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                      磁懸浮中央空調的介紹及其技術特點

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                      時間: 2018-09-29
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                      摘要 磁懸浮目前是中央空調市場上較為流行的概念,國內外的許多廠家都推出了磁懸浮產品,與之相對應的是,許多廠家在產品介紹時,照搬已有的壓縮機介紹資料,并不全面。本文從基本的設計原理及技術參數上,分析磁懸浮中央空調機組的設計理念、產品特點以及應用情況。

                      1、磁懸浮壓縮機的產生

                      磁懸浮是目前國內中央空調行業炒的炙手可熱的一個概念,對于磁懸浮,大家并不陌生,其在高速鐵路上的突破和成就是有目共睹的。

                      其實,自人們發現磁鐵同極相斥的的特性后,磁懸浮即在理論上存在,法拉第的電磁感應定律則為其工業化生產奠定了基礎。

                      離心式壓縮機,其本質上完成的工作是壓縮介質的動勢能轉換,在長期的研究中,最基本的公式如下:

                      磁懸浮中央空調的介紹及其技術特點

                      其中:

                      H ---- 壓頭,即勢能差;

                      u ---- 葉輪外緣圓周速度;

                      D ---- 葉輪直徑;

                      n ---- 葉輪轉速

                      若要提高壓縮機的壓縮效率,除了增大葉輪的直徑,就只能增加葉輪的轉速了,然而在傳統工藝技術下,這兩點都難以實現,因此當RON CONRY先生最初研發高效壓縮機時,他直接聯想到了磁懸浮技術。

                      從93年開始,經過近10年的努力,RON的團隊終于研發成功世界上第一款磁懸浮壓縮機,命名為TURBOCOR,并在2001投入實用。

                      磁懸浮中央空調的介紹及其技術特點


                      磁懸浮壓縮機:

                      ? 壓縮部分

                      ? 驅動部分

                      ? 變頻部分

                      ? 控制部分


                      磁懸浮壓縮機的技術基礎是磁懸浮軸承技術,通過永磁與電磁相結合,能夠使轉軸處于一個較為完美的六面凌空狀態。(其實1842年,英國物理學家Earnshow就提出了磁懸浮的概念,同時指出:單靠永久磁鐵是不能將一個鐵磁體在所有六個自由度上都保持在自由穩定的懸浮狀態。一百多年以后人們才得以實現這個模型)。


                      之后,人們發現,采用磁懸浮技術后,壓縮機的各項性能得到顯著提升:

                      首先是轉速的提升,由于沒有了機械摩擦,磁懸浮壓縮機的轉速在理論上可以無限提高(葉輪強度足夠),在實際的使用中,RON CONRY的團隊實現了48000r/min的極高轉速,使葉輪的尺寸變得非常小,壓縮機的整體體積和重量顯著下降;

                      其次是無級變頻的實現,由于不需要考慮潤滑油的回油問題(在取消了專門的供油泵之后,有油機械的潤滑完全依靠運轉中所產生的負壓),磁懸浮壓縮機的轉速可以無限?。ㄚ吔?),這使得離心式機械中的相似定律可以完全發揮作用:

                      磁懸浮中央空調的介紹及其技術特點

                      壓縮機輸出制冷量 ∝ 壓縮機轉速

                      壓縮機吸排氣壓差 ∝ 壓縮機轉速2

                      壓縮機消耗之功率 ∝ 壓縮機轉速3

                      這也是變頻節能的基本原理所在。

                      第三,極低的啟動電流,壓縮機啟動時,只需要滿足支撐轉軸重量的電磁力即可,因此,單臺磁懸浮壓縮機的啟動電流在2A左右,而傳統的星三角啟動方式普遍具有5~8倍額定電流,對電網的沖擊較大。

                      第四,極低的運行噪音,單臺磁懸浮壓縮機正

                      常運行時,其噪音值在68dBA左右(1m測試距離),傳統的螺桿或離心式壓縮機其噪音在80dBA以上。

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                      第五,運行穩定。磁懸浮壓縮機只有一個運動部件,其故障率極低,內部具有良好的冷卻系統。電器部分的設計為模塊化插拔式,十分直觀簡潔,這使得壓縮機在實際的運行中具有多重保障。

