磁悬浮中央空调的介绍及其技术特点

摘要 磁悬浮目前是中央空调市场上较为流行的概念，国内外的许多厂家都推出了磁悬浮产品，与之相对应的是，许多厂家在产品介绍时，照搬已有的压缩机介绍资料，并不全面。本文从基本的设计原理及技术参数上，分析磁悬浮中央空调机组的设计理念、产品特点以及应用情况。

1、磁悬浮压缩机的产生

磁悬浮是目前国内中央空调行业炒的炙手可热的一个概念，对于磁悬浮，大家并不陌生，其在高速铁路上的突破和成就是有目共睹的。

其实，自人们发现磁铁同极相斥的的特性后，磁悬浮即在理论上存在，法拉第的电磁感应定律则为其工业化生产奠定了基础。

离心式压缩机，其本质上完成的工作是压缩介质的动势能转换，在长期的研究中，最基本的公式如下：

其中：

H ---- 压头，即势能差；

u ---- 叶轮外缘圆周速度；

D ---- 叶轮直径；

n ---- 叶轮转速

若要提高压缩机的压缩效率，除了增大叶轮的直径，就只能增加叶轮的转速了，然而在传统工艺技术下，这两点都难以实现，因此当RON CONRY先生最初研发高效压缩机时，他直接联想到了磁悬浮技术。

从93年开始，经过近10年的努力，RON的团队终于研发成功世界上第一款磁悬浮压缩机，命名为TURBOCOR，并在2001投入实用。

磁悬浮压缩机：

? 压缩部分

? 驱动部分

? 变频部分

? 控制部分

磁悬浮压缩机的技术基础是磁悬浮轴承技术，通过永磁与电磁相结合，能够使转轴处于一个较为完美的六面凌空状态。（其实1842年，英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮的概念，同时指出：单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。一百多年以后人们才得以实现这个模型）。

之后，人们发现，采用磁悬浮技术后，压缩机的各项性能得到显著提升：

首先是转速的提升，由于没有了机械摩擦，磁悬浮压缩机的转速在理论上可以无限提高（叶轮强度足够），在实际的使用中，RON CONRY的团队实现了48000r/min的极高转速，使叶轮的尺寸变得非常小，压缩机的整体体积和重量显著下降；

其次是无级变频的实现，由于不需要考虑润滑油的回油问题（在取消了专门的供油泵之后，有油机械的润滑完全依靠运转中所产生的负压），磁悬浮压缩机的转速可以无限小（趋近于0），这使得离心式机械中的相似定律可以完全发挥作用：

压缩机输出制冷量 ∝ 压缩机转速

压缩机吸排气压差 ∝ 压缩机转速²

压缩机消耗之功率 ∝ 压缩机转速³

这也是变频节能的基本原理所在。

第三，极低的启动电流，压缩机启动时，只需要满足支撑转轴重量的电磁力即可，因此，单台磁悬浮压缩机的启动电流在2A左右，而传统的星三角启动方式普遍具有5~8倍额定电流，对电网的冲击较大。

第四，极低的运行噪音，单台磁悬浮压缩机正

常运行时，其噪音值在68dBA左右（1m测试距离），传统的螺杆或离心式压缩机其噪音在80dBA以上。

第五，运行稳定。磁悬浮压缩机只有一个运动部件，其故障率极低，内部具有良好的冷却系统。电器部分的设计为模块化插拔式，十分直观简洁，这使得压缩机在实际的运行中具有多重保障。

可见，磁悬浮压缩机与传统的压缩机相比较，其优势是十分明显的，也说明其未来的巨大应用发展空间。

1、磁悬浮中央空调

1）、发展方向

根据卡诺循环的基本原理，蒸汽压缩式中央空调的组成分为四个部分：压缩部分、蒸发部分、冷凝部分及节流装置。压缩机时空调机组的心脏，压缩机的形式，决定了机组的基本参数和运行特点。

自第一台磁悬浮压缩机问世以来，磁悬浮中央空调即分为两个发展方向：做大与做小。

? 所谓做大，即通过多台磁悬浮压缩机的组合，使磁悬浮机组的单台冷量增加，一方面能够占据较大的市场份额，另一方面能够获得较高的运行效率。

? 所谓做小，及充分发挥磁悬浮压缩机的体积重量优势，通过与紧凑式换热器结合，使冷水机组的尺寸不断减小，获得更多的应用机会。

在这两方面，典型的代表即为SMARDT与MULTISTACK。

MULTISTACK以模块机起家，其模块化技术发展已有20余年，通过应用磁悬浮压缩机，可以使得模块机占据70~100RT的优势冷量段，借助其前期庞大的客户群和较好的认知度，占领市场。

SMARDT为单一生产磁悬浮冷水主机的厂家，其技术优势在于对压缩机的研究较为深入，具有良好的控制技术，因此，SMARDT将目光瞄向了300~800RT的主流中央空调市场，通过发挥磁悬浮压缩机的高效无油特性，占领市场。

2）、技术特点

对于模块机而言，风冷冷水系统占据较大的优势，但由于磁悬浮压缩机不适宜开发风冷热泵型产品，使得其在华东地区的市场开拓受到了较大的限制。

对于满液式磁悬浮机组而言，由于单体磁悬浮压缩机的冷量较小，因此磁悬浮机组必然采用多机并联的模式；其次，磁悬浮压缩机内置变频，在实际的运行中，多台压缩机同时运行，这也是目前大家耳熟能详的“同步变频”策略。(本篇观点并不代表暖通南社立场）

