磁懸浮制冷機在百貨商場空調系統節能改造中的應用分析

溫彩霞 范宜斌 張云峰 黃順源

上海國瑞同順節能環保技術發展有限公司

0 工程概況

磁懸浮制冷機作為一種新型的空調主機，其創新性和節能型為暖通行業帶來了一個新氣象。從幾年前僅幾個生產廠家到如今諸多品牌，其發展速度得到了全行業的關注。據《機電信息·中央空調市場》[1]最新數據顯示，2019 年上半年磁懸浮中央空調市場增幅達到43.70%，遠超冷水機組的平均增幅。隨著生產廠家對產品的不斷優化更新、市場應用案例逐步增加以及為適應市場需求機組經濟性的不斷提高，磁懸浮制冷機為設計師以及廣大用戶提供了一個新的選擇。本文通過三個磁懸浮制冷機在百貨商場空調節能改造中的實際應用案例，分析總結了磁懸浮制冷機的應用特點、適用場合、節能性及經濟性。

三個項目案例基本情況見表1。

2 改造案例特點及分析

因三個改造項目中案例3 僅改造了空調主機，空調系統中的水泵冷卻塔均利用原有設備，系統相對簡單，節能量直觀，便于突出磁懸浮制冷制冷機的節能改造效果，因此以案例3 為對象對其進行分析。

2.1 建筑及空調概況

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 ㎡，空調面積約3.04萬㎡。

空調機房設置在建筑地下一層，2007 年空調系統投入運行，相關設備均為2006 年生產及安裝。商場營業時間為每天10:00～22:00，周末一般延長半小時。根據物業記錄，空調總開啟時間全年超過300 天，夏季兩臺主機同時開啟的時間約為3個月，其余時間一般開一臺主機即可滿足商場冷負荷需求。因地處福州，商場無采暖需求。

空調系統包含2 臺離心式冷水機組，5 臺冷卻水泵，5 臺冷凍水泵，2 組冷卻塔，設備參數見表2。

表1 磁懸浮制冷機案例

表2 空調系統配置表

2.2 空調系統改造前能耗及特點

按商場提供的數據，該空調系統有獨立計量電表。改造前空調系統（主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔）全年能耗見表3，電費單價平均0.9元/kWh。

表3 改造前空調系統用電量表

空調系統在一個完整年度內的逐月用電量見圖1。

從空調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荷需求，但空調的使用有明顯的季節性特征。每年夏季7、8、9月份氣溫最高時為空調的使用高峰，用電量最大，隨著氣溫的下降，空調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時期，商場活動較多，人流量較大，也有較大的冷負荷需求。在每年的2月與3月空調系統才有部分停機時間，做例行的維保或檢修。

圖1 空調系統逐月用電量

2.3 改造方案

因空調系統能耗相對較高，2017 年12 月2 日由第三方節能公司投資，對商場的空調系統進行節能改造。綜合技術經濟，改造方案僅增加一臺與原冷水機組相同容量的磁懸浮制冷機，與原有兩臺主機并聯，通過閥門切換實現3臺主機2用1備改造，工程于2017 年12 月22 日完成。節能技改項目說明見表4。

2.4 改造結果

空調系統改造完成后即投入使用。按改造設計方案，為充分發揮磁懸浮冷水機組能效高的特點，全年均優先使用磁懸浮制冷機供冷，夏季空調高峰時段全開1 臺原冷水機組，由新增的磁懸浮空調進行負荷調節。經過一年實際運行，由上海市計量測試技術研究院出具節能量審核報告，結果見表5。

表4 節能技改項目說明

表5 項目審核節能量對比表

改造方案預計的節能總量為53.03 萬kWh，審核的實際綜合節能總量為69.36 萬kWh，預計的節能量與實際的綜合節能量存在一定的偏差。產生偏差的主要原因：預計的節能量是根據空調系統運行情況進行的模擬估算，計算取值偏保守，尤其是磁懸浮機組在部分時段的COP值，在廠家提供的數據上進行了縮小，而審核節能量是根據商場計量電表改造前后實測數據進行計算。

