磁悬浮冷水机组在公建项目中的应用分析

姜凯迪 崔红社* 高屾 孙锐 林巍

青岛理工大学环境与市政工程学院

自磁悬浮冷水机组诞生以来，关于磁悬浮冷水机组能效的理论研究已较多[1-3]，但关于磁悬浮机组在实际工程中运行能效的研究却较少。本文对多个实际工程同一制冷季的实测数据进行分析，对比传统冷机的运行效率，合理评价磁悬浮机组能效水平，并针对降低机房整体能耗提出优化建议。

1 磁悬浮机组性能

磁悬浮变频离心式冷水机组采用磁悬浮压缩机，比传统式压缩机运行效率高30%，实现无润滑油高速旋转，机组效率得到提高。磁悬浮机组运转噪声低于同制冷量的螺杆机组和离心机组，噪声一般在70-75DB。磁悬浮技术的应用使机组造价升高，磁悬浮机组成本高于传统冷机10%～20%左右。磁悬浮机组的实际节能效果及技术经济性存在一定争议，需对其在实际工程中的可应用性进行综合客观评价，结合机组运行特点最大限度地发挥其性能优势，推动这一节能技术健康发展。

1.1 磁悬浮机组与传统冷机能效对比

名义工况性能系数COP 和综合部分负荷性能系数IPLV 是评价冷水机组能效特性的重要指标。根据这两个指标可有效促进冷水机组的优化和运行管理。

机组COP 表示冷机运行效率，其定义式为：

式中：COP 为冷水机组运行能效；Q 为冷水机组制冷量；W1冷水机组输入电功率。

综合部分负荷性能系数IPLV 表示冷水机组部分负荷效率指标，其定义式为：

式中：A 为100%负荷时的性能系数，kW/kW，冷却水进水温度30 ℃；B 为75%负荷时的性能系数，kW/kW，冷却水进水温度26 ℃；C 为50%负荷时的性能系数，kW/kW，冷却水进水温度23 ℃；D 为25%负荷时的性能系数，kW/kW，冷却水进水温度19 ℃。

通过以国内外主流厂家提供的500RT 机组性能参数为例，比较磁悬浮机组和传统机组名义工况COP和IPLV，如图1～2。

图1 不同冷水机组COP

图2 不同冷水机组IPLV

由图可知，磁悬浮机组名义工况COP 低于定频螺杆机组，但磁悬浮机组IPLV 为10.79，部分负荷能效较高，远超一级能效标准[4]。磁悬浮机组IPLV 相比定频螺杆机组提高51%，相比其他变频机组平均提升5.5%，在IPLV 上表现出很大优势。

1.2 磁悬浮机组的运行特点

针对青岛地区某酒店建筑进行实测，该酒店建筑采用一台150 RT 磁悬浮冷水机组全天运行，根据实测数据分析磁悬浮机组的实际运行特点，如图3～4。

图3 磁悬浮机组COP 与负荷率关系图

图4 磁悬浮机组COP 与冷却水回水温度关系图

图3 可见，磁悬浮机组单点COP 最高能达到10左右，平均COP 为7.11，达到一级能效标准[5]。机组负荷率基本集中在20%-50%之间，随着负荷率的升高，磁悬浮机组COP 逐渐减小，部分负荷运行能效较高，满负载能效偏低。图4 可见，磁悬浮机组COP 与冷却水回水温度存在明显线性关系，随着冷却水回水温度降低，机组实际运行能效逐渐升高。冷却水回水温度范围为23-33 ℃，温度每降低1 ℃，机组COP 提升5.6%左右。

综上所述，磁悬浮机组运行特点如下：1）机组部分负荷运行能效较高。2）低冷却水回水温度下机组运行效率高。机组负荷率和冷却水回水温度对磁悬浮机组实际运行能效有较大影响。

2 磁悬浮机组在公建项目中能效实测分析

根据项目实际情况，准确测定空调系统中冷机的能效，并做出符合实际情况的评价与诊断，是判断空调系统是否节能的重要部分[6]。建筑负荷和机组使用条件不同，直接对比实测结果会降低冷机能效之间的可比性。在同一制冷季对各项目进行建筑能耗实时监测，修正数据到同一工况下，综合客观的对比不同类型冷机能效水平，实测公建项目的基本信息如表1 所示。

表1 实测项目基本信息

2.1 实测项目机组能效

实际运行过程中，根据空调负荷的变化情况会对机组运行参数进行调整，适当提高冷冻水供水温度，降低冷却水回水温度以提高机组的运行效率。运行参数（冷冻水、冷却水温度等）的调节会影响空调系统的运行效果[5]。实测五个公建项目同一制冷季的机组能效，计算平均值得到实际COP，根据冷机样本将实际运行效率修正到同一冷冻水供水温度和冷却水回水温度工况下，得到机组修正COP。对比同一制冷季时间段内机组的实际COP 和修正COP，如图5。

