磁懸浮離心機組在住宅集中THIC 系統的應用分析

楊冰

北京金茂綠建科技有限公司

溫濕度獨立控制（以下簡稱THIC）空調系統的熱舒適性較高，而且系統顯熱末端在夏季可以使用高溫冷水控制室內溫度，從而使得冷源總體性能系數提高[1]，節能性優于常規系統，因此很多以高舒適度為賣點的高端住宅采用了THIC 系統。但是，住宅集中THIC 系統存在運行時間久、部分負荷工況多、維修更換不便、運維費用敏感、運行工況特殊等特性，還需要進一步優化主機配置、降低能耗、提升經濟性。隨著制冷技術的發展，磁懸浮變頻離心機作為高效冷熱源得到越來越多的關注和應用，本文擬結合磁懸浮變頻離心機的特性以及實例進行分析，探討其在住宅集中THIC 系統中的應用可行性。

1 住宅集中THIC 系統

住宅集中THIC 系統的冷熱源形式一般為地源熱泵+燃氣鍋爐+單冷機組+冷卻塔，戶內末端采用毛細管席或結構埋管輻射空調系統，通過集中調濕新風機組來調節室內的濕度。此類系統在運行方面有如下特點：

1）全年運行時間長。為了保障項目舒適度品質，住宅集中THIC 系統一般是冬夏季全天24 h 連續運行，在夏熱冬冷和寒冷地區的一些項目全年運行時間達到了10 個月，合計約7200 h/年。相比之下，同地區的寫字樓及商業的空調運行季一般為8 個月，全天運行時間不超過16 h，合計約3840 h/年。對比看出，住宅集中THIC 系統的運行時間比公共建筑長80%以上，意味著同樣的冷熱源主機在住宅項目上的運行壽命年限會大大減少。

2）部分負荷工況多。選取北京及杭州的THIC 住宅項目進行全年冷熱負荷分析，其負荷時間頻數曲線見圖1 和圖2。從圖中看出，以北京為代表的寒冷地區項目供冷工況負荷率絕大部分低于60%，供熱工況基本都在80%以下。杭州所代表的夏熱冬冷地區項目供冷及供熱負荷率基本不大于60%。因此，系統主機規格搭配及主機性能均應考慮在部分負荷工況下能達到較高的運行能效。

圖1 北京項目負荷時間頻數曲線

圖2 杭州項目負荷時間頻數曲線

3）維修更換不便。住宅項目的能源機房基本都在地庫，為了減少車位占用，提高項目貨值，機房設計一般都比較緊湊。同時，較大的設備維修或者更換費用支出需要取得業主委員會的同意，并且還要經過房產行政部門或相應管理部門的備案與審核，手續較為繁瑣。基于以上考慮，系統在實際運行中應盡量避免較大的維修更換工作。所以，住宅集中THIC 系統對主機的設備品質及運行壽命要求較高。

4）運維費用敏感。住宅項目的運維收費標準剛性較強，一般在前期銷售階段確定之后很難在后期調整增加，否則易引起業主的投訴和拒繳。但是，實際運行中常規冷機的換熱性能會逐年衰減，故障維修次數越來越多，后期運行能耗費用和維護費用相應增加。在成本增加、收費標準不變的條件下，需要從設計源頭提升系統能效，降低系統全壽命周期的成本，盡量減少機組設備的維修及更換次數。

5）運行工況特殊。住宅THIC 系統采用輻射空調系統作為顯熱末端，需要提供夏季高溫冷水和冬季低溫熱水，例如毛細管網系統水溫為夏季17 ℃/20 ℃、冬季35 ℃/30 ℃，結構埋管系統水溫為夏季18 ℃/20 ℃、冬季為28 ℃/26 ℃。為了充分發揮系統節能特性，熱泵主機應能較好適應高溫水供冷、低溫水供熱的運行工況，尤其是在過渡季蒸發器與冷凝器壓差比較小的情況下。由于常規冷機按高溫水工況運行時的COP 增幅不大[2]，所以建議配置專用的高溫冷水機組。

綜上所述，住宅集中THIC 系統需要搭配運行壽命長、換熱效率衰減少、維護費用較低、適應高溫水工況的冷熱源主機，才能更好地提升系統能效，保障系統運行品質。

2 磁懸浮變頻離心機

磁懸浮是指利用磁力使物體處于無接觸懸浮狀態，磁懸浮離心機與普通離心機最大的區別是使用了磁懸浮軸承，機組運行時壓縮機葉輪和軸承處于懸浮狀態，因此機組不需要潤滑油就可以工作。基于這個核心優勢，磁懸浮變頻離心機有如下優點：

1）運行壽命較長。磁懸浮機組沒有機械摩擦損耗，可持久運行。根據廠家資料，磁懸浮離心壓縮機的使用壽命長達25～30 年，而常規冷機的使用壽命約為15～20 年。因此，按50 年的建筑壽命考慮，磁懸浮機組只需要更換一次，而常規冷機則需要更換2～3 次。