                      磁懸浮中央空調的介紹及其技術特點

                      可見,磁懸浮壓縮機與傳統的壓縮機相比較,其優勢是十分明顯的,也說明其未來的巨大應用發展空間。

                      1、磁懸浮中央空調

                      1)、發展方向

                      根據卡諾循環的基本原理,蒸汽壓縮式中央空調的組成分為四個部分:壓縮部分、蒸發部分、冷凝部分及節流裝置。壓縮機時空調機組的心臟,壓縮機的形式,決定了機組的基本參數和運行特點。

                      自第一臺磁懸浮壓縮機問世以來,磁懸浮中央空調即分為兩個發展方向:做大與做小。

                      ?所謂做大,即通過多臺磁懸浮壓縮機的組合,使磁懸浮機組的單臺冷量增加,一方面能夠占據較大的市場份額,另一方面能夠獲得較高的運行效率。

                      ?所謂做小,及充分發揮磁懸浮壓縮機的體積重量優勢,通過與緊湊式換熱器結合,使冷水機組的尺寸不斷減小,獲得更多的應用機會。

                      在這兩方面,典型的代表即為SMARDT與MULTISTACK。

                      MULTISTACK以模塊機起家,其模塊化技術發展已有20余年,通過應用磁懸浮壓縮機,可以使得模塊機占據70~100RT的優勢冷量段,借助其前期龐大的客戶群和較好的認知度,占領市場。

                      SMARDT為單一生產磁懸浮冷水主機的廠家,其技術優勢在于對壓縮機的研究較為深入,具有良好的控制技術,因此,SMARDT將目光瞄向了300~800RT的主流中央空調市場,通過發揮磁懸浮壓縮機的高效無油特性,占領市場。

                      2)、技術特點

                      對于模塊機而言,風冷冷水系統占據較大的優勢,但由于磁懸浮壓縮機不適宜開發風冷熱泵型產品,使得其在華東地區的市場開拓受到了較大的限制。

                      對于滿液式磁懸浮機組而言,由于單體磁懸浮壓縮機的冷量較小,因此磁懸浮機組必然采用多機并聯的模式;其次,磁懸浮壓縮機內置變頻,在實際的運行中,多臺壓縮機同時運行,這也是目前大家耳熟能詳的“同步變頻”策略。(本篇觀點并不代表暖通南社立場)

                      我們不妨先來了解一下多機頭并聯的產生及發展情況(開利活塞機享有機王的美譽):

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                      早期的活塞、螺桿式冷水機組經常采用多機頭并聯的模式,其負荷加減載為簡單的開停式切換:

                      磁懸浮中央空調的介紹及其技術特點


                      適時,變頻的概念尚未推出,單臺活塞機的冷量只有30RT左右,其調節的靈敏度高出了后期出現的多檔調速概念;

                      同時,容積式壓縮機對于系統內部壓差的變化反應不明顯,因此即使兩器內的壓力產生的劇烈變化,壓縮機的反應仍然較為穩定。

                      但是,如此的調節模式帶來的后果即是水溫波動較大,由于使用活塞的場合其系統水容量均較?。ù笮拖到y往往采用離心機或螺桿機),因此其溫度的變化是十分不穩定的(相對而言)。

                      離心式機組能否采用這種調節模式呢?

                      答案是不能,離心式機械的兩條曲線限制了這種方式:喘振線、堵轉線。

                      對于離心式壓縮機,喘振是不可消除只可避免的,任何離心式機械都存在喘振區。當兩器內的壓力劇烈變化時,如果壓縮機沒有適當的保護,則很容易引起壓縮機的失速故障,因此多臺離心式機械并聯(十分少見)的加減載情況是這樣的:

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                      雖然理論曲線十分簡單,但是實際的控制過程卻是相當復雜的,技術難度也較高。

                      3)、參數特征

                      磁懸浮中央空調可以完美的繼承磁懸浮壓縮機的應用優勢,與目前市場主流產品相比較,其最突出的特點就是節能、低維護。

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                      IPLV指標已受到越來越多的廣泛的認可

