摘要

　　回顧了我國(guó)離心式制冷機(jī)組市場(chǎng)，特別是國(guó)內(nèi)自主品牌的發(fā)展歷程?？偨Y(jié)了近20年來(lái)離心式制冷機(jī)組主要能效提升技術(shù)的發(fā)展，包括永磁電動(dòng)機(jī)及變頻驅(qū)動(dòng)、磁/氣懸浮軸承、氣動(dòng)效率提升等。從中壓制冷劑、負(fù)壓制冷劑、自然工質(zhì)等不同路徑分析了環(huán)保制冷劑應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，展望了離心式制冷機(jī)組在光伏直驅(qū)空調(diào)系統(tǒng)、高溫?zé)岜玫阮I(lǐng)域的應(yīng)用前景。

 

　　關(guān)鍵詞

　　離心式制冷機(jī)組；變頻；磁懸?。荒苄?；環(huán)保制冷劑

 

　　作者

　　劉華1,2  張治平1,2  王 升1,2  周 宇1,2

　?。?.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.珠海格力電器股份有限公司）

 

　　1、概述

　　離心式制冷機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)離心機(jī)）具有單機(jī)冷量大、效率高、振動(dòng)小等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的不斷發(fā)展與完善，已經(jīng)成為大型制冷空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，在國(guó)防、核電、數(shù)據(jù)中心、交通樞紐、公共建筑等各類(lèi)場(chǎng)合的環(huán)境保障中發(fā)揮著不可或缺的作用。

 

　　近20年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展與制造工業(yè)水平的不斷提升，我國(guó)離心機(jī)市場(chǎng)與技術(shù)都取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。據(jù)日本《JARN》雜志統(tǒng)計(jì)，2020年世界冷水機(jī)組市場(chǎng)容量達(dá)到80.8億美元，中國(guó)是主要的冷水機(jī)組市場(chǎng)，占世界市場(chǎng)的30.8%。2019年我國(guó)離心機(jī)產(chǎn)量達(dá)到8 510臺(tái)，相比2000年的500臺(tái)左右增長(zhǎng)了近16倍，離心機(jī)生產(chǎn)廠家由原來(lái)少數(shù)幾家外資品牌發(fā)展到如今的幾十個(gè)廠家，中國(guó)已成為全球離心機(jī)最活躍、最重要的市場(chǎng)。在此期間，國(guó)內(nèi)品牌再啟航，在技術(shù)與市場(chǎng)上取得長(zhǎng)足發(fā)展，與外資品牌同臺(tái)競(jìng)技，呈現(xiàn)出多家爭(zhēng)鳴的良好局面。

 

　　在國(guó)家節(jié)能減排與低碳戰(zhàn)略推動(dòng)下，各離心機(jī)生產(chǎn)廠家圍繞如何提升離心機(jī)效率、新制冷劑替代等方向展開(kāi)研究，研發(fā)出離心機(jī)用高速永磁電動(dòng)機(jī)、磁/氣懸浮無(wú)油軸承等新型技術(shù)，多層面提升離心壓縮機(jī)效率，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)能效新的飛躍。第四代低GWP（全球增溫潛能值）制冷劑應(yīng)用研究也被提上日程，各生產(chǎn)廠家陸續(xù)推出替代產(chǎn)品。同時(shí)，隨著技術(shù)發(fā)展，離心機(jī)使用領(lǐng)域與場(chǎng)合也在不斷拓展，得到更廣泛應(yīng)用。

 

　　本文就近20年來(lái)我國(guó)離心機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)分析，供業(yè)界參考。

 

　　2、離心機(jī)市場(chǎng)總體發(fā)展

　　1922年美國(guó)開(kāi)利設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)整體離心機(jī)，開(kāi)啟了離心機(jī)應(yīng)用與發(fā)展的序幕。我國(guó)離心機(jī)發(fā)展大致可以分為自主、合資、競(jìng)爭(zhēng)3個(gè)階段。

 

