论磁悬浮离心式冷水机组在地铁通风空调中的应用前景

论磁悬浮离心式冷水机组在地铁通风空调中的应用前景

谢鹏

中铁城市发展投资集团有限公司四川成都610218

摘要：长期以来，地铁通风空调的高能耗给地铁运营带来了负担，降低地铁通风空调系统能耗已是大势所趋，而选用高效的冷水机组是地铁通风空调系统节能减排的最基础的途径。本文介绍了一种新型的磁悬浮离心式冷水机组，简要分析了磁悬浮离心式冷水机组的优缺点，并与传统地铁通风空调系统采用的螺杆式冷水机组进行了运行经济性对比以及磁悬浮离心式冷水机组目前在地铁上的运用，最后对磁悬浮离心式冷水机组在今后在地铁上的应用前景进行了展望。

关键词：地铁通风空调；能耗；节能减排；磁悬浮离心式冷水机组；应用前景

引言

地铁通风空调系统能耗占地铁车站总能耗的30%~50%，如何降低地铁通风空调系统能耗一直是一个研究热点。降低空调能耗可以从多方面来执行，而降低设备本身能耗或者说提高设备的能效比是最基础的一步，磁悬浮冷水机组正是满足国家有关节能降耗、环保等政策的新型冷水机组，与传统螺杆式冷水机组对比，具有无油路故障、噪声低、部分负荷时有超高的性能系数、节能环保等特点。本文将介绍磁悬浮离心式冷水机组的原理、优缺点、运行经济性和在地铁上的应用，进一步说明磁悬浮离心式冷水机组将在地铁通风空调上有良好的应用前景。

1磁悬浮离心式冷水机组介绍

磁悬浮离心式冷水机组的核心在于磁悬浮压缩机，而磁悬浮压缩机的核心在于磁悬浮轴承。磁悬浮轴承技术是国际上20世纪60年代中期开始研究的一项支撑技术。它是利用电磁力使转轴稳定悬浮起来的一种新型轴承，与传统轴承相比，磁悬浮轴承不存在机械摩擦，具有机械磨损小、噪音小、寿命长、无需润滑油、无油污染等优点。

磁悬浮离心式冷水机组是一种高效率的机组，使用的制冷剂为R134a环保冷媒，它使用到的是磁悬浮无油离心式压缩机，是一种两级压缩机械循环的压缩机，在第一级压缩机腔和第二级压缩机腔之间，具有一个中间吸气接口，它可以吸入一股中间压力的制冷剂，实现经济器循环。以此为基础，采用了经济器制冷循环，在蒸发器和冷凝器之间安装一个经济器，经冷凝器冷凝过的液体冷媒被分成两个回路，一个回路的冷媒通过一个膨胀阀节流后，在经济器中对另外一个回路多的液体冷媒进行再冷却，提高将要进入蒸发器的这部分冷媒的过冷度，而膨胀阀节流的冷媒在经济器内完全蒸发后，由压缩机中间吸气口回到压缩机。经济器循环可以在几乎不增加压缩机功率的情况下，提高机组的制冷量，使机组达到更高的效率。

2磁悬浮离心式冷水机组优缺点

磁悬浮变频离心式冷水机组集磁悬浮无油运转技术、变频驱动技术、高效的满液式蒸发器、智能数字控制技术于一体，磁悬浮冷水机组的COP能达到7，而传统机组的COP只能达到5~6。磁悬浮机组与传统螺杆机组的对比见表1：

表1磁悬浮机组与传统螺杆机组对比

2.1磁悬浮离心式冷水机组的优点

2.1.1摩擦小，能量输出效率高

通过电磁力使轴与轴承之间不接触，这样轴与轴承之间仅有气流摩擦，而无机械摩擦。气流摩擦的能量损失仅为机械摩擦的2%，大大提高了磁悬浮压缩机的能量输出效率，可高达94.5%。

2.1.2压缩机无油运行，不存在因润滑油导致制冷量降低的不利影响

传统的螺杆机、离心机的轴与轴承之间存在机械摩擦，必须使用润滑油保证机组安全运行。润滑油回收效率最高可以达到96.5%，其余至少3.5%的润滑油会随制冷剂进入制冷循环，而润滑油附着在换热管表面会影响制冷剂与水之间换热，导致能效比每年3%~8%的衰减，磁悬浮压缩机完全避免了这一缺陷。

2.1.3极低的启动电流

传统螺杆式机组压缩机的启动电流需要200~600A，而磁悬浮压缩机仅2A启动电流，对电网无冲击，压缩机内置软启动器和变频器，无需增加启动柜，节省机组启动柜费用及安装空间。

2.1.4振动小、噪音低

相比传统离心式冷水机组运行噪音约88dB（A），传统螺杆式冷水机组运行噪音约81~84dB（A），磁悬浮离心式冷水机组的运动部件完全悬浮，无摩擦运行，结构振动接近于0，运行噪音仅70dB（A），无需安装减振配件和隔音机房，降低地铁的安装和降噪成本。

2.1.5节能高效，超低运行费用

磁悬浮变频离心式冷水机组的节能性主要体现在部分负荷时的高能效比，常用综合部分负荷性能系数IPLV来衡量，综合能效比最高达13.18，以一般空调系统全年运行统计，比其他冷水机组节电率高达35%~50%。

2.1.6自由式容量调节

在冷凝温度下降或负荷下降的情况下，降低压缩机的转速，实现10%~110%的宽负荷范围内冷量输出。对于大小系统冷负荷相差较大的车站，无需为小系统单设冷机，简化系统设计，并节约机房空间。

