磁悬浮离心式冷水机组的发展及应用

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来源：《价值工程》2015年第28期

        摘要：介绍了磁悬浮轴承应用于离心式冷水机组，诞生了一种新型的磁悬浮离心式冷水机组，并与传统离心式冷水机组对比，显示了磁悬浮离心式冷水机组无油路故障、噪声低、部分负荷时有超高的性能系数、节能环保等特点。最后通过工程实例进行了运行费用分析，更进一步说明磁悬浮离心式冷水机组有很好的节能效果。

        Abstract： Application of magnetic levitating bearing in centrifugal water chillers is introduced， a new type of centrifugal magnetic suspension water chiller is given out. Compared with the traditional centrifugal chiller， the characteristics of centrifugal magnetic suspension water chiller， such as no oil circuit fault， low noise， ultra high performance coefficient in partial load， energy conservation and environmental protection are showed. At last， through analyzing the operation cost of engineering examples， the good energy conservation effect of centrifugal magnetic suspension water chiller is further introduced.

        关键词：磁悬浮离心式冷水机组；节能；部分负荷性能系数

        Key words： centrifugal magnetic suspension water chiller；energy conservation；partial load performance coefficient

        中图分类号：TU831.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）28-0139-02

        0 引言

        长期以来，空调的“高能耗、二次污染”等问题给建筑能耗带来的负担，以及产品运行过程中产生的油污、温室效应等问题对自然环境的二次污染，空调的耗电量大和对环境的污染已经是尽人皆知。以一座每天总耗电量高达数千度的商务大楼为例，其中有接近40%到50%的电量是被空调系统消耗掉的。而在我国430亿平方米的建筑面积中，使用空调的公共建筑就占到一半以上。如何降低空调能耗一直是一个研究热点。降低空调能耗可以从多方面来执行，而降低设备本身能耗或者说提高设备的能效比是最基础的一步。本文将探讨的是一种新型的冷水机组——磁悬浮离心式冷水机组。

        1 磁悬浮轴承

        磁悬浮离心式冷水机组中一个关键的部件是磁悬浮轴承。

        1.1 磁悬浮技术的发展历史 磁悬浮是利用磁力使物体处于无接触悬浮状态，磁悬浮技术的研究首先始于磁悬浮列车，伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展，上世纪60年代中期磁悬浮技术跃上了一个新台阶，向应用方向转化，开始研究磁悬浮轴承。磁悬浮轴承属于高科技产品，价格昂贵，过去用于航天工程，随着现代工业的飞速发展，90年代以后开始研究应用于制冷压缩机，2003年1月，麦克维尔空调公司在美国正式向全球发布了世界上第一台采用磁悬浮离心式压缩机150t水冷式冷水机组WFC，并顺利通过美国制冷空调与供暖协会认证。我国在磁悬浮轴承及磁悬浮空调领域的研究工作相对落后一些，但对磁悬浮轴承技术的相关研究一直在许多高校和企业开展，并在理论分析方面取得了许多研究成果，产品应用则起步不久。

        1.2 磁悬浮轴承应用于制冷领域 在传统的蒸汽压缩式制冷冷水机组是由最基本的四大部件压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器，再加上一些用于改善制冷循环运行条件和性能的辅助设备所构成的。在这些设备中压缩机是输入机械功让低温低压的气态制冷剂提升压力，以完成制冷剂在高温下放热的过程，进而实现制冷循环的周而复始。所以说压缩机是核心设备，相当于整个系统的“心脏”，而压缩机的运行效率也直接影响整个机组的性能。在空调应用场合，传统的主要有三大类型的制冷压缩机：活塞式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机。离心式压缩机属于速度型压缩机，它是用高速旋转的叶轮让制冷剂获得动能，再使制冷剂在流通面积逐渐增大的蜗壳管中流出，把大部分动能变为压力能。在传统的离心式压缩机中，机械轴承是必需的部件，并且需要有润滑油及润滑油循环系统来保证机械轴承的工作。磁悬浮轴承是利用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。与传统的轴承相比，磁悬浮轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速场合。

        西方国家磁悬浮压缩机技术有10多年历史，相对比较成熟，但磁悬浮冷水机组本身形式多元化且国际学术界和主要生产公司对这一技术一直比较谨慎，所以磁悬浮冷水机组仍处于推广和发展阶段。在我国，海尔是第一家将将磁悬浮技术成功应用到空调的企业，这几年海尔陆续研发推出了水冷磁悬浮机组、风冷磁悬浮机组和水源热泵磁悬浮。其磁悬浮空调也成功地在多个建筑工程项目应用并通过了一定的运行考验。