　　20世紀(jì)50—70年代，為滿足紡織、化工等工業(yè)需求，我國(guó)開(kāi)始自主設(shè)計(jì)、制造離心機(jī)，生產(chǎn)廠家主要有上海第一冷凍機(jī)廠、重慶通用機(jī)器廠、北京冷凍機(jī)廠、大連冷凍機(jī)廠等。1958年，上海第一冷凍機(jī)廠研制了我國(guó)第一臺(tái)R11離心機(jī)，制冷量1 160 kW；1963年，重慶通用機(jī)器廠也試制成功空調(diào)用R11離心機(jī)，用于紡織廠；1976年起，我國(guó)相關(guān)制造廠家共同設(shè)計(jì)了使用R12的離心機(jī)，并試制成功。在此期間，離心機(jī)使用的制冷劑主要為R11、R12和氨，生產(chǎn)規(guī)模較小，產(chǎn)品一般為訂制。

 

　　20世紀(jì)80—90年代，隨著改革開(kāi)放的深入，世界知名制冷廠家先后以合資或獨(dú)資的方式進(jìn)入我國(guó)，成為我國(guó)離心機(jī)生產(chǎn)主力軍，離心機(jī)種類(lèi)和質(zhì)量水平都有了質(zhì)的提升。開(kāi)利是第一家進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的國(guó)外品牌，1987年與上海第一冷凍機(jī)廠成立第一家合資公司；緊隨其后，特靈、蘇爾壽、麥克維爾、約克等相繼與國(guó)內(nèi)冷凍機(jī)生產(chǎn)廠家合資建廠，重慶通用機(jī)器廠成為該階段僅存的國(guó)內(nèi)品牌。在此期間，離心機(jī)使用的制冷劑從R11、R12向R123、R134a發(fā)展，離心機(jī)技術(shù)主要為國(guó)外引進(jìn)，葉輪等關(guān)鍵零部件仍在國(guó)外研發(fā)制造。由于國(guó)外企業(yè)的技術(shù)保護(hù)，不對(duì)外單獨(dú)銷(xiāo)售離心壓縮機(jī)，美資品牌牢牢占據(jù)了中國(guó)離心機(jī)市場(chǎng)，市場(chǎng)占有率接近95%。

 

　　2000年至今，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，高層建筑、交通樞紐、會(huì)展中心、工業(yè)廠房等大型建筑以前所未有的速度展開(kāi)建設(shè)，離心機(jī)市場(chǎng)迎來(lái)了黃金20年，中國(guó)也一躍成為離心機(jī)消費(fèi)大國(guó)、生產(chǎn)大國(guó)。生產(chǎn)廠家從少數(shù)幾家合資企業(yè)增長(zhǎng)到幾十家，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)逐漸激烈。生產(chǎn)廠家主要包括：

 

　　1） 老牌的美資四大品牌（江森自控、麥克維爾、開(kāi)利、特靈），為增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，先后在中國(guó)建立研發(fā)中心，幾乎所有零部件都實(shí)現(xiàn)在中國(guó)制造。2） 格力、美的等家用空調(diào)企業(yè)作為國(guó)內(nèi)品牌新力量首先進(jìn)入離心機(jī)市場(chǎng)。其中，格力立足自主研發(fā)，逐步掌握了離心壓縮機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)制造技術(shù)，在2005年下線了公司首臺(tái)使用R134a的離心機(jī)。美的通過(guò)與重慶通用機(jī)械廠合資，于2004年成立重慶美的通用制冷設(shè)備有限公司，開(kāi)始生產(chǎn)離心機(jī)。3） 頓漢布什、三菱、日立、LG等外資品牌在中國(guó)投資建廠生產(chǎn)離心機(jī)，角逐中國(guó)市場(chǎng)。

 

　　4） 出現(xiàn)了丹佛斯、漢鐘等制造、銷(xiāo)售離心壓縮機(jī)的企業(yè)。由于不需要再研制離心壓縮機(jī)，國(guó)內(nèi)集中空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)紛紛加入離心機(jī)生產(chǎn)行列，包括海爾、捷豐、克萊門(mén)特、SMART等，生產(chǎn)廠家迅速拓展到20多家，成為離心機(jī)角逐新力量。由此拉開(kāi)了中國(guó)離心機(jī)“萬(wàn)類(lèi)霜天競(jìng)自由”的格局，市場(chǎng)從高度集中逐步走向了分散。

 