                      同時,磁懸浮壓縮機的使用壽命較長(此處指機械壽命,其最初設計壽命為≥30年,傳統的大型離心機組為20年,螺桿機組為15年),在未來使用的節能收益是十分明顯的。

                      在暖通設計中,水力計算、容量計算上,磁懸浮機組與傳統機組沒有顯著的區別;而在配電、結構或創新設計中,磁懸浮機組優勢較為明顯。

                      首先,磁懸浮壓縮機的功率因數較高,使得配電設計時的電容量較小,機房的電容量也想相應降低(雖然目前對主機配置專變的情況不多)。

                      其次,磁懸浮機組沒有潤滑油系統,這使得它的必需維護空間大大降低,而且支持冷媒系統的遠程傳輸,在澳洲及北美,出現了許多Condenser lessv的個性化設計。

                      第三,冷媒系統的遠程傳輸,也可以與建筑的特性相結合,相信在解決了分歧管技術后,直膨式磁懸浮機組會很快出現(熱泵形式有待于觀察)。

                      第四,冗余的概念。在高可靠性的設計中,通常要求主機的備用比例為1:1甚至是1:2,采用磁懸浮機組,在很多情況下可以減少或者省略備用機組,這對于降低初投資十分有利。

                      第五,磁懸浮壓縮機的溫度工作范圍極廣,在暖通設計中,無論高低溫出水,高低溫冷卻,自然冷源利用、變流量設計、集成式機房等等定制化的設計也是層出不窮。

                      1、磁懸浮中央空調的設計理念

                      1)、單回路與多回路

                      在真實的設計中,磁懸浮多機頭的設計情況主要為兩種:(冷媒系統)單回路和多回路。

                      單回路中,所有壓縮機均并聯安裝于同一套兩器中;多回路中,最常見的形式為每個壓縮機對應一個制冷系統(可以稱之為單元),一臺機組由多個單元組成,單元之間的水路系統往往采用串聯的模式(水路并聯實際與多臺機組并聯相同)

                      最基本的圖形差異如下:


                      磁懸浮中央空調的介紹及其技術特點


                      多回路機組顯著的特點在于每一個單元都可以從機組中獨立出來,然而這種設計在壓縮機數量較少(一般為兩臺)時,與單回路區別不大,但在壓縮機數量較多時則有明顯的劣勢:

                      首先是冷凍、冷卻水程的增加,采用單程,則載冷能力不足;采用多程,則水阻上升巨大。

                      其次,由于單元之間串聯,為保證出回水同側設計、減小機組長度,所以往往出現180°回轉的尷尬設計。這種設計不能夠保證水流的穩定性,同時容易產生結垢和雜質沉淀。

                      第三,在機組卸載時,多回路系統雖然避免了壓縮機之間的相互干擾,但是每一臺壓縮機只能利用其自身的換熱面積,如此也限制了壓縮機的效率發揮,實際上相當于每個單元在單獨工作,多臺壓縮機的并聯效率與單臺壓縮機運行效率基本相同。

                      誠然,單回路多機頭的設計目前還有相當的難度,在全球范圍內,能夠生產如此產品的廠商屈指可數,并且壓縮機的數量一般不超過4個(在這些廠商中,SMARDT可謂一枝獨秀,其8壓縮機產品已經投入實用,冷量達到1200RT以上)。

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                      2)、對于壓縮機的冷量設定

                      每一型號的壓縮機均有自己的冷量范圍及效率特性,在磁懸浮主機的設計與生產中,由于廠家對壓縮機自身特性認識的不同,其設計理念以及布置形式也各不相同,由此,也導致的主機的技術參數差異較大。

                      多機頭磁懸浮中央空調的設計承襲了活塞機組的組成方式,因此很多廠商習慣于對機組冷量進行


                      簡單的加減法,用以標注其冷量參數。以TT400壓縮機為例:

                      TT400型壓縮機的最大制冷能力為150RT,因此部分廠商即認為,單臺壓縮機機組150RT,兩臺壓縮機機組300RT,三臺壓縮機機組450RT……

                      實際上,在多臺壓縮機并聯時,制冷機組的輸出冷量并不能達到最大限度(機組并聯時,認為可以達到)。

                      同時,磁懸浮壓縮機的特性也使得這種設計失去了意義。根據GBT18430規定,當蒸汽壓縮式冷水機組制冷量大于1163kW時,一級能效的認證標準為6.1,二級能效的認證標準為5.6(請記住這個指標,二級能效以上產品才能夠被認證為節能產品)。

