;螺杆机组;节能;IPLV

0    引言

我国是能源消耗大国，其中建筑能耗约占社会总能耗的20%～30%。目前，建筑能耗已与工业能耗、交通能耗并列，成为我国能源消耗的三大“能耗大户”之一。随着人们生活水平的不断提高，居民对室内环境的舒适度要求也越来越高，更高的要求意味着更多的能源需求，建筑能耗必将大幅增加，其在社会总能耗中所占比重也会越来越大。2019年，国家七部委发布《绿色高效制冷行动方案》，要求到2030年大型公共建筑制冷能效提升30%。离心式冷水机组作为大型建筑制冷系统的重要组成部分，其综合运行能效直接影响建筑制冷能效。《冷水机组能效限定值及能效等级》（GB 19577—2015）[1]更是直接将IPLV作为能效等级评定的指标之一。

据《机电信息·中央空调市场》最新数据显示，2019年上半年磁悬浮中央空调市场增幅达到43.70%，远超冷水机组的平均增幅[2]。

本文主要对磁悬浮变频离心式冷水机组的技术特点和优势进行介绍，并与200 RT螺杆机组进行了对比研究，对其节能性能进行了计算分析。

1  磁悬浮变频离心式冷水机组技术特点

1.1  概述

为了提高机组的综合运行能效，变频技术最先应用于离心式冷水机组，通过调节压缩机转速改变制冷机的有效流量，从而实现冷量的调节。随着技术的不断发展，变频技术已在离心式冷水机组上得到广泛应用，随后行业陆续推出了变频直驱等技术，通过减少齿轮传动机构进一步降低机组运行时的机械损耗。磁悬浮变频离心式冷水机组就是利用磁悬浮轴承，通过磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触，避免了直接接触所带来的机械摩擦损耗。

1.2  双级压缩循环

1.2.1  补气增焓技术

补气增焓技术采用了经济器循环设计，通过准二级压缩中间冷却的原理，解决了高压缩比及高排气温度的问題。采用补气增焓技术的压缩机通过中间压力吸气孔吸入一部分中间压力气体，与经过部分压缩的冷媒混合后再压缩，实现了以单台压缩机实现两级压缩的过程，其系统原理如图1所示。

1.2.2  制冷循环

制冷系统的高效运行，不仅仅依靠离心式压缩机的高效运行，同时还需要精确控制系统中的冷媒循环量，从而减少能量的浪费。在整个制冷系统中，通过电子膨胀阀及进口导叶对冷媒循环量进行有效控制，从而快速、准确地响应用户负荷需求。同时，为了保证机组高效运行，机组在不同工况下，通过对补气量进行调节，有效控制压缩机的冷媒流量，比部分负荷能效提高3%～5%，从而提高制冷循环本身的运行效率。相比单级压缩循环，利用补气增焓双级压缩可从制冷原理上提高循环效率6%左右，其制冷循环压焓图如图2所示。

1.3  磁悬浮轴承技术

磁轴承由径向磁轴承、推力磁轴承、径向和轴向位移传感器等组成，轴承解剖图如图3所示。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境。磁悬浮轴承功耗低至0.4 kW，仅为常规油轴承功耗的2%～10%，且转速越高，功耗降低越明显。

笔者通过大量实验，分析了磁悬浮轴承与油轴承两者的功耗情况，如图4所示。

根据图4可得出结论：转速越高，油轴承的功耗越大，但磁悬浮轴承的功耗是比较稳定的，不受转速影响。

1.4  永磁同步电机技术

在电机方面，选用宽变频永磁同步电机，其优点在于：

（1）永磁同步电机体积更小，全功率段总损耗比传统异步电机更低，考虑磁悬浮轴承和杂散损耗0.2%、风摩耗0.6%、电机损耗2.2%，额定点效率可达0.97以上;

（2）电机应用空间矢量脉宽调制技术，可以实时根据工况变化精准高效运行，在全负荷运行范围内实现节能;