　　特別需要指出的是，在新一輪技術(shù)革新中，國(guó)內(nèi)自主品牌抓住了變頻化、無(wú)油化等新技術(shù)機(jī)遇，在永磁變頻等關(guān)鍵技術(shù)上從跟隨走向引領(lǐng)，無(wú)論是技術(shù)還是市場(chǎng)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。國(guó)內(nèi)品牌開(kāi)始應(yīng)用到人民大會(huì)堂、北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)、核電等重大工程，品牌影響力與日俱增。2020年國(guó)內(nèi)品牌的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比已達(dá)到19.4%，可以預(yù)見(jiàn)，這一比例還將持續(xù)增加。

 

　　3、離心機(jī)技術(shù)發(fā)展

　　縱觀離心機(jī)發(fā)展的歷程，可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)展主要圍繞能效提升、制冷劑替代2條主線進(jìn)行。離心機(jī)能效要求從無(wú)到有、從有到高效節(jié)能，現(xiàn)已成為離心機(jī)的核心指標(biāo)；而制冷劑發(fā)展與其他制冷機(jī)組幾乎相同，經(jīng)歷了可用、安全、零ODP（消耗臭氧潛能值）、低GWP 4個(gè)階段，目前正處于第四個(gè)階段。

 

　　3.1 離心機(jī)能效提升

　　影響離心機(jī)能效的因素很多，總的來(lái)講不外乎本體效率（葉輪等氣動(dòng)效率）、機(jī)電效率、機(jī)械效率及換熱效率幾個(gè)方面。得益于高效換熱管及換熱器、三元葉輪設(shè)計(jì)及加工技術(shù)的突破和應(yīng)用，20世紀(jì)80—90年代離心機(jī)能效實(shí)現(xiàn)過(guò)2次大的飛躍，采用R134a制冷劑的離心機(jī)平均能效達(dá)到6.1左右。然而，在接下來(lái)20多年，能效基本趨于穩(wěn)定，直到2000年以后，離心機(jī)能效再次迎來(lái)大發(fā)展，能效特別是全年綜合能效進(jìn)一步大幅提升。在此期間，我國(guó)冷水機(jī)組能效標(biāo)準(zhǔn)頒布，推動(dòng)了高能效產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率穩(wěn)步提升。

 

　　3.1.1 永磁變頻電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù)

　　離心壓縮機(jī)為速度型壓縮機(jī)，流量與其轉(zhuǎn)速成正比，而功率則與轉(zhuǎn)速的三次冪成正比，采用變頻調(diào)速方式可以顯著提升部分負(fù)荷能效，變頻調(diào)速成為離心機(jī)首選的節(jié)能措施。變頻調(diào)速并非新技術(shù)，早在1979年，約克就推出了用于離心機(jī)的速度調(diào)節(jié)裝置，其變頻與導(dǎo)流葉片相結(jié)合的控制方式將離心機(jī)綜合部分負(fù)荷能效提升15%~25%。當(dāng)時(shí)的變頻機(jī)組是在定頻離心機(jī)基礎(chǔ)上外置交流變頻驅(qū)動(dòng)器，壓縮機(jī)仍采用三相異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)增速齒輪驅(qū)動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。與定頻離心機(jī)相比，變頻離心機(jī)額外增加了變頻器的損耗，導(dǎo)致滿負(fù)荷COP降低5%左右，而且受電動(dòng)機(jī)效率、機(jī)械效率等因素制約，機(jī)組部分負(fù)荷能效提升幅度低于理論預(yù)期，難以進(jìn)一步提高。

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高速大功率永磁變頻電動(dòng)機(jī)在大型離心機(jī)中應(yīng)用成為可能，離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)與效率迎來(lái)了新的變革與突破。2011年，格力推出國(guó)內(nèi)外第一臺(tái)大功率永磁同步變頻離心機(jī)，該產(chǎn)品采用高速電動(dòng)機(jī)直驅(qū)葉輪結(jié)構(gòu)，取消增速齒輪箱及一對(duì)滑動(dòng)軸承（如圖2所示），壓縮機(jī)體積、質(zhì)量?jī)H為同冷量傳統(tǒng)壓縮機(jī)的40%，機(jī)械損失降低70%，首次研制的離心機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)效率最高達(dá)98.2%，全工況內(nèi)電動(dòng)機(jī)效率均高于95%，進(jìn)一步提升了部分負(fù)荷效率。整機(jī)COP達(dá)到7.09，在AHRI標(biāo)準(zhǔn)下IPLV達(dá)到11.68，相比傳統(tǒng)變頻離心機(jī)能效進(jìn)一步提升10%~15%，實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷、部分負(fù)荷“雙高效”，引領(lǐng)了變頻技術(shù)新發(fā)展。其他企業(yè)相繼對(duì)這種高速直驅(qū)結(jié)構(gòu)與永磁變頻展開(kāi)研究。美的于2015年推出高效變頻直驅(qū)降膜離心機(jī)，日立于2020年推出永磁同步高效直驅(qū)變頻離心機(jī)。與此同時(shí)，永磁變頻技術(shù)也在向10 kV高電壓發(fā)展，行業(yè)內(nèi)已推出10 kV高壓永磁變頻離心機(jī)，單機(jī)頭冷量達(dá)到10 551 kW（3 000 rt），滿足了大型集中制冷站對(duì)高效、大冷量的需求。

