摘要：本文从暖通系统设计的角度，对磁悬浮离心式冷水机组的技术发展背景进行阐述，分析设备高效性的机理，对磁悬浮离心式冷水机组在中央空调系统中应用的节能性进行分析探讨，以促进新技术的推广。
关键词：磁悬浮离心式冷水机组；节能潜力；技术经济性
在国内应用市场中，由于业内建设方、设计师对技术的理解不够，厂家以点代面的对机组的COP、IPLV参数的过分宣传，政策、规范引导的谨慎，加上成功项目的经验反馈较少，设备造价高，该技术的推广应用难度很大。应该知道，冷水机组设备应与中央空调系统有效结合，实现整个系统的高效节能，才能证明新技术设备的节能性和推广意义。
一、技术理解
（一）技术理解
高速电机的发展给直驱传动和离心机小型化带来了可能，高速电机难点之一是需解决轴承摩擦问题，使用磁悬浮轴承的永磁同步电机是高速电机发展方向，但目前高速电机的研发还处于发展阶段，适合应用在离心机组的大功率高速电机技术还不成熟，目前应用在磁悬浮压缩机中且技术成熟的磁悬浮永磁电机的功率一般在100kW左右，转速达到48000r/min，可直接驱动两级式压缩机。
离心式压缩机的结构、性能都类似于离心式水泵，满足相似理论，离心式压缩机转速变化时，相似点的运行效率不变，与通常的进口导叶节流调节方式相比，离心式压缩机变频调速的节能空间更大（这里可参考中央空调系统水泵调节方式，进口导叶调节类似于调小管网干管阀门，通过增大管网阻抗把水泵的流量和输入功率降低，但此方式增加了系统阻力损失，牺牲了水泵效率）。但离心式压缩机压头与转速二次方成正比，能量头与转速三次方成正比，再考虑喘振、堵塞的影响，离心式压缩机对转速的控制精度要求很高，传统离心式机组受制于齿轮传动，变速精度控制难度大，可靠性低，而同步电机直驱的磁悬浮压缩机大大改善了转速控制精度。
（二）设备高效的原因
磁悬浮轴承是磁悬浮离心式冷水机组的核心，实际不仅如此，机组使用永磁高速电机直接驱动，一般还集成了变频调速技术，使压缩机在部分负荷下实现变速运行，保证压缩机始终处于高效压缩状态。磁悬浮轴承无任何接触摩擦，无润滑油，一是减少电机和水泵的机械损失，二是蒸发器冷凝器中无油膜热阻，提高了换热器换热效率，提高蒸发器和冷凝器的热力完善度。
目前单台磁悬浮压缩机的制冷量不大，一般采用多机头提高单机制冷量，系统采用单回路设计，在低负荷时使用全部换热面积，进一步提高机组运行效率，这与多机头的螺杆冷水机组各个压缩机设独立回路不同，多机头螺杆式冷水机组部分负荷曲线多个波峰波谷，而磁悬浮冷水机组部分负荷曲线趋于水平。
二、机组容量选择与水泵的匹配
市场上磁悬浮离心式冷水机组容量一般在500~2000kW范围内，参考克莱门特的样本，500~2000kW内有4个机头四种型号，该容量范围内市场主流是单机头或多机头螺杆式冷水机组，其中1000~2000kW范围内有普通单机头单级离心式冷水机组和三级压缩机组。GB-20189-2015《公共建筑节能设计标准》要求COP为5.2~5.9，IPLV为5.75~6.3，而磁悬浮冷水机组COP满足规范的要求，而IPLV达到8~13，远远超过规范要求。
主机变流量系统中，建议冷冻水变流量而冷却水不变流量，因为冷却水变流量水泵降低的能耗被冷却水温升的影响抵消了，磁悬浮变频离心式机组对冷却水温敏感性更高，在较低的冷却水温度工况下部分负荷能效比提高幅度较大，笔者不建议冷却水变流量，因此本节的分析中冷冻水泵变频而冷却水泵不变频。
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磁悬浮机组在满负荷COP最低，10%~50%宽范围内最高且趋向一致，这与常见的冷水机组部分负荷条件下COP曲线为单峰型和多峰型且60~80%负荷率下机组COP出现峰值有很大区别。对一般冷水机组，在机组有多种运行方式时，通常选择的运行策略是：第一，冷冻水泵不变频，按机组接近满负荷运行，降低水泵的输送能效比ER值，提高系统COP。第二，若水泵变频，主机选择变流量机型，主机按照最高效率点运行，水泵变频调流量需考虑主机蒸发器对相对流量的安全要求和节能要求，主机安全运行的最低相对流量为30%，主机的COP保证不变的负荷率范围是50%~100%，若冷水机组为蒸发器换热面积大的高效型机组，范围将缩小，从节能性考虑，磁悬浮冷水机组在10%~50%负荷内，冷冻水泵的流量不宜进一步降低，冷却泵输送能效比随着负荷率降低而增大，因此建议在除了总负荷低到单台机组的50%以下外，尽可能通过机组数量调节使单台机组在50%~100%负荷率范围内运行。
三、应用场合和空调负荷特性匹配
磁悬浮机组的效率在宽范围内10%~50%效率最高，若只利用 50%~100%负荷率范围，磁悬浮冷水机组比传统机组的优势发挥受到了很大限制，由于磁悬浮价格较高，技术经济性和投资回收期会受到较大的影响。磁悬浮冷水机组在低负荷率下高性能使其首先在日负荷波动较大、低负荷运行时间长的项目中得到应用认可，比如酒店、展馆、医院、此外采用集中式中央空调的高档小区也符合这个特点，可考虑推广运用。
四、节能潜力分析
通常空调系统大部分时间总负荷率在25%~80%，单台机组承担负荷可控制在50%~80%范围内，此范围内若采用水泵变流量措施，空调供回水温差不变，扬程降低（采用保守的供回水总管压差控制，冷冻水泵输送能效比ER=0.002342H/（△T•η）是降低的，利于整个空调系统节能。
为使计算更具代表性，案例中冷水泵的输送能效比直接参考 GB-20189-2005/2015《公共建筑节能设计标准》，水泵扬程36m条件下的限值0.0241，而冷却塔水泵扬程25m，冷却流量是冷冻泵的（COP+1）/COP=1.18倍，对比计算可知冷却水输送能效比0.02。冷却塔风机输送能效比文献中的案例数据。计算出系统季节平均COP：空调水泵不变频时，系统季节平均COP达到4.70，空调侧变频情况下COP可达到5.28。
五、商业模式创新
磁悬浮冷水机组部分负荷条件下高能效比的特性，使主机运行策略有了更多的选择，单凭简单总结的手动调节策略很难发挥其优势，案例磁悬浮式冷水机组项目采用集成冷源系统商业模式，把水泵、冷却塔风机、冷却塔水泵、冷冻水泵和机组性能统一控制，通过工厂整体预制和调试来提供最佳的整体性能和质量，再分拆到现场安装。项目实际运行检测数据显示，制冷季平均系统COP达到5.14，与上文计算潜力基本一致。
结语
对设备技术理解以及提高设备在中央空调系统中整体性能是磁悬浮冷水机组推广应用的技术保障，充分利用磁悬浮冷水机组部分负荷下高能效比，提高技术经济性，选择在负荷波动较大的场所内推广磁悬浮冷水机组应用是较为合理的。
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论文作者:邓小明
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/4
标签：水泵论文; 负荷论文; 机组论文; 冷水机组论文; 压缩机论文; 节能论文; 流量论文; 《基层建设》2017年第36期论文;