2.1.7结构紧凑、占地面积小

磁悬浮离心式冷水机组高转速带来的好处是叶轮直径可减小至5~8cm。磁悬浮压缩机的体积与重量仅为相同冷量螺杆式压缩机的20%左右，节省占地面积，也使吊装更为方便，尤其适用于需更换机组的改造项目。

2.1.8维护成本低、使用寿命长

磁悬浮冷水机组系统运动部件少，无油路系统、油冷却系统、油过滤器等，无需换油，只需要做蒸发器、冷凝器水垢处理清洗，节省维护费用（整个生命周期节省20~40万元），整体机械摩擦只有传统机组的0.2%，机组使用寿命是传统机组的2倍。

2.2磁悬浮离心式冷水机组的缺点

2.2.1价格高，初期投资大

磁悬浮离心式冷水机组价格约比同冷量普通螺杆机多25%-40%。

2.2.2满负荷效率和传统螺杆机相差不大

磁悬浮离心式冷水机组在部分负荷运行条件下，COP远高于传统螺杆机，但满负荷运行条件下，效率和传统螺杆机相差不大。

2.2.3运营单位顾虑重重

运营单位已经熟悉了传统螺杆式冷水机组的维护保养，而地铁属于公共交通，如冷水机组一旦出现问题，导致乘客投诉，对运营人员的处罚力度大，故运营人员对采用新型冷水机组的顾虑大。

3运行经济性比较

3.1机组选型

现以一个地铁站分别采用变频螺杆冷水机组、磁悬浮离心式螺杆机组为例，进行方案经济性比较分析，机组选型配置见表2。

表2机组选型表

3.2方案经济性对比分析

3.2.1经济分析说明

（1）制冷季按184天，每天运行15小时。（2）本次比较对2台变频螺杆冷水机组、2台磁悬浮离心式冷水机组进行能耗计算，其余水泵、冷却塔等的能耗不予计算。

3.2.2全年空调冷负荷计算

根据ARI（美国制冷学会）发布的空调负荷全年分布统计可知空调系统冷源的设计值，是在最不利条件时的保证负荷量，而在地铁实际使用时由于气温、人流量、使用率等因素，绝大部分时间是运行在70%负荷以下的，达到100%负荷的运行小时数极短（表3所示）。

表3空调负荷全年分布表

全年空调冷负荷计算以ARI统计的空调全年分布数据为依据，统计表见表4。

表4空调负荷全年统计表

3.2.3投资经济性分析

（1）参照厂商提供的相关参数，该型号磁悬浮冷水机组的IPLV为10.0，该型号变频螺杆机组的IPLV为7.5。参照厂商提供的相关数据，单台该型号磁悬浮冷水机组的初投资为75万元，单台该型号变频螺杆机组的初投资为50万元。

（2）电价：按0.7元/度计。

（3）冷水机组全年所耗功率N=全年总负荷kW/该机组的IPLV值。

（4）磁悬浮冷水机组节省启动柜费用按1万元计。

（5）磁悬浮冷水机组节省机房面积按20㎡计，每㎡建筑概算按8000元计。

（6）年设备维护费螺杆式冷水机组按初投资的4%计，磁悬浮冷水机组按初投资1%计。

（7）冷水机组的使用寿命按20年计。投资经济性分析对比表如表5所示：

表5投资经济性分析对比表

根据表5分析所示，虽然磁悬浮冷水机组的初投资较高，但能效高和维护成本低，磁悬浮冷水机组相对变频螺杆机组的静态投资回收期只有（134-101）/（45.09-33.82）=2.36年，以冷水机组的寿命20年计，使用磁悬浮冷水机组，寿命期内可节省费用高达279.45万元，节能性和经济性均很客观。

4磁悬浮离心式冷水机组在地铁中的应用

地铁空调系统特点主要表现在以下几个方面：人员密度大，负荷较大，电费占运营成本比例大（在30%~50%之间）；不同时间段客流波动大，负荷变化大；按远期负荷设计，初期和近期空调负荷远小于设计负荷（满负荷）；公共区、人员房间和设备管理房间对空调使用时间差异较大。由此可见，磁悬浮变频离心式冷水机组部分负荷时卓越的能效比的特点，特别适合于地铁的空调系统。磁悬浮冷水机组在地铁空调系统的应用主要有2个方案，见表6。

表6磁悬浮冷水机组在地铁空调系统的应用方案分析

磁悬浮冷水机组在国内商业建筑中已获得较多的应用，如深圳招商地产总部、北京世贸工三城市综合体、武汉辛亥革命博物馆、佛山岭南天地、湖北华新房地产总部大楼、郑州凯芙建国酒店等等。而磁悬浮冷水机组目前在国内地铁上应用相对较少，主要用在既有线改造项目或新线个别车站（见表7），主要原因为地铁为政府投资运营项目，初期投资高，运营顾虑大。

表7磁悬浮冷水机组在地铁上的部分应用案例

5结束语

在节能环保、技术创新成为大势所趋的时代背景下，磁悬浮离心式冷水机组在节能、环保、性能、维护保养等方面都有较大的优势。加上越来越多的应用案例出现，磁悬浮离心式冷水机组的各项优势均得以体现，相信在不久的将来，随着磁悬浮技术的发展、成本的降低，磁悬浮冷水机组将取代传统螺杆式冷水机组，在地铁行业将会应用越来越广泛。

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