磁懸浮制冷機(jī)在百貨商場空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造中的應(yīng)用分析

溫彩霞 范宜斌 張?jiān)品?黃順源

上海國瑞同順節(jié)能環(huán)保技術(shù)發(fā)展有限公司

0 工程概況

磁懸浮制冷機(jī)作為一種新型的空調(diào)主機(jī)，其創(chuàng)新性和節(jié)能型為暖通行業(yè)帶來了一個(gè)新氣象。從幾年前僅幾個(gè)生產(chǎn)廠家到如今諸多品牌，其發(fā)展速度得到了全行業(yè)的關(guān)注。據(jù)《機(jī)電信息·中央空調(diào)市場》[1]最新數(shù)據(jù)顯示，2019 年上半年磁懸浮中央空調(diào)市場增幅達(dá)到43.70%，遠(yuǎn)超冷水機(jī)組的平均增幅。隨著生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品的不斷優(yōu)化更新、市場應(yīng)用案例逐步增加以及為適應(yīng)市場需求機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的不斷提高，磁懸浮制冷機(jī)為設(shè)計(jì)師以及廣大用戶提供了一個(gè)新的選擇。本文通過三個(gè)磁懸浮制冷機(jī)在百貨商場空調(diào)節(jié)能改造中的實(shí)際應(yīng)用案例，分析總結(jié)了磁懸浮制冷機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)、適用場合、節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性。

三個(gè)項(xiàng)目案例基本情況見表1。

2 改造案例特點(diǎn)及分析

因三個(gè)改造項(xiàng)目中案例3 僅改造了空調(diào)主機(jī)，空調(diào)系統(tǒng)中的水泵冷卻塔均利用原有設(shè)備，系統(tǒng)相對簡單，節(jié)能量直觀，便于突出磁懸浮制冷制冷機(jī)的節(jié)能改造效果，因此以案例3 為對象對其進(jìn)行分析。

2.1 建筑及空調(diào)概況

改造案例為福州某百貨公司，總建筑面積38 590 ㎡，其中地下一層面積為6 083 ㎡，空調(diào)面積約3.04萬㎡。

空調(diào)機(jī)房設(shè)置在建筑地下一層，2007 年空調(diào)系統(tǒng)投入運(yùn)行，相關(guān)設(shè)備均為2006 年生產(chǎn)及安裝。商場營業(yè)時(shí)間為每天10:00～22:00，周末一般延長半小時(shí)。根據(jù)物業(yè)記錄，空調(diào)總開啟時(shí)間全年超過300 天，夏季兩臺(tái)主機(jī)同時(shí)開啟的時(shí)間約為3個(gè)月，其余時(shí)間一般開一臺(tái)主機(jī)即可滿足商場冷負(fù)荷需求。因地處福州，商場無采暖需求。

空調(diào)系統(tǒng)包含2 臺(tái)離心式冷水機(jī)組，5 臺(tái)冷卻水泵，5 臺(tái)冷凍水泵，2 組冷卻塔，設(shè)備參數(shù)見表2。

表1 磁懸浮制冷機(jī)案例

表2 空調(diào)系統(tǒng)配置表

2.2 空調(diào)系統(tǒng)改造前能耗及特點(diǎn)

按商場提供的數(shù)據(jù)，該空調(diào)系統(tǒng)有獨(dú)立計(jì)量電表。改造前空調(diào)系統(tǒng)（主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔）全年能耗見表3，電費(fèi)單價(jià)平均0.9元/kWh。

表3 改造前空調(diào)系統(tǒng)用電量表

空調(diào)系統(tǒng)在一個(gè)完整年度內(nèi)的逐月用電量見圖1。

從空調(diào)用電的逐月分布圖可見，該商場幾乎全年都有不同程度的冷負(fù)荷需求，但空調(diào)的使用有明顯的季節(jié)性特征。每年夏季7、8、9月份氣溫最高時(shí)為空調(diào)的使用高峰，用電量最大，隨著氣溫的下降，空調(diào)的耗電量也明顯下降。每年的12月和1月，雖然室外氣溫較低，但因一般處于元旦春節(jié)時(shí)期，商場活動(dòng)較多，人流量較大，也有較大的冷負(fù)荷需求。在每年的2月與3月空調(diào)系統(tǒng)才有部分停機(jī)時(shí)間，做例行的維保或檢修。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)逐月用電量

