磁悬浮制冷技术及其工程应用分析

磁悬浮制冷技术及其工程应用分析
发布时间：2022-04-29T05:26:51.610Z 来源：《建筑实践》2022年第41卷1月1期作者：张建忠石露露单宜虎宋海兵、姚广峰[导读] 磁悬浮变频离心压缩制冷技术是空调制冷行业的重大创新技术，磁悬浮变频
张建忠石露露单宜虎宋海兵、姚广峰
南京奥体建设开发有限责任公司）
南京市建筑设计研究院有限责任公司）
摘要：磁悬浮变频离心压缩制冷技术是空调制冷行业的重大创新技术，磁悬浮变频离心压缩式冷水机组在空调工程应用中节能效果显著。

文章结合某复合式地源热泵系统工程冷源方案比选，对磁悬浮变频离心压缩机原理及磁悬浮变频离心压缩式冷水机组的特点进行分析，对该项目适用规格的冷水机组的两种形式，即磁悬浮变频离心压缩式冷水机组与传统的螺杆压缩式冷水机组进行了技术分析与经济比较，得出综合技术经济性能前者优于后者，前者增量投资可在3年左右时间通过节省的运行费用收回。

关键词：磁悬浮制冷；地源热泵系统；
改革开放40多年，特别是1992年后，我国的城市化水平不断提高，从1978年的17.9%，到2012年上升到52.6%，而到了2020年，我国城市化水平达到了63.89%，但与发达国家相比尚有距离，据此，我国房地产行业还有一定的发展空间，特别是1、2线城市对高品质高舒适住宅的需求还在增加，舒适性要求的提高往往会增加能源消耗。

随着经济总量的不断增加，我国的能源消耗与碳排放总量也不断增加，早在2013年就超过美国，成为全球最大能源消费国。

2020年我国能源消费总量接近50亿吨标准煤。

其中建筑运行能耗占我国总能耗的比重达20%左右，而建筑采暖通风与空调系统的能耗又接近其中的50%，冷热源设备能耗又占暖通空调系统能耗的70%左右。

实现“双碳目标”建筑业节能减排充满挑战，而空调供热系统冷热源设备、系统的革新、增效是建筑节能减排的重要抓手之一。

近年来，磁悬浮制冷技术开始在空调制冷工程中得到越来越多的应用，而由于认识与造价的原因，磁悬浮制冷技术在地源热泵工程中的应用案例尚不多见。

本文结合某住宅复合式地源热泵系统主机方案比选，分析比较磁悬浮变频离心压缩式冷水机组与螺杆式水源热泵机组组合的冷源方案的特点与优势。

该项目为住宅工程，住宅建筑面积约6万平方米，设计计算冷负荷约3200kW,设计计算热负荷约2500kW。

拟选用地（水）源热泵机组+冷凝燃气热水锅炉复合热源，地（水）源热泵机组+冷水机组+冷却塔复合冷源形式。

在冷源组合中有两种不同方案，方案1：地（水）源热泵机组（2台名义制冷量为250RT的螺杆式水源热泵机组）+传统螺杆式冷水机组；方案2：地（水）源热泵机组（同方案1）+磁悬浮变频离心压缩式机冷水机组。

冷水机组设计概况制冷量在1380-1420kW范围。

为方便比较，将两个方案的比选简化为名义制冷量400RT左右传统螺杆式冷水机组与磁悬浮变频离心压缩式机冷水机组的比选。

分别从磁悬浮变频离心压缩式机冷水机组工作原理、特点、经济性方面进行对比。

1 原理
磁悬浮变频离心压缩式机冷水机组的核心技术是采用磁悬浮变频离心式压缩机。

压缩机结构见下图：
图7.1 磁悬浮离心压缩机结构示意
其主要构造部件包括：永磁同步直流电机、磁悬浮轴承、扩压器、叶轮、位移传感器、轴承控制器等。

磁悬浮轴承原理如下图：
图7.2 磁悬浮轴承原理
该压缩机的磁悬浮轴承有2组径向与轴向悬浮轴承，利用磁场，使转子悬浮起来，在传感器、控制器作用下，始终保持轴承与轴承座之间约7微米的间隙，没有了传统的机械摩擦，也不需要传统机械轴承以及相应的的润滑油系统。

2 特点
从磁悬浮压缩机原理看，无需机械轴承以及机械轴承所必须的润滑系统，不会产生机械摩擦，避免能量损失，与传统压缩机比，仅在轴承机械能耗方面，节能可达10%。

另外，传统压缩机的润滑系统润滑油进入换热器，会影响换热器换热效率，所以磁悬浮压缩机冷水机组换热系统换热效率有明显提升，提高蒸发、冷凝换热效率15%以上。

下图为传统压缩机的冷水机组换热器中的含油量与机组能效的关系。

图7.3 传统压缩机换热器含油量与能效的关系
空调负荷是不断随着室外气候与室内情况变化的，冷水机组必须根据实际需要调节运行负荷。

传统定频压缩机通过机械节流等方法，实现出力调节，变频压缩机通过改变电机转速实现调节，传统变频压缩机为适应润滑油系统的需要，频率调节范围受限。

而磁悬浮变频离心压缩式冷水机组适应部分负荷运行的能力大大提升。

综上，磁悬浮变频离心压缩式机冷水机组与传统离心机组或螺杆机组相比节能显著。

其全年平均性能系数IPLV可提高达10%左右，比传统机组节能40%左右。

下图为两种机组的部分负荷性能曲线。

图7.4 磁悬浮变频离心机组与传统（定频）机组制冷性能系数对比此外，磁悬浮变频离心压缩式冷水机组还有以下优点：（1）内置变频器，使压缩机在部分负荷下实现变速运行，从而实现部分负荷时高效运行，减低运行费用；自带软启动功能，降低机组启动电流至2安倍，减少对电网冲击。

