磁悬浮离心机组在住宅集中THIC 系统的应用分析

杨冰

北京金茂绿建科技有限公司

温湿度独立控制（以下简称THIC）空调系统的热舒适性较高，而且系统显热末端在夏季可以使用高温冷水控制室内温度，从而使得冷源总体性能系数提高[1]，节能性优于常规系统，因此很多以高舒适度为卖点的高端住宅采用了THIC 系统。但是，住宅集中THIC 系统存在运行时间久、部分负荷工况多、维修更换不便、运维费用敏感、运行工况特殊等特性，还需要进一步优化主机配置、降低能耗、提升经济性。随着制冷技术的发展，磁悬浮变频离心机作为高效冷热源得到越来越多的关注和应用，本文拟结合磁悬浮变频离心机的特性以及实例进行分析，探讨其在住宅集中THIC 系统中的应用可行性。

1 住宅集中THIC 系统

住宅集中THIC 系统的冷热源形式一般为地源热泵+燃气锅炉+单冷机组+冷却塔，户内末端采用毛细管席或结构埋管辐射空调系统，通过集中调湿新风机组来调节室内的湿度。此类系统在运行方面有如下特点：

1）全年运行时间长。为了保障项目舒适度品质，住宅集中THIC 系统一般是冬夏季全天24 h 连续运行，在夏热冬冷和寒冷地区的一些项目全年运行时间达到了10 个月，合计约7200 h/年。相比之下，同地区的写字楼及商业的空调运行季一般为8 个月，全天运行时间不超过16 h，合计约3840 h/年。对比看出，住宅集中THIC 系统的运行时间比公共建筑长80%以上，意味着同样的冷热源主机在住宅项目上的运行寿命年限会大大减少。

2）部分负荷工况多。选取北京及杭州的THIC 住宅项目进行全年冷热负荷分析，其负荷时间频数曲线见图1 和图2。从图中看出，以北京为代表的寒冷地区项目供冷工况负荷率绝大部分低于60%，供热工况基本都在80%以下。杭州所代表的夏热冬冷地区项目供冷及供热负荷率基本不大于60%。因此，系统主机规格搭配及主机性能均应考虑在部分负荷工况下能达到较高的运行能效。

图1 北京项目负荷时间频数曲线

图2 杭州项目负荷时间频数曲线

3）维修更换不便。住宅项目的能源机房基本都在地库，为了减少车位占用，提高项目货值，机房设计一般都比较紧凑。同时，较大的设备维修或者更换费用支出需要取得业主委员会的同意，并且还要经过房产行政部门或相应管理部门的备案与审核，手续较为繁琐。基于以上考虑，系统在实际运行中应尽量避免较大的维修更换工作。所以，住宅集中THIC 系统对主机的设备品质及运行寿命要求较高。

4）运维费用敏感。住宅项目的运维收费标准刚性较强，一般在前期销售阶段确定之后很难在后期调整增加，否则易引起业主的投诉和拒缴。但是，实际运行中常规冷机的换热性能会逐年衰减，故障维修次数越来越多，后期运行能耗费用和维护费用相应增加。在成本增加、收费标准不变的条件下，需要从设计源头提升系统能效，降低系统全寿命周期的成本，尽量减少机组设备的维修及更换次数。

5）运行工况特殊。住宅THIC 系统采用辐射空调系统作为显热末端，需要提供夏季高温冷水和冬季低温热水，例如毛细管网系统水温为夏季17 ℃/20 ℃、冬季35 ℃/30 ℃，结构埋管系统水温为夏季18 ℃/20 ℃、冬季为28 ℃/26 ℃。为了充分发挥系统节能特性，热泵主机应能较好适应高温水供冷、低温水供热的运行工况，尤其是在过渡季蒸发器与冷凝器压差比较小的情况下。由于常规冷机按高温水工况运行时的COP 增幅不大[2]，所以建议配置专用的高温冷水机组。

综上所述，住宅集中THIC 系统需要搭配运行寿命长、换热效率衰减少、维护费用较低、适应高温水工况的冷热源主机，才能更好地提升系统能效，保障系统运行品质。

2 磁悬浮变频离心机

磁悬浮是指利用磁力使物体处于无接触悬浮状态，磁悬浮离心机与普通离心机最大的区别是使用了磁悬浮轴承，机组运行时压缩机叶轮和轴承处于悬浮状态，因此机组不需要润滑油就可以工作。基于这个核心优势，磁悬浮变频离心机有如下优点：

1）运行寿命较长。磁悬浮机组没有机械摩擦损耗，可持久运行。根据厂家资料，磁悬浮离心压缩机的使用寿命长达25～30 年，而常规冷机的使用寿命约为15～20 年。因此，按50 年的建筑寿命考虑，磁悬浮机组只需要更换一次，而常规冷机则需要更换2～3 次。

