磁悬浮变频离心技术的中国发展之路
磁悬浮变频离心技术的中国发展之路
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本文由苏州必信空调总经理査晓冬与turbocor磁悬浮核心技术发明人之一林怀宇共同撰写，主要介绍磁悬浮变频离心技术诞生以及在中国的发展情况。全文有删节，如需查看完整内容请点击左下方“阅读原文”按钮！
>>>>关键词 磁悬浮冷水机组 无油 变频 解决方案
0 引言
1986年，本文作者之一的林先生加入了澳大利亚冷水机组公司模块国际（Multistack International）做设计工程师，该公司专注于体积小、具有独立运行功能、且模块拼凑而成的冷水机组的设计、制造与销售。模块机组是公司创始人Ron Conry先生针对大楼空调更新改造而发明的产品，它的制冷模块运行数量可根据回水温度调节并与大楼热负荷相匹配，而每个结构紧凑的模块单元可通过电梯运送到任意楼层，然后在机房连接水回路后，几小时内即可更新原有冷水机组为大楼提供冷水。经过短短3年，从林先生加入时公司员工只有 5 人增加到30人，更新工程包括当时美国纽约的帝国大厦13楼的130kW 模块共107个在内的总计1000多项。模块机的另一个特点就是，单模块智能容量在有价格竞争力的前提下要尽量小，这样才能减少在压缩机启停时单压缩机最低制冷容量（如离心机喘振前制冷量）对冷水机组冷水温度控制精度的影响。显而易见，这个要求带来了挑战，在每个模块的冷量体积受到限制的前提下，如何提高单模块的效率。单模块效率最大的贡献者是压缩机，在压缩机家族中制冷机组工况效率最高的是离心式。但离心机最高效率时的转速随排气量的减小而增高。R134a冷媒 55rt两级压缩的离心机最高效率转速在3.5万转/min，最后挑战归结到可高速高效运转的轴承和电机。
1988 年，林先生向Ron Conry先生提出了无油轴承永磁变频同步电机直驱离心机方案。经过尝试静压气垫和动压箔带轴承等其他无油轴承，磁悬浮轴承以优越的支撑压强（N/m2）、气隙和能效被选取。1994年，第一台磁悬浮永磁变频同步电机驱动离心式压缩机在墨尔本诞生了。
有了高效磁悬浮压缩机，如何推广应用成了下一个挑战。在推荐磁悬浮压缩机无油机组设计时，主动振动补偿低噪声运行和小体积结构、关注速度型压缩机等特点，在应用中除了像容积压式压缩机一样根据负荷调节流量，更重要的是利用压力比在非满载时降低来控制压缩机减速可获得比容积式压缩机更优胜的能效，这是一个尤为重要的推介方法。
1磁悬浮压缩机的核心节能原理
自1994年由中国人作为核心成员的研发团队开发出首台磁悬浮压缩机在澳大利亚TURBOCOR公司诞生以来，2003年全球首台磁悬浮无油变频离心冷水机组在美国麦克维尔诞生，2006年进入中国，至此已走过了近20个年头。磁悬浮压缩机由于无油润滑、运转摩擦损耗小、比传统制冷压缩机有着诸多优势。但其节能的关键并不仅仅如此，其小型化、高速运转变频调节是应用该压缩机的节能关键。
对离心式压缩机而言，压缩机耗功＝流量×压头/效率。流量与转速成正比，而压头与流量的二次方成正比，离心压缩机的功耗与转速的三次方成正比。改变压缩机转速可以极大地降低压缩机功耗，从而提高效率。磁悬浮变频离心机由于采用磁悬浮轴承，无需润滑油，免除了回油的诸多顾虑，可实现更宽广的变频工作范围。
图1为磁悬浮变频离心机的工作区间，以额定工况点的状态为“1”，横轴为相对于额定点的制冷剂流量，纵轴为相对于额定工况点的压力比，IGV为导叶开度。由图1可清楚看出，磁悬浮变频压缩机在绝大部分工作区间内都可以保证导叶全开，完全靠调整压缩机的转速来改变制冷剂流量，从而适应热负荷的变化。如前所述，压缩机功耗与转速的三次方成正比，转速降低带来了耗功的迅速下降，因此磁悬浮变频压缩机在部分负荷下有着极为显著的节能效果。