　　變頻技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了冷水機(jī)組綜合能效水平提升，也推動(dòng)了能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的完善，GB 19577—2015《冷水機(jī)組能效限定值及能效等級(jí)》相對(duì)于上版標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了較大變化，首次在能效評(píng)價(jià)體系中增加了全年綜合能效IPLV判定路徑，促進(jìn)了變頻技術(shù)的推廣。同時(shí)，1級(jí)、2級(jí)能效COP的限值也提高了3.3%~12.0%，推動(dòng)了高效產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用。

 

　　3.1.2 磁懸浮、氣懸浮等無(wú)油軸承技術(shù)

　　離心壓縮機(jī)采用油潤(rùn)滑軸承，存在機(jī)械摩擦，需要復(fù)雜的油路系統(tǒng)。以磁懸浮為代表的無(wú)油軸承可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)高速無(wú)油運(yùn)行，沒(méi)有摩擦，機(jī)械損失幾乎為零。磁懸浮技術(shù)是離心機(jī)近20年來(lái)的一次重大發(fā)展，也將在制冷史上寫(xiě)下濃厚的一筆。

 

　　磁懸浮軸承原理如圖3所示，利用電磁力將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子高速無(wú)油無(wú)摩擦運(yùn)行。離心壓縮機(jī)在氣體壓縮過(guò)程中不需要油膜進(jìn)行密封，因此最具備去掉潤(rùn)滑油系統(tǒng)的可行性。20世紀(jì)90年代，澳大利亞TURBOCOR公司研發(fā)了第一臺(tái)用于制冷的磁懸浮離心壓縮機(jī)，采用R134a，制冷量約352~528 kW（100~150 rt），轉(zhuǎn)速可達(dá)30 000 r/min以上，啟動(dòng)電流小，運(yùn)行噪聲低，體積、質(zhì)量小。由于單機(jī)冷量較小，早期磁懸浮壓縮機(jī)主要瞄準(zhǔn)螺桿壓縮機(jī)市場(chǎng)。2004年，丹佛斯收購(gòu)TURBOCOR公司，成為目前最大的磁懸浮壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)與供應(yīng)商，進(jìn)一步推出VTT系列（703~1 407 kW（200~400 rt））壓縮機(jī)等，并于2017年在中國(guó)浙江海鹽投資建廠生產(chǎn)磁懸浮壓縮機(jī)。另外SKF法國(guó)子公司S2M擁有成熟的磁懸浮軸承和高速電動(dòng)機(jī)技術(shù)，可為離心壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家提供成套技術(shù)解決方案及核心組件，推動(dòng)了磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用。

　　磁懸浮離心機(jī)由于具有無(wú)油、能效高等特點(diǎn)，得到了迅速推廣應(yīng)用，其無(wú)油的特點(diǎn)，也減少了潤(rùn)滑系統(tǒng)售后維護(hù)。越來(lái)越多的廠家加入到磁懸浮離心機(jī)生產(chǎn)陣營(yíng)，包括麥克維爾、約克、格力、海爾、捷豐、克萊門(mén)特、SMART、三菱重工等企業(yè)，數(shù)量達(dá)到近20家。其研發(fā)模式主要有3類(lèi)：一是購(gòu)買(mǎi)丹佛斯壓縮機(jī)生產(chǎn)離心機(jī)，該模式簡(jiǎn)單快捷，迅速推廣了磁懸浮離心機(jī)的概念及應(yīng)用；二是通過(guò)購(gòu)買(mǎi)SKF磁懸浮軸承及高速電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)磁懸浮離心壓縮機(jī)，進(jìn)而生產(chǎn)離心機(jī)，這種模式適合具備離心壓縮機(jī)生產(chǎn)能力的廠家；三是自主研發(fā)磁懸浮軸承技術(shù)及壓縮機(jī)，格力于2014年推出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)磁懸浮軸承、離心壓縮機(jī)及制冷機(jī)組，填補(bǔ)了我國(guó)在這一領(lǐng)域的空白。