（2）永磁同步电机采用液态制冷剂喷淋冷却，运行效率高。

（3）磁悬浮离心压缩机的重量只有同规格螺杆压缩机的1/5。

（4）转速调节范围:20,000 – 48,000 转/分 (rpm)。

（5）基本杜绝喘振问题。

（6）磁悬浮压缩机主轴高速运转，其与轴承不发生机械接触。

没有润滑油系统，也就不需要油循环回路的油泵，无论机组处于部分负荷还是满负荷状态下，机组噪声及振动都明显降低。

（7）无油润滑磁悬浮轴承使压缩机运行静音、振动，无油运行消除了复杂的油路系统，降低运行维护问题和费用，提高了机组可靠性和经济性。

（8）普通螺杆式冷水机组具有机械轴承，而且需要安装润滑系统来保证机械轴承的工作，每年需要定期对螺杆压缩机进行油质测试、制冷剂检查、油过滤器压降检测、油泵检测、冷媒过滤器检测，油冷却器清洗及换油、油过滤器更换、压机振动测试以电机绕阻、接触器和过载设置，维护保养工作繁杂，工作量大。

如下图所示，为传统压缩机的维修量：
图7.5 传统压缩机的维修量示意（9）压缩机尺寸、重量均有明显减小，使得机组布置、安装更为方便。

3 经济性
结合项目比选冷源方案，就拟选规格冷水机组，作了磁悬浮变频离心压缩式机冷水机组与传统螺杆式冷水机组的经济性测算，测算周期为20年，电费按电费为0.55元/KWh计算。

分析计算结果如下：表7.1 磁悬浮变频离心式与传统螺杆式冷水机组经济性对比机组类型变频磁悬浮冷水机组水冷螺杆冷水机组备注单机制冷量(kW) 1383（392RT） 1413（401RT）实物选型，规格有偏差国标部分负荷性能系数 100%负荷时耗电量 222.9 271.1 国标 IPLV=0.023×100%COP +0.415×75%COP +0.461×50%COP +0.101×25%COP
75%负荷时耗电量 134.4 183 50%负荷时耗电量 76.6 111.3 25%负荷时耗电量 26.6 54.3 国标IPLV 8.84 6.11
全年运行小时数 5760 运行天数×每天运行时间=240天（8个月）×24小时/天全年各负荷下耗电量(kW) 100%负荷 29529.792 35915.328 耗电量=各负荷下耗电量×全年运行小时数×IPLV部分占比 75%负荷 321269.76 437443.2
50%负荷 203400.576 295541.568
25%负荷 15474.816 31589.568
全年总耗电量(kW) 569674.944 800489.664
电价（度/元） 0.55
机组全年运行费用(万元) 31.3 44.0 全年总耗电量×电价
机组每年能效损失百分比 0 4% 换热器表面油膜，导致制冷量的衰减，每年衰减量按4%计20年寿命期内每年运行费用（万元） 1 31.3 44.0 第1年运行费用
2 31.
3 45.8 第2年运行费用
3 31.3 47.6 第3年运行费用
4 31.3 49.
5 第4年运行费用
5 31.3 51.5 第5年运行费用
6 31.3 53.6 第6年运行费用
7 31.3 55.7 第7年运行费用
8 31.3 57.9 第8年运行费用
9 31.3 60.3 第9年运行费用
10 31.3 62.7 第10年运行费用
11 31.3 65.2 第11年运行费用
12 31.3 67.8 第12年运行费用
13 31.3 70.5 第13年运行费用
14 31.3 73.3 第14年运行费用
15 31.3 76.2 第15年运行费用
16 31.3 79.3 第16年运行费用
17 31.3 82.5 第17年运行费用
18 31.3 85.8 第18年运行费用
19 31.3 89.2 第19年运行费用
20 31.3 92.8 第20年运行费用
20年运行总费用合计（万元） 626.3 1311.0
维护费用 20年维护总费用合计（万元） 0 36 一年的维保费用差异2万元/台×19年
20年运维总费用（万元） 626.3 1347.0 耗电量+维护
设备初投资（万元） 122 53.5 仅冷水机组设备价
投资回报期磁悬浮方案比螺杆式冷水机组多投资68.5万元，3年左右收回设备初投资初投资差额=运维节省费用20年磁悬浮总节省费用（万元） —— 652.2 20年运维总费用差额投资回报比%=20年节省总费用÷初投资差额
—— 磁悬浮比螺杆式机组节省的总费用，其投资回报比952% 4 结语
本项目采用磁悬浮变频离心压缩式冷水机组替代传统的螺杆式冷水机组在性能方面具有占地少、噪音低、振动小、维护费用低等优势，比较保守比较，磁悬浮变频离心压缩式冷水机组替代传统的螺杆式冷水机组可减少40%左右的能耗。

造价方面，方案2(地源热泵机组+磁悬浮变频离心压缩式冷水机组)与方案1（地源热泵机组+传统螺杆式冷水机组）相比，增加约68.5万人民币初投资，占项目空调系统（复合地源热泵毛细管辐射换热系统）总造价1.5%左右，但可以在项目满负荷投运后3年左右收回增量投资。

由于磁悬浮变频离心压缩机压比限制等原因，磁悬浮变频离心压缩式技术目前只用于冷水机组。

实际上，辐射空调等空调末端形式可降低冬季供暖对热媒温度的要求，夏热冬冷地区地埋管地源热泵辐射空调系统具有磁悬浮变频离心压缩式技术的适宜应用条件，生产企业加快磁悬浮变频离心压缩式水源热泵机组的开发与推广具有迫切性，并会产生显著的经济与节能减排效益。