                      單臺TT400壓縮機滿載時的最高能效比為5.56!試想:一臺500RT冷水機組能效達不到二級標準,也就失去了存在的意義(即使采用螺桿式壓縮機,500RT機組的效率也能夠達到5.7;而800RT以上產品的效率普遍接近6.1)。

                      當然,機組的滿載效率并不能決定節能與否,部分負荷能效(IPLV)才是機組節能性的真正體現。但是基于目前國家標準的門檻現狀,如果不能夠踏進“節能產品”的大門,也意味著丟掉了市場競爭的入場券。

                      1、磁懸浮中央空調的節能性

                      探討磁懸浮中央空調的節能性,首先要明確一個基本理論:在全年的實際運行中,建筑的負荷并不總是維持在滿負荷。

                      大量的實測數據和模擬結果都證明,在全年的運行中,滿負荷情況的存在比例極小。為了更好的鑒別機組的節能性,IPLV的概念被推廣起來。

                      IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D

                      這是GB50189中對于IPLV的計算公式,長期以來人們一直在根據不同的氣候特征校對IPLV的計算比例,不過人們真正應該關注的是如何使這一指標成為強制執行參數,而非參考參數。

                      以IPLV作為參考標準,可以發現,在相同的應用條件下,磁懸浮機組的節能比例較常規機組在30%至40%之間(節能產品、狀態良好)。

                      隨著人們對建筑節能領域研究的深入,另一種觀點也被提出:單臺機組的IPLV值不能夠代表機房內所有機組的全年運行效率。

                      從本質上而言,上述觀點沒有瑕疵,但是觀點的提出者顯然沒有對機房內設備的運行管理情況進行過詳細的模擬、計算及校驗。

                      我們以20萬平方米的建筑群,包含酒店、辦公、商場等來做為比較模型(建筑體量越大,單臺機組所占的影響就越?。?/span>

                      磁懸浮中央空調的介紹及其技術特點

                      建筑全年負荷曲線(per 30min)

                      在模擬中,我們發現機組的運行情況如下(開啟臺數統計,共六臺):

                      磁懸浮中央空調的介紹及其技術特點

                      不難統計建筑全年的負荷比例分布情況。

                      同時,對機組的運行負荷比例進行統計:

                      磁懸浮中央空調的介紹及其技術特點


                      可以發現,機組絕大部分時間運行在70%~80%之間,這完全是傳統機組的高效區,在這樣的運行條件下,我們隊兩種產品的能耗進行比較:

                      磁懸浮能耗

                      3250509 kWh

                      傳統機組能耗

                      4811500 kWh

                      節能比例

                      33%

                      機組參數

                      磁懸浮機組:COP 5.98,IPLV 9.32

                      對比機組: COP 5.70,IPLV 6.13

                      IPLV計算節能比例:35%

                      可以發現,按照最不利的計算原則,磁懸浮機組的節能性依然明顯,并且計算中尚未考慮有油機械的損耗等諸多因素。

                      1、磁懸浮在中國

                      1)、歷史

                      在中國,人們對磁懸浮的概念并不陌生,磁懸浮列車將這一概念帶進大家的視野,戲劇性的是,中國的永磁磁懸浮技術被證明為是最可靠、最經濟的磁懸浮方案(對比與超導磁懸浮和常導磁懸?。?。


                      在2006年,海爾將磁懸浮中央空調引入中國市場,但是反響卻十分平淡,隨后一段時間,磁懸浮空調幾乎從人們的視野中消失。主要的原因有三點:

                      彼時,IPLV的概念并沒有被中國市場所接受,客戶們依然按照能效等級,嚴格地刪選產品;

                      其次,接踵而來的經濟危機,嚴重打擊了業主投資的興趣及信心;