 

　　氣懸浮技術(shù)也是重要的無(wú)油軸承技術(shù)之一，如圖4所示，氣體軸承依靠轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)氣膜產(chǎn)生的浮力使轉(zhuǎn)子懸浮，結(jié)構(gòu)緊湊，懸浮精度高，廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機(jī)床等高端領(lǐng)域。將氣懸浮軸承技術(shù)產(chǎn)品化應(yīng)用到離心式制冷壓縮機(jī)的代表性企業(yè)有LG、格力、萬(wàn)辰、美的等，其中LG、格力采用高速動(dòng)壓軸承方案，萬(wàn)辰、美的則采用靜壓路線。與磁懸浮軸承相比，氣懸浮技術(shù)不需要復(fù)雜的傳感器及控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，更適合離心機(jī)向高速小型化發(fā)展。

　　無(wú)油軸承的另一種形式是制冷劑潤(rùn)滑的陶瓷滾動(dòng)軸承，用液體制冷劑取代潤(rùn)滑油對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，相比磁懸浮、氣懸浮軸承，具有承載能力強(qiáng)、精度高等特性，但因存在機(jī)械接觸，最高轉(zhuǎn)速有限。目前SKF公司已研制出制冷劑潤(rùn)滑滾動(dòng)陶瓷軸承，已在部分廠家低轉(zhuǎn)速的環(huán)保制冷劑R1233zd(E)離心機(jī)產(chǎn)品上得到應(yīng)用。

 

　　離心機(jī)包括油潤(rùn)滑軸承在內(nèi)的4種軸承各有其特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。從適用場(chǎng)景來(lái)看，油潤(rùn)滑軸承剛度和阻尼大，抗沖擊能力強(qiáng)，適合于大冷量、高壓比、工況變化大或?qū)煽啃砸蟾叩膲嚎s機(jī)；磁懸浮軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，抗沖擊能力弱于油軸承，適合于高速、中小冷量的壓縮機(jī)；氣懸浮軸承承載力小，適合于超高速、小冷量場(chǎng)合，氣懸浮結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，是離心壓縮機(jī)小型化的重要出路之一；制冷劑潤(rùn)滑滾動(dòng)陶瓷軸承受轉(zhuǎn)速和制冷劑黏度的限制，主要在運(yùn)行轉(zhuǎn)速低的負(fù)壓工質(zhì)R1233zd(E)離心機(jī)中有應(yīng)用。從成熟度來(lái)看，油潤(rùn)滑軸承應(yīng)用歷史最長(zhǎng)、應(yīng)用最廣，磁懸浮軸承次之，而氣懸浮與制冷劑潤(rùn)滑軸承剛剛起步，還需要經(jīng)歷更長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。

 

　　3.1.3 離心壓縮機(jī)氣動(dòng)效率提升

　　提升壓縮機(jī)氣動(dòng)效率可獲得較高的離心壓縮機(jī)性能，是每個(gè)廠家追求的目標(biāo)。近些年各個(gè)廠家在設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)方法及壓縮機(jī)級(jí)數(shù)等方面取得了較大的發(fā)展，有效提升了氣動(dòng)效率。

 

　　離心式葉輪是氣動(dòng)核心部件，國(guó)內(nèi)外各大離心壓縮機(jī)廠家均采用三元流方法進(jìn)行葉輪設(shè)計(jì)。三元流方法要求設(shè)計(jì)人員具備數(shù)值模擬、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）、流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)理論等非常專(zhuān)業(yè)的知識(shí)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及CFD的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一批可應(yīng)用于離心壓縮機(jī)研究的CFD軟件。這些軟件的發(fā)展極大地豐富了三元葉輪的設(shè)計(jì)手段，提高了工程設(shè)計(jì)的效率。同時(shí)五軸機(jī)床技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了自由曲面葉輪型線加工，為獲得高性能的三元葉輪創(chuàng)造了更好的條件。

