摘要：本文介绍了高效变频直驱离心式冷水机组的技术特点，介绍了小冷量变频直驱离心冷水机组在广州白云机场T2航站楼的应用情况。通过一个完整的空调季运行，对小冷量变频直驱离心冷水机组运行的数据进行了分析，机组的性能系数满足国家规范及设计要求。通过小冷量变频直驱离心冷水机组的应用，提升了空调系统的运行效率、降低了空调系统的运行能耗，同时也满足了机房环境的噪声要求。
关键词：小冷量离心机组；变频直驱；空调节能
引言
随着我国经济的不断发展，能源的消耗日益增大，节能减排具有深刻的现实意义。据相关统计，建筑能耗约占我国总能耗的30%，其中中央空调系统的能耗约占建筑能耗的50%[1]，离心冷水机组作为主要的空调设备，其能效的高低在一定程度上直接决定了整个系统是否节能。
此外，由于环境参数的不断变化，冷水机组大部分时间均运行在部分负荷工况[2]，尤其是随着近年来建筑节能工作的不断深入及环保意识的提高，部分负荷高效节能越来越受重视。2017年中国新能效标准的实施更是将IPLV作为冷水机组能效评定的主要参数[3]。对于离心压缩机这类速度型的旋转机械而言，变频调速是提高部分负荷效率的最为有效及重要的手段[4]。
对于常规离心机组，在小冷量段（≤600RT）机组COP很难达到国家一级能效；同时，对于离心式压缩机这类旋转机械，存在最佳比转速区间[5]。由转速比定义式 可知，在相同的能量压头h条件下，制冷量越小即体积流量Qv越小，欲使ns处于恒定的最优区间，则需要提高离心压缩机叶轮转速n；对于小冷量范围的常规齿轮增速离心机而言，提高压缩机转速势必会带来更大的机械噪声和振动，严重影响客户体验；此外，提高转速对叶轮的制造工艺要求更高，因而通常的处理办法则是牺牲能效，这也是为什么目前大多数离心冷水机组在小冷量段能效不高的根本原因。此外，对于暖通空调系统来说，冷水机组运行的节能性、稳定性、负荷调节及时性以及噪音程度直接决定了建筑物的舒适性和项目经济效益。
在过去，一方面受限于技术水平的限制，以及缺乏足够的节能环保意识同时基于初投资规模的考虑，在制冷量需求较小的工程项目中通常优先选用能效并不占优势的螺杆冷水机组进行供冷。在节能减排的大背景下，目前，采用高效变频直驱离心式冷水机组成为小冷量段应用中较好的解决
方案。本文将对小冷量变频直驱离心冷水机组在广州白云机场中央空调系统中的应用展开相关探讨。
1 小冷量变频直驱离心冷水机组在本项目的应用
广州白云国际机场T2航站楼共设置东、西2个制冷机房，其中包括4个空调系统：K1、K2、K3和K4系统，分别对应负责主楼东区域、主楼西区域、东指廊区域和西、北指廊区域的空调负荷。其中4个系统各采用了一台450RT的小冷量变频直驱离心冷水机组，在夜间负责给航站楼内需要24小时运行的机房进行供冷。
2 变频直驱离心冷水机组技术特点
2.1水平对置压缩技术
在传统的双级离心式压缩机，一、二级叶轮常常采用同侧布置，第一级叶轮出口气体通过叶片式回流器进行消旋过后，引入第二级叶轮入口；此外，为达到设计转速，通常需要使用齿轮对进行增速，从而带动叶轮旋转，实现对冷媒的压缩。由于叶轮采用同侧布置，压缩气体对叶轮的轴向反作用力较大，需要使用推力轴承进行平衡[6]。
当第一、二级叶轮采用水平对置结构时（如图2所示），一、二级叶轮轴向力会相互抵消一部分，相比同侧布置而言轴向力大幅降低，从而提高压缩机轴承的运行寿命，进而提高了系统运行可靠性。由于采用电机直接驱动叶轮对制冷气体做功，而不需齿轮传动结构，相比传统双级离心压缩机而言，整体上减少了一对齿轮，一个转轴及两个轴承，运动部件的减少，不仅提高了系统的传动效率，同时也进一步提高了系统的可靠性及易维护性。
同时，由于无高速齿轮啮合传动，减少了机组运行噪音源，有效降低了机组运行时的机械振动噪音，对于一些对噪音要求较高的项目，变频直驱离心式机组与常规离心式机组及螺杆机组相比优势明显。
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图1 齿轮增速传动及水平对置直驱结构对比
