磁悬浮制冷机在百货商场空调系统节能改造中的应用分析

温彩霞 范宜斌 张云峰 黄顺源

上海国瑞同顺节能环保技术发展有限公司

0 工程概况

磁悬浮制冷机作为一种新型的空调主机，其创新性和节能型为暖通行业带来了一个新气象。从几年前仅几个生产厂家到如今诸多品牌，其发展速度得到了全行业的关注。据《机电信息·中央空调市场》[1]最新数据显示，2019 年上半年磁悬浮中央空调市场增幅达到43.70%，远超冷水机组的平均增幅。随着生产厂家对产品的不断优化更新、市场应用案例逐步增加以及为适应市场需求机组经济性的不断提高，磁悬浮制冷机为设计师以及广大用户提供了一个新的选择。本文通过三个磁悬浮制冷机在百货商场空调节能改造中的实际应用案例，分析总结了磁悬浮制冷机的应用特点、适用场合、节能性及经济性。

三个项目案例基本情况见表1。

2 改造案例特点及分析

因三个改造项目中案例3 仅改造了空调主机，空调系统中的水泵冷却塔均利用原有设备，系统相对简单，节能量直观，便于突出磁悬浮制冷制冷机的节能改造效果，因此以案例3 为对象对其进行分析。

2.1 建筑及空调概况

改造案例为福州某百货公司，总建筑面积38 590 ㎡，其中地下一层面积为6 083 ㎡，空调面积约3.04万㎡。

空调机房设置在建筑地下一层，2007 年空调系统投入运行，相关设备均为2006 年生产及安装。商场营业时间为每天10:00～22:00，周末一般延长半小时。根据物业记录，空调总开启时间全年超过300 天，夏季两台主机同时开启的时间约为3个月，其余时间一般开一台主机即可满足商场冷负荷需求。因地处福州，商场无采暖需求。

空调系统包含2 台离心式冷水机组，5 台冷却水泵，5 台冷冻水泵，2 组冷却塔，设备参数见表2。

表1 磁悬浮制冷机案例

表2 空调系统配置表

2.2 空调系统改造前能耗及特点

按商场提供的数据，该空调系统有独立计量电表。改造前空调系统（主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔）全年能耗见表3，电费单价平均0.9元/kWh。

表3 改造前空调系统用电量表

空调系统在一个完整年度内的逐月用电量见图1。

从空调用电的逐月分布图可见，该商场几乎全年都有不同程度的冷负荷需求，但空调的使用有明显的季节性特征。每年夏季7、8、9月份气温最高时为空调的使用高峰，用电量最大，随着气温的下降，空调的耗电量也明显下降。每年的12月和1月，虽然室外气温较低，但因一般处于元旦春节时期，商场活动较多，人流量较大，也有较大的冷负荷需求。在每年的2月与3月空调系统才有部分停机时间，做例行的维保或检修。

图1 空调系统逐月用电量

2.3 改造方案

因空调系统能耗相对较高，2017 年12 月2 日由第三方节能公司投资，对商场的空调系统进行节能改造。综合技术经济，改造方案仅增加一台与原冷水机组相同容量的磁悬浮制冷机，与原有两台主机并联，通过阀门切换实现3台主机2用1备改造，工程于2017 年12 月22 日完成。节能技改项目说明见表4。

2.4 改造结果

空调系统改造完成后即投入使用。按改造设计方案，为充分发挥磁悬浮冷水机组能效高的特点，全年均优先使用磁悬浮制冷机供冷，夏季空调高峰时段全开1 台原冷水机组，由新增的磁悬浮空调进行负荷调节。经过一年实际运行，由上海市计量测试技术研究院出具节能量审核报告，结果见表5。

表4 节能技改项目说明

表5 项目审核节能量对比表

改造方案预计的节能总量为53.03 万kWh，审核的实际综合节能总量为69.36 万kWh，预计的节能量与实际的综合节能量存在一定的偏差。产生偏差的主要原因：预计的节能量是根据空调系统运行情况进行的模拟估算，计算取值偏保守，尤其是磁悬浮机组在部分时段的COP值，在厂家提供的数据上进行了缩小，而审核节能量是根据商场计量电表改造前后实测数据进行计算。

上述节能率计算的基数包含主机、水泵和冷却塔的机房能耗，而水泵和冷却塔均未做更改，因此可认为全部的节能量均是由更换的磁悬浮主机所产生。考虑水泵、冷却塔的耗电占总耗电的20%～25%，若去除其余耗电，则本项目磁悬浮制冷机的单项节能率大于35%。