2）性能持續高效。常規壓縮機系統中潤滑油系統在長時間運行后會在系統中積油，而含油量較多時會增加功耗、降低制冷量[3]。磁懸浮機組是無油運行，不會因為換熱器積油影響傳熱，保持機組性能持續高效。

3）維護費用降低。磁懸浮機組運動部件少，沒有復雜的油路系統、油冷卻系統，減少了潤滑油更換、過濾清洗、油路保養等冷機維護內容，能減少運維人員工作量，有效降低日常維護費用。

4）適應工況范圍寬。磁懸浮機組不使用任何潤滑油，所以沒有回油壓差限制，適用于數據中心及THIC系統的高溫冷水工況需求。而且，磁懸浮機組的冷水出水溫度從3～18 ℃都有很高的COP，冷水溫差3～10 ℃的COP 變化很小[4]。

5）部分負荷效率高。磁懸浮機組集成了變頻調速技術，使壓縮機在部分負荷下可以變速運行，保持高效壓縮[5]。根據廠家提供的數據，本文對350RT 的磁懸浮機組和高效定頻螺桿機組進行了不同冷卻水溫及定冷卻水溫（地源工況）下的不同負荷率能效對比，詳見圖3、圖4。從圖中看出，僅對比滿負荷運行時的效率，磁懸浮冷機的性能略低于高效定頻螺桿機。但是在部分負荷運行時，磁懸浮冷水機組就凸顯出色的能效。即使是和變頻螺桿機及常規變頻離心機相比，由于不受回油壓差的影響，磁懸浮機組在50%負荷率以下的COP 也大大高于常規變頻機組[6]。

圖3 不同冷卻水溫，不同負荷率能效對比

圖4 定冷卻水溫，不同負荷率能效對比

通過以上分析，可以看出磁懸浮變頻離心機組能夠匹配住宅集中THIC 系統對冷熱源的要求，充分發揮二者優勢，具備良好的技術應用前景。在實際應用中，當代地產在北京萬國城MOMA 住宅的集中THIC系統中將調峰冷機改為磁懸浮機組，節能的效果較為明顯。

但是，磁懸浮變頻離心機目前也存在壓縮機規格偏小、成本較高的不足。現有主流磁懸浮壓縮機還是以小型離心壓縮機為主，大冷量機組則需要安裝多臺壓縮機，大大增加了機組成本。雖然目前有少數公司已經推出大冷量的磁懸浮離心式壓縮機，但是應用較多的還是中等制冷量的產品。因此，對于裝機容量較大的項目，建議采用常規機組和磁懸浮機組搭配的方式，進行投資回收期分析，實現系統節能和降低造價的平衡。

3 實例分析

3.1 項目概況

南京某住宅項目采用集中THIC 系統，地上建筑面積約9 萬m2。通過DeST-h 軟件對項目建模計算，得到全年逐時負荷曲線（圖5），其中夏季最大冷負荷為5383 kW，冬季最大熱負荷為3429 kW。從負荷時間頻數曲線（圖6）看出，本項目90%的運行時段的負荷率不超過80%，夏季還有28%的運行時段冷負荷率低于10%。

圖5 南京項目全年逐時負荷曲線

圖6 南京項目負荷時間頻數曲線

3.2 冷熱源方案分析

根據項目負荷及地源井系統情況，該項目的冷熱源系統配置為2 臺地源熱泵+1 臺單冷機組+1 臺燃氣鍋爐，具體規格如表1 所示：

表1 冷熱源規格配置表

為了分析磁懸浮機組的應用可行性和經濟性，可以結合全年逐時負荷以及廠家提供的主機負荷性能曲線進行能耗費用測算。由于住宅項目的全年運行時間較長，能耗費的節省較為明顯，通過對兩種磁懸浮主機搭配方案和常規方案對比（表2），可以看出磁懸浮機組方案的靜態回收期均小于5 年，具有較好的經濟性。另外，從表2 可以看出，方案3 雖然比方案2 多配置了一臺磁懸浮主機，但是能耗費用并沒有同比例下降，因此對于成本費用較為敏感的項目可以磁懸浮機組+常規機組的方式進行搭配。

表2 冷熱源方案比較表

4 結語

磁懸浮離心機組是一種高效的節能設備，具有壽命長、能效高、維護少等優點，可以較好地滿足住宅集中THIC 系統對冷熱源主機的性能要求。通過項目實例分析，可以看出雖然磁懸浮離心機組投資成本較高，但是運行能耗費用及維護費用的節省較為明顯，因此回收期較短，具備良好的全壽命周期經濟性。隨著磁懸浮壓縮機核心技術的國產化，機組成本進一步降低，相信磁懸浮離心機組今后會在越來越多的建筑中發揮更大的節能效益。