2.2 制冷剂精准控制技术
制冷系统的高效运行，不仅需要离心压缩机的高效运行，同时还需要整个循环系统对冷媒有着精确的控制，从而减少能量的浪费[7]。
在变频直驱机组中，不仅有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、准确响应用户负荷需求。同时为了保证机组高效运行，机组还辅助了二级补气调节，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，提高部分负荷能效3~5%[8]。
2.3 双重隔音降噪技术
离心压缩机作为速度型压缩机，其噪音源主要来源于旋转部件的机械噪音及高速气流脉动，如前所述，本次应用的变频直驱离心压缩机取消了增速齿轮对，有效降低了机械噪音，此时主要噪音源则主要来自于气流高速流动带来的气流噪音。其发生位置主要发生在叶轮、扩压器等位置。为了进一步降低压缩机的运行噪音，降低环境声污染，双层膈声腔结构对来自叶轮出口高速气流噪音进行有效控制，从而提高运行舒适性。
3 小冷量变频直驱离心冷水机组的运行分析
在冷水机组运行的过程中，对空调系统的相应参数进行了运行数据采集，如表1所示，分析如下：
（1）根据运行数据分析，该小冷量变频直驱离心冷水机组的部分负荷综合性能系数NPLV为8.51，与螺杆机组及常规的离心冷水机组相比，能效更高，节能效果显著。
（2）根据GB/T18430.1-2007的规定测得机组的噪声为80.2dB（A），比螺杆机噪音降低约5dB（A），提高了运行舒适性。
（3）机组在运行过程中，振动为9µm，满足国家规范及设计要求，运行稳定可靠。
表1 机组运行参数
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4 结论
本文介绍了小冷量变频直驱离心冷水机组采用水平对置压缩技术、制冷剂精准控制技术、双重隔音降噪技术等的技术特点。对其运行数据进行了分析，机组的部分负荷综合性能系数NPLV为8.51、噪声为80.2dB（A）、振动为9µm，在小冷量段同常规离心冷水机组及螺杆机组相比，具有综合能效高、节能效果好，运行稳定可靠，振动小及噪音低等优点。
变频直驱离心冷水机组为解决目前市场小冷量段运行能效低、维修率及噪音高等问题，提供了较好的应用方案。对于冷量需求较小的项目，具有较好的应用前景。
参考文献：
[1] 薛金水, 莫晏光. 浅述我国变频空调技术的现状和发展趋势[J]. 科技信息:科学•教研, 2008(4):230-231.
[2] Yu F W, Chan K T. Optimum load sharing strategy for multiple-chiller systems serving air-conditioned buildings[J]. Building and Environment, 2007, 42(4): 1581-1593.
[3] 2015 中华人民共和国国家标准《冷水机组能效限定值及能源效率等级》[S].
[4] 离心冷水机组加装变频节能装置的节能探讨
[5] Japikse, D. and Baines, N. C., Introduction to Turbomachinery, Concepts ETI, Inc. and Oxford University Press, 1994.
[6] 徐忠. 离心式压缩机原理[M]. 机械工业出版社, 1990.
[7] 李日华, 张天翼, 杨侨明. 中间补气对螺杆冷水机组性能影响[J]. 日用电器, 2015 (8): 71-73 87.
[8] 吴业正. 制冷与低温技术原理[M]. 高等教育出版社, 2004.
论文作者:陈金建
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/13
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