（3）采用定子温度及转子轴伸量实时监测系统，实现电机定转子的精准冷却，可靠性高。

相较于传统三相交流异步电机，其具有更高的电机效率，尤其是在低负荷下优势更加明显，如图5所示。

1.5  全降膜蒸发技术

水平管降膜蒸发器内部主要的换热方式为降膜蒸发，即从蒸发器顶部流入的制冷剂液体冲刷水平管，在附壁效应的作用下绕流成膜，同时从管内热流体吸收热量，因为在液固、气液界面均可发生相变，因此降膜蒸发表现出更高的换热性能。

2  磁悬浮变频离心式冷水机组优势

相较于传统离心式冷水机组，磁悬浮变频离心式冷水机组主要具有以下优点：

2.1   稳定可靠

（1）与传统串列布置叶轮不同，磁悬浮变频离心机采用水平对置叶轮结构，较传统串列布置结构，高速旋转径向振动更小;并且两个叶轮所受轴向力相互抵消、自主平衡，总推力仅为传统串列布置叶轮的10%，因此，磁悬浮轴承的可靠性更好。

（2）当突然停电时，“永磁电机+变频器+轴承电源板”自动切换为不间断自发电模式，永磁电机变为发电机，用转轴的残余动能给轴承供电，保持转轴悬浮直到“近零转速”，该过程大约持续十几秒，转速可降至“近零转速”=300 r/min，然后再平稳降落到备降轴承，即可保证轴承拥有更长的寿命。

（3）备降轴承采用高强度滚动轴承组和阻尼减震环，在突然断电的情况下，有效支撑转子轴从高速转动状态到停止状态，避免磁轴承、传感器与转子产生磨损导致压缩机损坏。有了自发电模式和长寿命备降轴承的双重保护，当压缩机以最高转速运转时，磁悬浮备降轴承可实现10次以上安全备降，比常规品牌安全备降次数提升67%。

（4）采用微通道冷媒散热变频器，散热效果明显优于传统风冷、水冷变频器，用于大功率变频器时，可使柜体尺寸更紧凑，功率器件短时过载能力更强。该变频器还具有噪声极小、柜内清洁度高、电气元器件寿命更长等优点，相较于传统水冷变频柜脏堵问题，使用该变频器能够减少客户运行维护工作量，更加方便易用。

（5）对电机H极绝缘，预置3组PT100温度传感器，实时监控电机温度;同时采用独特的360°环形冷却技术，确保电机定、转子均匀冷却，保证电机运行的可靠性。

（6）具备断电后的“快速启动”技术能力，可实现来电后最快5 s启动，启动后60 s恢复满载制冷，无惧电网波动，保证工艺稳定。

2.2   宽域运行

制冷量的调节范围是衡量离心式冷水机组设计的一个重要指标，常规的制冷量调节方式有很多，如机组启停调节、压缩机台数调节、吸气节流调节、压缩机变频调节以及热气旁通调节等[3]。传统离心机通常采用的是动压轴承，为了维持最小油膜厚度，转子转速不能太低，否则会降低轴承载荷承受力，从而损坏轴承。磁悬浮轴承则不存在此限制，因此，对于依靠转速进行冷量调节的离心式冷水机组而言，磁悬浮离心机的调节范围更为宽广。

2.3   低噪环保

（1）磁悬浮轴承无直接机械接触，减少了其运行过程中机械部件的传动噪声;压缩机水平对置叶轮+外部管道式回流器结构，降低了冷媒在流动过程中的气动噪声;特殊设计的压缩机箱体结构，利用固—气—固交界面对高频噪声的耗散，实现良好的隔音降噪效果，机组运行噪声低至70～75 dB（A）[4]，相比传统螺杆机降低22%。