2.3 改造方案

因空調(diào)系統(tǒng)能耗相對較高，2017 年12 月2 日由第三方節(jié)能公司投資，對商場的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)，改造方案僅增加一臺(tái)與原冷水機(jī)組相同容量的磁懸浮制冷機(jī)，與原有兩臺(tái)主機(jī)并聯(lián)，通過閥門切換實(shí)現(xiàn)3臺(tái)主機(jī)2用1備改造，工程于2017 年12 月22 日完成。節(jié)能技改項(xiàng)目說明見表4。

2.4 改造結(jié)果

空調(diào)系統(tǒng)改造完成后即投入使用。按改造設(shè)計(jì)方案，為充分發(fā)揮磁懸浮冷水機(jī)組能效高的特點(diǎn)，全年均優(yōu)先使用磁懸浮制冷機(jī)供冷，夏季空調(diào)高峰時(shí)段全開1 臺(tái)原冷水機(jī)組，由新增的磁懸浮空調(diào)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。經(jīng)過一年實(shí)際運(yùn)行，由上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院出具節(jié)能量審核報(bào)告，結(jié)果見表5。

表4 節(jié)能技改項(xiàng)目說明

表5 項(xiàng)目審核節(jié)能量對比表

改造方案預(yù)計(jì)的節(jié)能總量為53.03 萬kWh，審核的實(shí)際綜合節(jié)能總量為69.36 萬kWh，預(yù)計(jì)的節(jié)能量與實(shí)際的綜合節(jié)能量存在一定的偏差。產(chǎn)生偏差的主要原因：預(yù)計(jì)的節(jié)能量是根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行的模擬估算，計(jì)算取值偏保守，尤其是磁懸浮機(jī)組在部分時(shí)段的COP值，在廠家提供的數(shù)據(jù)上進(jìn)行了縮小，而審核節(jié)能量是根據(jù)商場計(jì)量電表改造前后實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

上述節(jié)能率計(jì)算的基數(shù)包含主機(jī)、水泵和冷卻塔的機(jī)房能耗，而水泵和冷卻塔均未做更改，因此可認(rèn)為全部的節(jié)能量均是由更換的磁懸浮主機(jī)所產(chǎn)生。考慮水泵、冷卻塔的耗電占總耗電的20%～25%，若去除其余耗電，則本項(xiàng)目磁懸浮制冷機(jī)的單項(xiàng)節(jié)能率大于35%。

3 項(xiàng)目總結(jié)分析

3.1 案例相同點(diǎn)

本文所介紹的三個(gè)改造案例均為百貨商場，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間都為10:00～22:00，周末及節(jié)假日根據(jù)實(shí)際需求會(huì)適當(dāng)延長。因商場內(nèi)區(qū)較大，內(nèi)熱源較多，基本全年無采暖需求，而空調(diào)使用時(shí)間均有8～10個(gè)月甚至更長，空調(diào)能耗普遍較高。

在所列的改造方案中，均是采用磁懸浮主機(jī)替代原普通離心式冷水機(jī)組。更換的磁懸浮制冷機(jī)容量與被更換機(jī)組容量基本相當(dāng)。磁懸浮機(jī)組的供冷量占總需冷負(fù)荷需求的50%～100%（按實(shí)際開啟機(jī)組計(jì)算）。無論是在高峰負(fù)荷還是在部分負(fù)荷時(shí)段，均優(yōu)先使用磁懸浮機(jī)組供冷。

圖2為改造前后空調(diào)系統(tǒng)的逐月用電對比分布圖。由圖2 可見，磁懸浮制冷機(jī)不僅滿負(fù)荷時(shí)能效較高，在部分負(fù)荷時(shí)段，其適應(yīng)能力更強(qiáng)，通過一年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，也充分驗(yàn)證了改造方案選擇的正確性以及磁懸浮制冷機(jī)的節(jié)能性。

圖2 改造前后空調(diào)系統(tǒng)能耗對比分布圖

3.2 磁懸浮空調(diào)適用于百貨商場的特點(diǎn)分析

3.2.1 磁懸浮制冷機(jī)特點(diǎn)

據(jù)通用資料［2］顯示，磁懸浮主機(jī)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1）磁懸浮制冷機(jī)和普通離心機(jī)相比，因制冷劑中不含潤滑油，可有效提升機(jī)組能效8%以上。

2）因機(jī)組完全無油，沒有機(jī)械摩擦，比常規(guī)軸承更持久耐用，機(jī)組的預(yù)期運(yùn)行壽命更長，可達(dá)30 年。

3）機(jī)組啟動(dòng)前不需要預(yù)熱。沒有油路系統(tǒng)，其可靠性更高，機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定。