                      再者,政府的政策導向十分不明顯,雖然節能減排是我國的基本國策,但遺憾的很長一段時間內,節能減排只是數字游戲。

                      2)、發展

                      事無絕對,在2010年間,磁懸浮中央空調蓬勃發展,在華東和華南區域,磁懸浮中央空調廠商接連成立,項目應用逐漸增多,這時期主要的刺激條件有三點:

                      首先,Danfoss為了開拓中國市場,在這一時間段投入了較大的精力推廣,同時,Danfoss提供技術參數,扶植了一批OEM,成為市場的先導;

                      其次,政府政策指向性明確,為了刺激節能減排政策的落實,國家出臺了許多規定,其中最為利好的即是合同能源管理項目申報補貼制度以及節能產品購買補貼制度,雖然過程中出現了一部分騙取補貼的情況,不過還是顯著提高了節能產業的發展速度。

                      第三,經濟形勢的好轉以及學術界的支持發揮了相當大的作用。在這一時間段,學術界對于IPLV的討論、對于大型公建項目的研究為高效產品的發展提供了理論基礎。

                      其結果是顯而易見的,到13年底,中國市場內存在十余個磁懸浮中央空調品牌,各自均有自己的目標市場及技術特點。同時,磁懸浮的應用案例不斷增多,越來越具有說服力。

                      3)、制約

                      磁懸浮中央空調似乎迎來了發展的春天,磁懸浮帝國似乎即將出現。然而,就目前的情況來看,市場依舊疲軟,并沒有出現市場份額的明顯上升,究其原因,無外乎以下幾點:

                      ?沒有核心競爭力:國內的OEM廠商們依靠壓縮機供應商的技術支持打開了門面,但是在機組控制、工業設計等方面還是要落后于境外廠家,并且沒有品牌認知度。

                      舉例而言,Turbocor每年會對核心的合作伙伴的技術研發,銷售能力以及售后服務等綜合因素進行評分目前,一共有三個等級的合作“白金”“黃金”“銀級”,而國內品牌尚沒有出現其中。

                      ?政府政策變化:如今的合同能源管理市場日趨規范化,資金平臺對于投資回報率要求越來越苛刻,檢測平臺對于節能數據的考量也越來越專業,這需要大批的專業人員來完善產業鏈條。

                      ?外部競爭惡化:長期以來,中國的中央空調市場被傳統的四大家所占據,經過30多年的經營,已經形成了完整的直銷、分銷體系,建立渠道優勢。同時,廉價的勞動力使得他們的生產成本十分低廉,相應的,在價格競爭中占據了絕對的優勢。隨著國際市場的萎縮,國內市場的競爭日趨惡化。

                      4)、前景

                      轉眼2014年即將過去,以目前的形式來看磁懸浮中央空調的前景還是比較樂觀的。

                      首先,經濟的復蘇,為磁懸浮市場提供了充足的購買力。經濟形勢的觸底反彈,意味著投資者們對市場更有信心,隨著人們廣泛人知設備生命周期的概念,磁懸浮產品的高性價比得以體現。

                      其次,節能減排的大勢所趨。節能減排已經不再是一個口號,二是切實的落實到各級政府的工作中去,地方政府的刺激政策不斷出臺,為節能產品創造了良好的市場環境。

                      第三,競爭形勢的好轉。中國的人口紅利時代已經過去,隨著勞動力成本的上升,傳統機組的制造、維護費用都將上漲,這使得業主們更加關注設備的運行維護費用。

                      第四,市場認知度不斷提升。隨著越來越多的應用案例出現,磁懸浮產品的各項優勢均得以體現,也使得業主們不斷認可磁懸浮技術的優點,為以后的發展奠定基礎。

                      第五,專業廠商不斷涌入。在14年的制冷展上,許多老牌中央空調廠商紛紛參展。其中包括像SMARDT這樣第一批開發磁懸浮中央空調的設備廠商,目前,新一批的OEM已經出現,磁懸浮市場上,產品的多樣性即將呈現。

                      總而言之,磁懸浮中央空調的市場導入期即將過去,將進入產品的成熟期,這個時間段,產品的質量和售后服務成為廠商們競爭的絕對因素,因此,磁懸浮產品的水平將有明顯提升。伴隨著大批的專業人才進入該領域,相信磁懸浮中央空調將很快走出小眾市場,充分參與市場競爭。


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