图 1 磁悬浮离心压缩机高效工作区间
2 制冷系统设计优化节能
对于典型的水冷冷水机组来说，通常是一个压缩机在一个制冷循环系统中，充分提高蒸发器和冷凝器的换热效率。但对于一个高效的磁悬浮变频离心冷水机组来说，它可以采用更能发挥压缩机部分负荷优势的单冷媒系统多压缩机头的设计，具体见图 2，3。这种设计的主要特点是多台压缩机共用同一个蒸发器壳侧空间，制冷剂可以流入任何一台或多台压缩机。这也是国际上采用小型变频离心压缩机最普遍的做法。
图 2 单冷媒系统多压缩机头机组结构
图 3 单冷媒系统多压缩机头循环示意图
磁悬浮变频压缩机是一个全数字控制的压缩机，对于很多传统冷机制造商来讲，如何合理控制好压缩机对于机组性能的发挥以及压缩机的运行安全可靠极其关键。多个变频离心压缩机在同一制冷系统中，优化协调工作需要非常高效可靠的控制系统来把控。在这种制冷系统设计时，其主要优势在于能够充分发挥换热器的换热面积，以及机组在非满载工况下让压缩机能在部分负荷下运转从而提高效率。部分负荷的出现可以是楼宇负载的部分负荷，可以是冷水机组的部分负荷，也可以是压缩机的部分负荷。当机组在非满载情况下，压缩机的部分负荷节能优势来自于2 个方面：第一是压缩机流量的减少而降低转速；第二是由于蒸发温度的提高和冷凝温度的降低带来的压力比下降从而降低转速。
以办公建筑为例，当环境温度发生变化时，建筑热负荷也相应变化。若冷水出水温度设定值不变，热负荷降低，使得相应的冷水回水温度降低，对应的冷机蒸发温度上升。同时负荷小，冷却水进回水温度也会降低，冷凝温度相应降低。综合蒸发温度和冷凝温度变化，不难发现，部分负荷时冷机的工作压力比减小。对于传统容积式压缩机来说，受结构限制，调节压力比能力有限，很容易出现欠压缩或过压缩，导致效率下降。传统离心机采用进口导叶调节，也只能在一定范围内适应这种压力比变化。只有采用变频技术的离心机才可以通过调节转速以适应压力比的变化，通过降低转速，降低压缩机耗功。而在实际工作中，普通变频离心机由于回油等技术限制，只能在一定范围内进行变频，因此获得的节能效果有限。只有采用多台压缩机的多机头磁悬浮变频冷水机组才能根据实际负荷和压力比调节转速，从而获得最大的节能效果。
图 4 建筑负荷、冷冻水、冷却水的变化关系
3 水系统应用优化节能
3.1一次泵变流量（变冷量）系统
采用磁悬浮离心冷水机组的项目主要推荐采用一次泵变流量系统（见图 8）。磁悬浮离心冷水机组无润滑油的特性，使冷水机组变流量范围变得非常宽，满足一次泵变流量系统的要求。这样，不仅在初投资时减少了二次泵的投资费用，在运行时也能充分享受变频水泵在输配中带来的节能效益，使得整个冷冻站的初投资费用和运行费用都有明显下降。
3.2 等容量机组配置应用
在磁悬浮冷水机组的实际应用中，也有很多项目采用磁悬浮冷水机组和传统冷水机组相结合的设计（见图 9）。大部分设计都会采用等容量的传统离心冷水机组再加上等容量或略小容量的磁悬浮离心冷水机组。这样，在高负荷情况下，可开启传统离心冷水机组，满载运行，发挥大离心机的高满载效率；而在过渡季节和部分负荷时，开启磁悬浮离心冷水机组，充分发挥磁悬浮机组的部分负荷优势和较宽的调节范围优势，双管齐下，使得整个制冷季的运行费用大大降低。同时，在一次投资时，业主也无需额外投入太多的资金，对于投资控制也有着积极的意义。
3.3 调峰负荷和调谷负荷
传统的冷水系统设计，主机容量的选择通常会以夏季最不利工况为基准，并增加一定的余量。而从图 10 的统计结果可以看出，典型的大楼在一年中 100% 负荷的运行时间仅占年运行时间的 2.3%。在绝大部分时间里，冷水机组都在部分负荷条件下运行。因此，需要调节性能较好的主机，才可以更好地与实际负荷需求相匹配。在过渡季节，磁悬浮冷水机组可以通过变频配合调节负荷低谷，同时在低冷却水时充分发挥磁悬浮宽广的变频性能；而在夏季高温时，当磁悬浮冷机无法满足总冷量的情况下，传统定频冷机开启以承担峰值负荷，同时在高温季节低负荷时多机头磁悬浮变频离心机也有着更高效、更灵活的调节性。