2）性能持续高效。常规压缩机系统中润滑油系统在长时间运行后会在系统中积油，而含油量较多时会增加功耗、降低制冷量[3]。磁悬浮机组是无油运行，不会因为换热器积油影响传热，保持机组性能持续高效。

3）维护费用降低。磁悬浮机组运动部件少，没有复杂的油路系统、油冷却系统，减少了润滑油更换、过滤清洗、油路保养等冷机维护内容，能减少运维人员工作量，有效降低日常维护费用。

4）适应工况范围宽。磁悬浮机组不使用任何润滑油，所以没有回油压差限制，适用于数据中心及THIC系统的高温冷水工况需求。而且，磁悬浮机组的冷水出水温度从3～18 ℃都有很高的COP，冷水温差3～10 ℃的COP 变化很小[4]。

5）部分负荷效率高。磁悬浮机组集成了变频调速技术，使压缩机在部分负荷下可以变速运行，保持高效压缩[5]。根据厂家提供的数据，本文对350RT 的磁悬浮机组和高效定频螺杆机组进行了不同冷却水温及定冷却水温（地源工况）下的不同负荷率能效对比，详见图3、图4。从图中看出，仅对比满负荷运行时的效率，磁悬浮冷机的性能略低于高效定频螺杆机。但是在部分负荷运行时，磁悬浮冷水机组就凸显出色的能效。即使是和变频螺杆机及常规变频离心机相比，由于不受回油压差的影响，磁悬浮机组在50%负荷率以下的COP 也大大高于常规变频机组[6]。

图3 不同冷却水温，不同负荷率能效对比

图4 定冷却水温，不同负荷率能效对比

通过以上分析，可以看出磁悬浮变频离心机组能够匹配住宅集中THIC 系统对冷热源的要求，充分发挥二者优势，具备良好的技术应用前景。在实际应用中，当代地产在北京万国城MOMA 住宅的集中THIC系统中将调峰冷机改为磁悬浮机组，节能的效果较为明显。

但是，磁悬浮变频离心机目前也存在压缩机规格偏小、成本较高的不足。现有主流磁悬浮压缩机还是以小型离心压缩机为主，大冷量机组则需要安装多台压缩机，大大增加了机组成本。虽然目前有少数公司已经推出大冷量的磁悬浮离心式压缩机，但是应用较多的还是中等制冷量的产品。因此，对于装机容量较大的项目，建议采用常规机组和磁悬浮机组搭配的方式，进行投资回收期分析，实现系统节能和降低造价的平衡。

3 实例分析

3.1 项目概况

南京某住宅项目采用集中THIC 系统，地上建筑面积约9 万m2。通过DeST-h 软件对项目建模计算，得到全年逐时负荷曲线（图5），其中夏季最大冷负荷为5383 kW，冬季最大热负荷为3429 kW。从负荷时间频数曲线（图6）看出，本项目90%的运行时段的负荷率不超过80%，夏季还有28%的运行时段冷负荷率低于10%。

图5 南京项目全年逐时负荷曲线

图6 南京项目负荷时间频数曲线

3.2 冷热源方案分析

根据项目负荷及地源井系统情况，该项目的冷热源系统配置为2 台地源热泵+1 台单冷机组+1 台燃气锅炉，具体规格如表1 所示：

表1 冷热源规格配置表

为了分析磁悬浮机组的应用可行性和经济性，可以结合全年逐时负荷以及厂家提供的主机负荷性能曲线进行能耗费用测算。由于住宅项目的全年运行时间较长，能耗费的节省较为明显，通过对两种磁悬浮主机搭配方案和常规方案对比（表2），可以看出磁悬浮机组方案的静态回收期均小于5 年，具有较好的经济性。另外，从表2 可以看出，方案3 虽然比方案2 多配置了一台磁悬浮主机，但是能耗费用并没有同比例下降，因此对于成本费用较为敏感的项目可以磁悬浮机组+常规机组的方式进行搭配。

表2 冷热源方案比较表

4 结语

磁悬浮离心机组是一种高效的节能设备，具有寿命长、能效高、维护少等优点，可以较好地满足住宅集中THIC 系统对冷热源主机的性能要求。通过项目实例分析，可以看出虽然磁悬浮离心机组投资成本较高，但是运行能耗费用及维护费用的节省较为明显，因此回收期较短，具备良好的全寿命周期经济性。随着磁悬浮压缩机核心技术的国产化，机组成本进一步降低，相信磁悬浮离心机组今后会在越来越多的建筑中发挥更大的节能效益。