图5 机组实际COP 与修正COP 对比

可见，项目A 磁悬浮机组实际运行能效最高，实际COP 为7.11，远超冷机一级能效标准[4]。应用磁悬浮机组的项目A、B 实测能效差别很大，分析原因如下：项目B 机组接近满负载运行，负荷率在70%以上的运行时长超过总运行时间的50%，而磁悬浮机组高效负荷段在40%-70%之间。且由于负荷率长时间保持在较高水平，项目B 的冷冻水出水温度设置较低，实测数据发现项目A 冷冻水平均温度为10.9 ℃，项目B 为8.8 ℃。冷冻水出水温度降低，蒸发温度下降，会导致机组效率降低。

磁悬浮机组修正COP 平均在5.5 左右，传统冷水机组为5.7，磁悬浮机组低于传统冷机，没有表现出明显优势。针对项目A、D 的实测数据分析磁悬浮机组修正COP 低于高效螺杆机的原因，如图6～7。

图6 磁悬浮机组修正COP 与负荷率关系图

图7 高效螺杆机修正COP 与负荷率关系图

项目A 磁悬浮机组修正COP 为5.51，项目D 高效螺杆机为5.98。图6 可见，磁悬浮机组实际COP 随负荷率增大而降低。项目A 磁悬浮机组负荷率偏低，机组平均负荷率为35%，冷水机组装机容量偏大，偏离机组高效运行范围，机组与建筑负荷供需不匹配影响其运行效果。图7 可见，高效螺杆机负荷率范围在60%～100%，项目D 机组高负荷运行时间长，保持高效运行状态，表现出良好的运行效果。由此可见，传统冷水机组与建筑负荷供需匹配，搭配控制策略合理，能达到高效运行的效果，高于磁悬浮机组能效。

2.2 实测机房整体能效

机房整体能效EER 是评价高效机房的标准，其与冷水机组和水泵等辅助设备的耗电量有很大联系。用机房EER 来表示机房整体能效，其定义式为：

式中：W总为机房总输入电功率；W2为冷冻水泵输入电功率；W3为冷却水泵输入电功率；W4为冷却塔输入电功率。

对实测项目的机房EER 进行对比，如图8。

图8 机房整体能耗EER

项目C 机房整体能效EER 最高，项目A 最低。项目A 磁悬浮机组COP 为7.11，机房EER 为3.4，主机能效较高，机房效率偏低。根据美国ASHER 暖通协会制定的冷站能效标准[7]，EER 在3.5 以上为一般能效水平，4.1 以上为良好，项目A 未达到此能效标准。空调系统可调控参数较多且参数的变化对系统性能影响不同，导致冷站运行能耗偏高的原因有：1）机组与建筑负荷供需不匹配，偏离机组高效运行负荷区间，机组能耗偏高。2）水系统不匹配，输配系统能耗偏高。对项目A、C 进行详细分析，分项能耗如图9～10。

图9 项目A 机房分项能耗饼状图

图10 项目C 机房分项能耗饼状图

可见，项目A、C 的输配系统能耗分别占比为45.88%、32.45%。项目A 的输配系统能耗占比偏大，接近机房总能耗一半，水泵选型不合理。实测显示，项目A 磁悬浮机组、水泵都存在选型过大的问题，出现大流量小温差的现象，造成机组负荷率过低，磁悬浮机组大部分运行时间并未处于高效区间内。水泵选型过大，且无变频，能耗过高，进一步抵消磁悬浮的节能效果。

3 结语

1）磁悬浮机组无摩擦、噪音低，名义工况COP 与普通机组相比无明显优势，部分负荷效率IPLV 高，相比定频机组提高51%，相比其他变频机组平均提升5.5%。

2）实测发现，随着负荷率和冷却水回水温度的降低，磁悬浮机组能效逐渐升高。磁悬浮机组的高效负荷段在40%～70%之间，冷却水回水温度每降低1 ℃，机组COP 提升5.6%左右。

3）由项目A 实测数据可得，磁悬浮机组实际COP达到7.11，修正COP 为5.51，磁悬浮机组未与建筑负荷做良好匹配，偏离高效负荷段运行，修正机组能效低于传统冷机。

4）辅助设备选型过大，会抵消磁悬浮机组的节能效果，导致机房整体能效降低。提高机房整体能效应根据建筑负荷变化，结合机组运行特点选择合适的辅助设备，同时搭配合理机房群控策略来实现。