 

　　定頻離心壓縮機(jī)因轉(zhuǎn)速不可調(diào)，葉輪只能依據(jù)額定工況做單點(diǎn)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)點(diǎn)能達(dá)到較好性能，但在非額定工況運(yùn)行時(shí)流動(dòng)分離損失增大，效率衰減很快。而離心機(jī)絕大部分時(shí)間是運(yùn)行在非額定工況，處于低效狀態(tài)，綜合能效較難提升。隨著變頻技術(shù)的推廣，針對(duì)不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷，以全工況綜合能效最優(yōu)為目標(biāo)的全工況氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法取代傳統(tǒng)單點(diǎn)設(shè)計(jì)成為可能。全工況氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法是利用大數(shù)據(jù)分析手段，引入時(shí)間權(quán)重，針對(duì)不同類(lèi)型空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)占比高的工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，拓展高效運(yùn)行區(qū)，實(shí)現(xiàn)變頻壓縮機(jī)特性與空調(diào)設(shè)備全年運(yùn)行特性的最優(yōu)匹配，達(dá)到全年運(yùn)行節(jié)能的目的。

 

　　多級(jí)壓縮也是提高機(jī)組能效與可靠性的行之有效的方法，在國(guó)標(biāo)制冷工況，采用雙級(jí)壓縮、級(jí)間補(bǔ)氣技術(shù)，可比單級(jí)循環(huán)理論效率提高5%~6%，在高壓比下，提升幅度將更大。同時(shí)，采用雙級(jí)壓縮葉輪轉(zhuǎn)速只有單級(jí)壓縮的75%左右，降低了葉輪進(jìn)口馬赫數(shù)，更容易獲得更高的級(jí)效率。另外，雙級(jí)壓縮能實(shí)現(xiàn)更高的壓比，特別適合于熱泵供暖、冰蓄冷等高壓比應(yīng)用場(chǎng)合，近年來(lái)已逐步成為離心機(jī)發(fā)展主流。實(shí)際應(yīng)用中，也有將2臺(tái)單級(jí)或雙級(jí)壓縮機(jī)串聯(lián)使用，以實(shí)現(xiàn)更高壓比運(yùn)行的效果。

 

　　可以看出，經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，離心機(jī)各環(huán)節(jié)的效率基本已趨近極致，在GB/T 18430.1—2007標(biāo)準(zhǔn)工況下，COP與IPLV存在理論極限，目前，其熱力完善度均接近0.7。筆者認(rèn)為，如果沒(méi)有新的理論突破與支撐，進(jìn)一步提升機(jī)組能效將會(huì)異常困難。

 

　　3.2 制冷劑的應(yīng)用與發(fā)展

　　制冷劑是制冷系統(tǒng)的血液，決定了制冷循環(huán)的理論效率，也在一定程度上影響了空調(diào)設(shè)備的壽命、可靠性和成本，為了獲得安全、高效、環(huán)保的制冷劑，自離心機(jī)誕生以來(lái)，對(duì)制冷劑的研究與替代工作就始終未停止，與其他制冷機(jī)組相同，也經(jīng)歷了可用、安全、零ODP、低GWP 4個(gè)歷史階段。

 

　　從早期的乙醚、氨、氯甲烷、二氯乙烯等物質(zhì)，到第二代以氟利昂為代表的鹵代烴（CFC、HCFC）類(lèi)產(chǎn)品，制冷劑的更替解決了安全、耐久的問(wèn)題，促進(jìn)制冷行業(yè)進(jìn)入黃金發(fā)展階段。20世紀(jì)70年代后期，CFC類(lèi)物質(zhì)與臭氧層損耗之間的關(guān)系被發(fā)現(xiàn)并引起國(guó)際范圍內(nèi)重視，制冷劑的選擇開(kāi)始轉(zhuǎn)向以環(huán)保為主題?！毒S也納公約》與《蒙特利爾議定書(shū)》明確取締CFC類(lèi)產(chǎn)品，并規(guī)定HCFC可短期過(guò)渡，HFC則允許長(zhǎng)期使用，此階段離心機(jī)市場(chǎng)逐步形成R134a中壓制冷劑與R123負(fù)壓制冷劑兩大產(chǎn)品陣營(yíng)。2010年后，HFC類(lèi)物質(zhì)普遍具有的極高GWP引起國(guó)際社會(huì)關(guān)注，《基加利修正案》的出臺(tái)，標(biāo)志著全球在加強(qiáng)HFC等非二氧化碳溫室氣體管控?？照{(diào)行業(yè)面臨HCFC加速淘汰和HFC削減的雙重任務(wù)，迫切需要找到第四代綠色替代品。