（2）机组采用R134a环保冷媒以及全降膜蒸发技术，在保障机组高效换热的同时，减少冷媒充注量，降低对环境的影响，更加环保。

3  节能经济性分析

磁悬浮变频离心式冷水机组采用变频直驱技术，避免了传统齿轮增速离心机所带来的传动损失，相比油轴承，磁悬浮轴承功耗仅为其2%～10%，大大降低了固定机械损耗占比，对机组在小负荷运行时的能效提升尤为明显。此外，采用永磁同步电机进一步提高了磁悬浮变频离心式冷水机组的工作效率，相比传统三相异步电机，永磁同步电机功率密度高，功率因数高，同时由于永磁同步电机没有励磁损耗，因此其工作效率更高。综上所述，磁悬浮变频离心式冷水机组具有更为宽广的高效运行范围。

采用磁悬浮无油离心机，可以减少传统螺杆机产品油路系统相关维护保养内容，如润滑油更换、油滤更换、油滤系统清洗、轴承磨损检测等，降低用户维护保养费用。传统螺杆机在使用多年后，系统会含油，从而影响机组能效;磁悬浮无油离心机有效避免了系统含油导致的能效衰减，高效节能省电，特别适合工业应用。磁悬浮无油离心机在使用寿命上优势也更为显著，磁悬浮轴承无磨损，可使空调使用寿命延长至30年[5]。磁悬浮机组与螺杆机组各项性能指标对比如表1所示（以制冷量200 RT为例，按25年计算，电费按1元/kWh计）。

参照国家标准《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组》（GB/T 18430.1—2007）[6]3.2.1章节的内容，综合部分负荷性能系数（IPLV）定义为用一个单一数值表示的空气调节用冷水机组的部分负荷效率指标，基于该标准表3规定的IPLV工况下机组部分负荷的性能系数值，按机组在特定负荷下运行时间的加权因素，通过式（1）获得。

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D

式中：A为100%负荷时的性能系数COP（kW/kW）;B为75%负荷时的性能系数COP（kW/kW）;C为50%负荷时的性能系数COP（kW/kW）;D为25%负荷时的性能系数COP（kW/kW）。

由表1可知，在制冷量一定的条件下，磁悬浮机组相较于螺杆机组，其综合部分负荷性能系数（IPLV）提升约42%，建筑制冷能效也随之提高;电机功耗降低约30%;在全年运行时间均为1 440 h的前提下，设备能耗、电费均降低30%左右。

4  结语

本文以磁悬浮变频离心式冷水机组为研究对象，详细分析了其技术特点与优势。主要结论如下：

（1）磁悬浮变频离心式冷水机组采用补气增焓技术的双级压缩循环、不存在机械接触的磁悬浮轴承技术、具有更高电机效率的永磁同步电机技术、表现出更高的换热性能的全降膜蒸发技术，使其具有稳定可靠、宽域运行、低噪环保、高效经济的优点。

（2）对磁悬浮机组与螺杆机组的节能经济性进行分析对比，得出：磁悬浮机组综合部分负荷性能系数（IPLV）为8.82，螺杆机组IPLV为6.21，磁悬浮机组IPLV相较于螺桿机组提升约42%;磁悬浮机组电机功耗为79.73 kW，螺杆机组电机功耗为113.24 kW，电机功耗降低约30%;使用磁悬浮机组每年电费为11.48万元，使用螺杆机组每年电费为16.31万元，电费降低30%左右，因此采用磁悬浮机组比螺杆机组节省运行费用约30%。

[参考文献]

[1] 冷水机组能效限定值及能效等级：GB 19577—2015[S].

[2] 2019年上半年中国中央空调市场总结报告[J].机电信息， 2019（22）：34-67.

[3] 何浩，夏雨亮.热气旁通对磁悬浮离心式冷水机组卸载能力的影响[J].制冷与空调，2020，20（9）：29-34.

[4] 姜凯迪，崔红社，高屾，等.磁悬浮冷水机组在公建项目中的应用分析[J].建筑热能通风空调，2020，39（9）：58-61.

[5]  潘顺平.磁悬浮技术在暖通空调中的应用[J].机电信息，2020（30）：77-78.

[6] 蒸气压缩循环冷水（热泵）机组：GB/T 18430.1—2007[S].

收稿日期：2021-03-12

作者简介：张运乾（1979—），男，山东曹县人，高级工程师，研究方向：暖通制冷。