4）機(jī)組的振動(dòng)和噪音比普通離心機(jī)更小。

5）磁懸浮制冷機(jī)均為變頻調(diào)節(jié)，啟動(dòng)電流僅為2A。負(fù)荷調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，出水溫度控制更加精確。

6）磁懸浮機(jī)組的IPLV 標(biāo)稱值都在10 以上，即在部分負(fù)荷時(shí)使用更節(jié)能。

正因?yàn)榇艖腋≈评錂C(jī)有上述性能特點(diǎn)，對于負(fù)荷波動(dòng)大、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長、全年空調(diào)使用時(shí)間較長、能耗較高的大型綜合百貨商場，選用磁懸浮制冷機(jī)更加適合。

3.2.2 磁懸浮制冷機(jī)的經(jīng)濟(jì)性分析

磁懸浮制冷機(jī)投資成本由于比普通離心機(jī)和螺桿機(jī)高，在機(jī)組選配時(shí)需要綜合考慮初期投資與運(yùn)行費(fèi)用之間的平衡。因磁懸浮制冷機(jī)為全無油運(yùn)行，省卻了普通離心機(jī)螺桿機(jī)復(fù)雜的潤滑系統(tǒng)，因此免除了每年更換潤滑油的維護(hù)成本。從本文的三個(gè)改造案例看，節(jié)能改造的靜態(tài)投資回收期平均小于5 年，如果去除水泵冷卻塔管道等改造費(fèi)用及運(yùn)行時(shí)年維護(hù)費(fèi)用的減少，則實(shí)際的投資回收期可控制在4 年以內(nèi)。本案例皆為改造項(xiàng)目，如果是新建項(xiàng)目，僅計(jì)算磁懸浮制冷機(jī)的增量投資，則回收期可控制在2～3年。

3.2.3 不同型式的磁懸浮機(jī)組對比分析

本文三個(gè)案例的節(jié)能改造共采用了4臺(tái)磁懸浮制冷機(jī)。其機(jī)組形式有目前市場主流的以DANFOSS 壓縮機(jī)為主的多機(jī)頭串聯(lián)/并聯(lián)機(jī)組，也有企業(yè)自主研發(fā)的單機(jī)頭機(jī)組。不同的機(jī)組形式，機(jī)組結(jié)構(gòu)和性能稍有不同，使用上也需結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需要進(jìn)行形式選擇。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際案例以及設(shè)備供應(yīng)商提供的資料，對兩種形式的機(jī)組做對比分析，見表6。

4 結(jié)論和建議

本文通過三個(gè)實(shí)際改造案例分析，磁懸浮制冷機(jī)在百貨商場空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造中具有較好的節(jié)能效果。改造的投資回收期可控，經(jīng)濟(jì)性較好。即使是新建項(xiàng)目，在允許適當(dāng)增加初期投資的情況下，空調(diào)主機(jī)也可以適當(dāng)選配磁懸浮形式，可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

在選用磁懸浮制冷機(jī)和節(jié)能量計(jì)算時(shí)，需注意以下幾方面。

1)磁懸浮空調(diào)制冷機(jī)對冷卻水的溫度和水量要求較高，設(shè)計(jì)師及用戶應(yīng)引起足夠重視。

2)磁懸浮制冷機(jī)的能效（IPLV）在機(jī)組負(fù)荷的30%～70%之間時(shí)最高，如果機(jī)組完全為滿負(fù)荷運(yùn)行，則節(jié)能量有限。

3)本項(xiàng)目三個(gè)案例的年節(jié)能量計(jì)算均為靜態(tài)值，即僅考慮了改造前后空調(diào)系統(tǒng)直接電量消耗的差值，尚未考慮改造前后氣候變化、商場人流量以及部分商鋪經(jīng)營性質(zhì)改變引起冷負(fù)荷變化等影響因素。以上因素也是空調(diào)系統(tǒng)改造采用合同能源管理模式的主要難點(diǎn)之一。如何通過一系列切實(shí)可行的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或修正公式調(diào)整節(jié)能量，最大化減少外界因素的影響，保證節(jié)能量客觀公正，維護(hù)合同能源管理雙方的利益，是需要管理者及暖通行業(yè)同仁不斷探討和深入研究的課題。

表6 兩種形式機(jī)組對比分析