上述節能率計算的基數包含主機、水泵和冷卻塔的機房能耗，而水泵和冷卻塔均未做更改，因此可認為全部的節能量均是由更換的磁懸浮主機所產生。考慮水泵、冷卻塔的耗電占總耗電的20%～25%，若去除其余耗電，則本項目磁懸浮制冷機的單項節能率大于35%。

3 項目總結分析

3.1 案例相同點

本文所介紹的三個改造案例均為百貨商場，空調運行時間都為10:00～22:00，周末及節假日根據實際需求會適當延長。因商場內區較大，內熱源較多，基本全年無采暖需求，而空調使用時間均有8～10個月甚至更長，空調能耗普遍較高。

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

圖2為改造前后空調系統的逐月用電對比分布圖。由圖2 可見，磁懸浮制冷機不僅滿負荷時能效較高，在部分負荷時段，其適應能力更強，通過一年實際運行數據，也充分驗證了改造方案選擇的正確性以及磁懸浮制冷機的節能性。

圖2 改造前后空調系統能耗對比分布圖

3.2 磁懸浮空調適用于百貨商場的特點分析

3.2.1 磁懸浮制冷機特點

據通用資料［2］顯示，磁懸浮主機有以下幾個特點。

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

2）因機組完全無油，沒有機械摩擦，比常規軸承更持久耐用，機組的預期運行壽命更長，可達30 年。

3）機組啟動前不需要預熱。沒有油路系統，其可靠性更高，機組運行更加穩定。

4）機組的振動和噪音比普通離心機更小。

5）磁懸浮制冷機均為變頻調節，啟動電流僅為2A。負荷調節能力更強，出水溫度控制更加精確。

6）磁懸浮機組的IPLV 標稱值都在10 以上，即在部分負荷時使用更節能。

正因為磁懸浮制冷機有上述性能特點，對于負荷波動大、低負荷運行時間長、全年空調使用時間較長、能耗較高的大型綜合百貨商場，選用磁懸浮制冷機更加適合。

3.2.2 磁懸浮制冷機的經濟性分析

磁懸浮制冷機投資成本由于比普通離心機和螺桿機高，在機組選配時需要綜合考慮初期投資與運行費用之間的平衡。因磁懸浮制冷機為全無油運行，省卻了普通離心機螺桿機復雜的潤滑系統，因此免除了每年更換潤滑油的維護成本。從本文的三個改造案例看，節能改造的靜態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用及運行時年維護費用的減少，則實際的投資回收期可控制在4 年以內。本案例皆為改造項目，如果是新建項目，僅計算磁懸浮制冷機的增量投資，則回收期可控制在2～3年。

3.2.3 不同型式的磁懸浮機組對比分析

本文三個案例的節能改造共采用了4臺磁懸浮制冷機。其機組形式有目前市場主流的以DANFOSS 壓縮機為主的多機頭串聯/并聯機組，也有企業自主研發的單機頭機組。不同的機組形式，機組結構和性能稍有不同，使用上也需結合項目的實際需要進行形式選擇。本文結合項目實際案例以及設備供應商提供的資料，對兩種形式的機組做對比分析，見表6。

4 結論和建議

本文通過三個實際改造案例分析，磁懸浮制冷機在百貨商場空調系統的節能改造中具有較好的節能效果。改造的投資回收期可控，經濟性較好。即使是新建項目，在允許適當增加初期投資的情況下，空調主機也可以適當選配磁懸浮形式，可節約運行費用和維護保養費用。

在選用磁懸浮制冷機和節能量計算時，需注意以下幾方面。

1)磁懸浮空調制冷機對冷卻水的溫度和水量要求較高，設計師及用戶應引起足夠重視。

2)磁懸浮制冷機的能效（IPLV）在機組負荷的30%～70%之間時最高，如果機組完全為滿負荷運行，則節能量有限。

3)本項目三個案例的年節能量計算均為靜態值，即僅考慮了改造前后空調系統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營性質改變引起冷負荷變化等影響因素。以上因素也是空調系統改造采用合同能源管理模式的主要難點之一。如何通過一系列切實可行的經驗數據或修正公式調整節能量，最大化減少外界因素的影響，保證節能量客觀公正，維護合同能源管理雙方的利益，是需要管理者及暖通行業同仁不斷探討和深入研究的課題。

表6 兩種形式機組對比分析