 

　　HFO類(lèi)制冷劑被看作大中型工商用冷水機(jī)組的理想替代物。按照《基加利修正案》的規(guī)定，中國(guó)等主要發(fā)展中國(guó)家，需在2024年凍結(jié)HFC的生產(chǎn)和消費(fèi)，并從2029年開(kāi)始削減，當(dāng)年削減10%，2045年要實(shí)現(xiàn)削減80%的目標(biāo)。離心機(jī)制冷劑按原有中壓、負(fù)壓2條路徑展開(kāi)替代。在中壓制冷劑替代方面，替代制冷劑主要為R1234ze和R1234yf及其混合工質(zhì)。其中R1234ze的GWP為1，單位容積制冷量為R134a的74.5%，能效與R134a相當(dāng)；而R1234yf的GWP為4，單位容積制冷量為R134a的93.9%，能效為R134a的95.8%。由于2種制冷劑均具有弱可燃性（A2L），對(duì)建筑通風(fēng)、防爆、防靜電等有較高的要求，在制冷劑充注量較大的離心機(jī)中應(yīng)用不多。因此，各廠家推出了混合共沸制冷劑產(chǎn)品，如R513a、R515B，具有遠(yuǎn)低于R134a的GWP，不燃，并且與R134a能效相當(dāng)，壓縮機(jī)所需改動(dòng)較小，被越來(lái)越多地用于離心機(jī)的直接替代或改造。在負(fù)壓制冷劑替代方面，R1233zd(E)制冷劑的GWP小于1，不可燃，其理化性質(zhì)接近R123，飽和壓力低，壓差小，具有優(yōu)越的熱力性能，COP普遍可以達(dá)到7.0以上，但單位容積制冷量小，相同冷量壓縮機(jī)體積較大，單機(jī)冷量受限。目前特靈、開(kāi)利、約克、格力等廠家紛紛推出該制冷劑的離心機(jī)。目前，HFO制冷劑價(jià)格昂貴，是現(xiàn)有制冷劑的10倍以上，離心機(jī)制冷劑充注量大，因此新制冷劑機(jī)組應(yīng)用還較少，全部替代尚需要一個(gè)較長(zhǎng)期的過(guò)程。

 

　　水（R718）具有較高的汽化潛熱和理論COP，曾經(jīng)作為早期的制冷劑被研究。1934年Belmont最早將水蒸氣離心壓縮機(jī)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，但因水蒸氣飽和壓力低，容積流量大，空調(diào)工況壓縮機(jī)近乎需要在真空狀態(tài)下工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大。隨著氟利昂類(lèi)制冷劑的發(fā)現(xiàn)，水作制冷劑的研究和應(yīng)用逐漸減少，目前比較有代表性的有德國(guó)德累斯頓ILK、日本川崎重工等開(kāi)發(fā)的水制冷劑離心機(jī)。在如今嚴(yán)峻的能源與環(huán)境危機(jī)下，水作為綠色環(huán)保、廉價(jià)易得、安全穩(wěn)定的自然工質(zhì)，又作為第四代制冷劑重新回到人們的視野，尤其在高溫、熱泵工況下的應(yīng)用可以將水的低壓特性發(fā)揮到最佳，未來(lái)以水為制冷劑的高溫工業(yè)熱泵，以及水蒸氣壓縮機(jī)替代工業(yè)鍋爐，將具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

　　4、離心機(jī)的節(jié)能應(yīng)用

　　隨著“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，低碳建筑已成為國(guó)內(nèi)外主流發(fā)展趨勢(shì)，其對(duì)于提高能效、減少化石能源使用、降低二氧化碳排放量提出了更高的要求?；诙ㄖ苹母咝щx心式制冷及熱泵技術(shù)，將工業(yè)余熱、水/地源、太陽(yáng)能等清潔能源加以充分利用，實(shí)現(xiàn)低碳高效供冷供熱，可顯著降低化石能源消耗，具備良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