        2 磁悬浮冷水机组与传统离心式冷水机组相比的特点

        传统的离心式冷水机组特点是效率高、容量大、结构简单、自动程度高以及操作方便，但一般只适用于大型制冷场合，小负载、小制冷剂流量情况下易出现喘振现象。

        磁悬浮变频离心式冷水机组是集磁悬浮无油运转技术、变频驱动技术、高效的满液式蒸发器、智能数字控制技术于一体，从根本上提高离心式机组的运行效率和性能稳定性。采用二级压缩可以使理论制冷系数比一级压缩提升约10%，通过变频技术使机组在低负荷（一般最低部分负荷10%，多机头机组最低部分负荷可达5%）时低速运转，避免喘振的发生，同时保持高效运行。磁悬浮轴承系统在机组上的应用使机组没有机械摩擦损失，没有润滑油循环和相应的油过滤器、油冷却器等油路设备，降低了故障率。无油运行还使制冷剂比较纯净，机组的性能系数有所提高。机组采用的制冷剂是R134a，它的许多特性和R12很接近，最大的优点在于对臭氧层没有破坏，属于新型无公害制冷剂，是目前应用最广泛的一种替代型制冷剂。

        磁悬浮变频离心式冷水机组的节能性主要体现在部分负荷时的高能效比，常用综合部分负荷性能系数IPLV来衡量。IPLV是按机组在特定负荷下运行时间的加权因素用下式计算而来：IPLV=0.023A+0.415B+0.461C+0.101D（其中A——100%负荷工况点时的COP；B——75%负荷工况点时的COP；C——50%负荷工况点时的COP；D——25%负荷工况点时的COP；）根据厂商提供的数据磁悬浮变频离心式冷水机组的IPLV可达11.98，而在文献[1]中实测IPLV为8.35，鉴于实测时空调湿球温度偏高，对IPLV的最终结果有所影响；在文献[2]中实测IPLV为9.79（测试条件与GB18430.1-2007中的部分负荷工况基本接近）。虽然实测值没有厂商提供的值高，但相对于传统离心机组和螺杆机组来说已经很不错了。

        根据磁悬浮变频离心式冷水机组低噪声、部分负荷时卓越的能效比的特点，特别适合于医院、大酒店、高档办公楼、绿色节能环保建筑等的空调系统。它能充分发挥部分负荷高效节能的作用，很大程度上节省了整个空调工程的运行费用。另外由于磁悬浮变频离心式冷水机组在出水温度3-18℃都有很高的COP，所以也可以应用于低温送风系统、新风系统等空调场合。

        3 运行经济性分析

        3.1 机组选型

        根据ARI（美国制冷学会）发布的空调负荷全年分布统计可知空调系统冷源的设计值，是在最不利条件时的保证负荷量，而工程项目在实际使用时由于气温、人流量、使用率等因素，绝大部分时间是运行在70%负荷以下的，达到100%负荷的运行小时数极短（表1所示）。又考虑到单纯使用磁悬浮冷水机组初投资较高，因此，在设计方案上采取磁悬浮离心机和普通离心机组合的方式可大幅度节约投资，在运行上采取磁悬浮离心机优先的原则可以最大限度地发挥磁悬浮离心机的节能特性，缩短投资回收期。

        3.2 方案经济性对比分析

        3.2.1 经济分析说明

        ①由于本次方案优化只更换了主机，因此，只对主机的运行费用进行比较。②计算制冷时间按150天计算（6月-10月共5个月，每月按30天计），每天运行时间24小时。③电价：按工业用电1.0元/度。

        3.2.2 夏季冷量分布

        夏季冷量分布如表4所示。

        3.2.3 磁悬浮机组运行能耗

        磁悬浮机组运行能耗如表5所示。

        根据表5磁悬浮离心机夏季运行总费用：379152元，普通离心机夏季运行总费用：677057元，每年节约运行费用297905元，按初投资增加68万元计算，静态投资回收期680000/297905=2.283年。

        4 结论

        磁悬浮离心式冷水机组具有很突出的高效节能的优点。目前磁悬浮技术还属于一种新型技术，国内掌握及生产的厂家较少，机组的价格相对较贵。随着今后的发展、成本的降低，磁悬浮冷水机组有着广阔的应用前景。

        参考文献：

        [1]殷平.磁悬浮冷水机组和国家标准[J].暖通空调，2013，43（9）：53-61.

        [2]沈珂，刘红绍，等.高效磁悬浮变频离心式冷水机组的研制[J].制冷与空调，2014，14（6）：108-111.

        [3]屈玲蕾.磁悬浮变频驱动离心式冷水机组经济性分析[J].铜陵学院学报，2011，3：103-104.

        [4]王嘉，张晓亮，王旭辉，等.微型离心式冷水机组性能分析[J].暖通空调，2009，39（5）：44-49.

        [5]殷平.磁悬浮离心式冷水机组和新风系统（1）：现状[J]. 暖通空调，2013，43（12）：91-100.