3.4 温度湿度独立控制和高温出水
温度湿度独立控制空调系统是目前空调节能的一个重要方式。通常的温度湿度独立控制空调系统，对新风进行独立处理，用于控制室内湿度；同时采用高温冷水机组，提供 16 ～ 18 ℃的冷水，用于控制室内温度。磁悬浮冷水机组在高温供水方面，有着非常大的优势。由于磁悬浮机组在小压力比的情况下工作，机组效率会有非常大的提升，因此非常适合作为高温供水的主机。不仅运行局限性较小，而且有着超高的满载效率和部分负荷效率，能做到真正意义上的节能。
3.5 超高层应用
超小体积的磁悬浮压缩机，为冷水机组“瘦身”带来了可能。必信公司通过不断的摸索和创新，研发出了尺寸小、质量轻的模块机组。模块磁悬浮冷水机组单机冷量100 ～ 200 rt，占地约为 1 m2，质量约为 1 t，可通过普通电梯垂直运输。模块机组以其小而轻、低振动、低噪声等特点，使超高层建筑中分区设置冷冻机房的设想成为可能，为超高层降低空调系统能耗提供了全新的设计思路。
3.6 集中和分散应用
在大体量的建筑中，如超高层建筑、大型商业中心等，是采用集中的大型冷冻站，还是采用分散的小型冷冻站，一直是业界讨论的热点。传统的观点认为，由于大型冷冻站可采用容量较大的离心机，因此机组的效率会比较高，主机能耗会降低；但由于输配线路较长，输配能耗会增加。而采用分散的小型冷冻站，虽然可以大大降低输配能耗，但传统的小型冷水机组通常来说效率都不高。磁悬浮冷水机组解决了这个矛盾，使小型化的冷冻站也能做到高效化。采用磁悬浮冷水机组的分散化小型冷冻站，不仅能够受益于冷冻站的高效化，同时也能大大降低输配能耗，一举两得，从根本上解决了大体量建筑的高能耗问题。
4. 系统集控系统
为何制冷机厂商需要研发一款冷水控制系统 ? 制冷机效率是目前 HVAC 行业最热门的话题之一。但制冷机仅是整个系统用能的一部分，低效率的冷却系统、水泵和管道阀门会大大降低集成冷冻站系统的效率。MagFlexS™ 磁悬浮制冷机控制器几年前开始使用，这个实时磁悬浮制冷机监控系统让必信的工程师了解到大楼制冷系统的效率非常差。在冷却塔不受控的情况下，水泵常常运行在不必要的高速状态下，这样即使是当今世界效率最高的磁悬浮制冷机也无法体现高效节能。EnergyLoop® 是必信磁悬浮制冷机控制器的设计延伸，EnergyLoop® 控制器平台综合考虑了制冷系统各个部件的运行情况，整体优化让整个系统运行在其高效区内。通过监控楼宇的需求负荷，EnergyLoop® 监控冷水和冷却水系统并实时优化到最节能的状态，就像左手知道右手的动作而主动协调一样。在 HVAC 工业中有个误解，认为只要运用了调速系统就会节电，其实根本不是这样。一个拥有顶级乐手的乐团仍然需要一个指挥才能奏出经典的乐章。EnergyLoop® 就是统管耗能全局的大师，深深理解制冷系统中各个部件的作用和优化的基本原理。简单的说，MagFlexS™/EnergyLoop®指挥着全变频磁悬浮冷冻站的运行。
5 结语
机械压缩制冷的设备发展有100多年了，在机械方面的效率提升空间已越来越小，磁悬浮变频空调的研制方向就是突破仅从机械效率提升去增加效率；另外产品的开发也是基于冷水机组如何真正给用户带来系统节能的角度去开发的。基于以上两点，磁悬浮空调在中国市场的发展之路必须从创新的制冷机系统设计、水系统的应用、客户的生命周期节能价值体现去逐步发展。中国人在海外奋斗近 30 年开创的磁悬浮空调技术现在回归中国，我们需要理性认识其技术发展背景，并且结合中国的空调系统设计和使用习惯，才能更好地让磁悬浮空调技术在中国顺利发展！