 

　　太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源已被廣泛采用，傳統(tǒng)太陽(yáng)能利用方式通過(guò)光伏逆變器發(fā)電并網(wǎng)，然而由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，再以市電的方式消耗，存在諸多能量損耗環(huán)節(jié)。光伏發(fā)電效率取決于太陽(yáng)輻照度，而太陽(yáng)輻照度恰恰與建筑空調(diào)負(fù)荷變化趨勢(shì)一致，兩者具有極高的季節(jié)適配性。因此，利用變頻離心機(jī)的變頻裝置作為換流器，將光伏輸出的直流電與中間直流母線進(jìn)行直聯(lián)，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)、直接利用與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)上網(wǎng)，是空調(diào)技術(shù)研究的新方向。2013年，行業(yè)首創(chuàng)的大型光伏直驅(qū)變頻離心機(jī)系統(tǒng)，其光伏直驅(qū)利用率高達(dá)96%，能量轉(zhuǎn)換損失降低6%，并可節(jié)省逆變器設(shè)備。同時(shí)，以離心機(jī)作為能源調(diào)度中心，建立基于光伏直驅(qū)空調(diào)的微網(wǎng)系統(tǒng)，多余電量可供其他設(shè)備使用、儲(chǔ)存或上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，可達(dá)到太陽(yáng)能即發(fā)即用、就地消納，以及電網(wǎng)削峰填谷的目標(biāo)。

 

　　工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生大量的低品位余熱，因溫度較低而難以直接利用。基于離心式的工業(yè)余熱熱泵技術(shù)，充分回收利用低品位工業(yè)余熱實(shí)現(xiàn)品位提升，可為企業(yè)提供工藝流程需要消耗的高品位能源，降低能源消耗量和運(yùn)行費(fèi)用，也可以為建筑提供集中供熱或生活熱水，對(duì)能源回收和再利用具有重要作用。對(duì)于無(wú)工業(yè)余熱地區(qū)，中深層地源熱泵供熱也是一個(gè)理想的選擇，通過(guò)地埋管間壁式換熱的形式，獲取2~3 km中深層地?zé)崮?，結(jié)合高效離心式熱泵技術(shù)，可顯著降低供熱能耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；另外，針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)余熱利用，研發(fā)蒸汽驅(qū)動(dòng)離心式熱泵機(jī)組，以具有一定壓力和溫度的蒸汽作為汽輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)能源，對(duì)汽輪機(jī)做功拖動(dòng)離心壓縮機(jī)工作，為熱泵機(jī)組的制冷劑循環(huán)提供動(dòng)力，熱水出水溫度可達(dá)80 ℃，相比電驅(qū)動(dòng)的離心式熱泵機(jī)組，一次能源利用率可提高87%。

 

　　5、結(jié)語(yǔ)

　　近20年，在集中空調(diào)行業(yè)最高技術(shù)領(lǐng)域，外資品牌及自主品牌圍繞離心機(jī)技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)份額展開(kāi)了激烈的角逐，我國(guó)離心機(jī)整體技術(shù)水平得到了飛速發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)格局也發(fā)生巨大變化，目前幾乎全球所有離心機(jī)生產(chǎn)廠家都聚焦中國(guó)市場(chǎng)。隨著高速永磁電動(dòng)機(jī)及控制技術(shù)、無(wú)油軸承、氣動(dòng)效率提升、多級(jí)壓縮等新技術(shù)的應(yīng)用，離心機(jī)設(shè)備自身能效已實(shí)現(xiàn)明顯提升，正逐漸接近理論極限水平。隨著“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能減排的目標(biāo)，離心機(jī)正朝著新型環(huán)保制冷劑、光伏直驅(qū)空調(diào)、余熱利用等系統(tǒng)節(jié)能低碳技術(shù)的新方向不斷發(fā)展。各廠家應(yīng)抓住綠色、高效的發(fā)展機(jī)遇，進(jìn)一步提升設(shè)備效率，推廣新型環(huán)保制冷劑的應(yīng)用，同時(shí)提高在實(shí)際運(yùn)行中的系統(tǒng)能效及可再生能源利用水平，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)更多的力量。