3 项目总结分析

3.1 案例相同点

本文所介绍的三个改造案例均为百货商场，空调运行时间都为10:00～22:00，周末及节假日根据实际需求会适当延长。因商场内区较大，内热源较多，基本全年无采暖需求，而空调使用时间均有8～10个月甚至更长，空调能耗普遍较高。

在所列的改造方案中，均是采用磁悬浮主机替代原普通离心式冷水机组。更换的磁悬浮制冷机容量与被更换机组容量基本相当。磁悬浮机组的供冷量占总需冷负荷需求的50%～100%（按实际开启机组计算）。无论是在高峰负荷还是在部分负荷时段，均优先使用磁悬浮机组供冷。

图2为改造前后空调系统的逐月用电对比分布图。由图2 可见，磁悬浮制冷机不仅满负荷时能效较高，在部分负荷时段，其适应能力更强，通过一年实际运行数据，也充分验证了改造方案选择的正确性以及磁悬浮制冷机的节能性。

图2 改造前后空调系统能耗对比分布图

3.2 磁悬浮空调适用于百货商场的特点分析

3.2.1 磁悬浮制冷机特点

据通用资料［2］显示，磁悬浮主机有以下几个特点。

1）磁悬浮制冷机和普通离心机相比，因制冷剂中不含润滑油，可有效提升机组能效8%以上。

2）因机组完全无油，没有机械摩擦，比常规轴承更持久耐用，机组的预期运行寿命更长，可达30 年。

3）机组启动前不需要预热。没有油路系统，其可靠性更高，机组运行更加稳定。

4）机组的振动和噪音比普通离心机更小。

5）磁悬浮制冷机均为变频调节，启动电流仅为2A。负荷调节能力更强，出水温度控制更加精确。

6）磁悬浮机组的IPLV 标称值都在10 以上，即在部分负荷时使用更节能。

正因为磁悬浮制冷机有上述性能特点，对于负荷波动大、低负荷运行时间长、全年空调使用时间较长、能耗较高的大型综合百货商场，选用磁悬浮制冷机更加适合。

3.2.2 磁悬浮制冷机的经济性分析

磁悬浮制冷机投资成本由于比普通离心机和螺杆机高，在机组选配时需要综合考虑初期投资与运行费用之间的平衡。因磁悬浮制冷机为全无油运行，省却了普通离心机螺杆机复杂的润滑系统，因此免除了每年更换润滑油的维护成本。从本文的三个改造案例看，节能改造的静态投资回收期平均小于5 年，如果去除水泵冷却塔管道等改造费用及运行时年维护费用的减少，则实际的投资回收期可控制在4 年以内。本案例皆为改造项目，如果是新建项目，仅计算磁悬浮制冷机的增量投资，则回收期可控制在2～3年。

3.2.3 不同型式的磁悬浮机组对比分析

本文三个案例的节能改造共采用了4台磁悬浮制冷机。其机组形式有目前市场主流的以DANFOSS 压缩机为主的多机头串联/并联机组，也有企业自主研发的单机头机组。不同的机组形式，机组结构和性能稍有不同，使用上也需结合项目的实际需要进行形式选择。本文结合项目实际案例以及设备供应商提供的资料，对两种形式的机组做对比分析，见表6。

4 结论和建议

本文通过三个实际改造案例分析，磁悬浮制冷机在百货商场空调系统的节能改造中具有较好的节能效果。改造的投资回收期可控，经济性较好。即使是新建项目，在允许适当增加初期投资的情况下，空调主机也可以适当选配磁悬浮形式，可节约运行费用和维护保养费用。

在选用磁悬浮制冷机和节能量计算时，需注意以下几方面。

1)磁悬浮空调制冷机对冷却水的温度和水量要求较高，设计师及用户应引起足够重视。

2)磁悬浮制冷机的能效（IPLV）在机组负荷的30%～70%之间时最高，如果机组完全为满负荷运行，则节能量有限。

3)本项目三个案例的年节能量计算均为静态值，即仅考虑了改造前后空调系统直接电量消耗的差值，尚未考虑改造前后气候变化、商场人流量以及部分商铺经营性质改变引起冷负荷变化等影响因素。以上因素也是空调系统改造采用合同能源管理模式的主要难点之一。如何通过一系列切实可行的经验数据或修正公式调整节能量，最大化减少外界因素的影响，保证节能量客观公正，维护合同能源管理双方的利益，是需要管理者及暖通行业同仁不断探讨和深入研究的课题。

表6 两种形式机组对比分析