我们不妨先来了解一下多机头并联的产生及发展情况（开利活塞机享有机王的美誉）：

早期的活塞、螺杆式冷水机组经常采用多机头并联的模式，其负荷加减载为简单的开停式切换：

适时，变频的概念尚未推出，单台活塞机的冷量只有30RT左右，其调节的灵敏度高出了后期出现的多档调速概念；

同时，容积式压缩机对于系统内部压差的变化反应不明显，因此即使两器内的压力产生的剧烈变化，压缩机的反应仍然较为稳定。

但是，如此的调节模式带来的后果即是水温波动较大，由于使用活塞的场合其系统水容量均较小（大型系统往往采用离心机或螺杆机），因此其温度的变化是十分不稳定的（相对而言）。

离心式机组能否采用这种调节模式呢？

答案是不能，离心式机械的两条曲线限制了这种方式：喘振线、堵转线。

对于离心式压缩机，喘振是不可消除只可避免的，任何离心式机械都存在喘振区。当两器内的压力剧烈变化时，如果压缩机没有适当的保护，则很容易引起压缩机的失速故障，因此多台离心式机械并联（十分少见）的加减载情况是这样的：

虽然理论曲线十分简单，但是实际的控制过程却是相当复杂的，技术难度也较高。

3）、参数特征

磁悬浮中央空调可以完美的继承磁悬浮压缩机的应用优势，与目前市场主流产品相比较，其最突出的特点就是节能、低维护。

IPLV指标已受到越来越多的广泛的认可

同时，磁悬浮压缩机的使用寿命较长（此处指机械寿命，其最初设计寿命为≥30年，传统的大型离心机组为20年，螺杆机组为15年），在未来使用的节能收益是十分明显的。

在暖通设计中，水力计算、容量计算上，磁悬浮机组与传统机组没有显著的区别；而在配电、结构或创新设计中，磁悬浮机组优势较为明显。

首先，磁悬浮压缩机的功率因数较高，使得配电设计时的电容量较小，机房的电容量也想相应降低（虽然目前对主机配置专变的情况不多）。

其次，磁悬浮机组没有润滑油系统，这使得它的必需维护空间大大降低，而且支持冷媒系统的远程传输，在澳洲及北美，出现了许多Condenser lessv的个性化设计。

第三，冷媒系统的远程传输，也可以与建筑的特性相结合，相信在解决了分歧管技术后，直膨式磁悬浮机组会很快出现（热泵形式有待于观察）。

第四，冗余的概念。在高可靠性的设计中，通常要求主机的备用比例为1:1甚至是1:2，采用磁悬浮机组，在很多情况下可以减少或者省略备用机组，这对于降低初投资十分有利。

第五，磁悬浮压缩机的温度工作范围极广，在暖通设计中，无论高低温出水，高低温冷却，自然冷源利用、变流量设计、集成式机房等等定制化的设计也是层出不穷。

1、磁悬浮中央空调的设计理念

1）、单回路与多回路

在真实的设计中，磁悬浮多机头的设计情况主要为两种：（冷媒系统）单回路和多回路。

单回路中，所有压缩机均并联安装于同一套两器中；多回路中，最常见的形式为每个压缩机对应一个制冷系统（可以称之为单元），一台机组由多个单元组成，单元之间的水路系统往往采用串联的模式（水路并联实际与多台机组并联相同）

最基本的图形差异如下：

多回路机组显著的特点在于每一个单元都可以从机组中独立出来，然而这种设计在压缩机数量较少（一般为两台）时，与单回路区别不大，但在压缩机数量较多时则有明显的劣势：

首先是冷冻、冷却水程的增加，采用单程，则载冷能力不足；采用多程，则水阻上升巨大。

其次，由于单元之间串联，为保证出回水同侧设计、减小机组长度，所以往往出现180°回转的尴尬设计。这种设计不能够保证水流的稳定性，同时容易产生结垢和杂质沉淀。

第三，在机组卸载时，多回路系统虽然避免了压缩机之间的相互干扰，但是每一台压缩机只能利用其自身的换热面积，如此也限制了压缩机的效率发挥，实际上相当于每个单元在单独工作，多台压缩机的并联效率与单台压缩机运行效率基本相同。

诚然，单回路多机头的设计目前还有相当的难度，在全球范围内，能够生产如此产品的厂商屈指可数，并且压缩机的数量一般不超过4个（在这些厂商中，SMARDT可谓一枝独秀，其8压缩机产品已经投入实用，冷量达到1200RT以上）。

2）、对于压缩机的冷量设定

每一型号的压缩机均有自己的冷量范围及效率特性，在磁悬浮主机的设计与生产中，由于厂家对压缩机自身特性认识的不同，其设计理念以及布置形式也各不相同，由此，也导致的主机的技术参数差异较大。

多机头磁悬浮中央空调的设计承袭了活塞机组的组成方式，因此很多厂商习惯于对机组冷量进行

简单的加减法，用以标注其冷量参数。以TT400压缩机为例：

TT400型压缩机的最大制冷能力为150RT，因此部分厂商即认为，单台压缩机机组150RT，两台压缩机机组300RT，三台压缩机机组450RT……

实际上，在多台压缩机并联时，制冷机组的输出冷量并不能达到最大限度（机组并联时，认为可以达到）。

同时，磁悬浮压缩机的特性也使得这种设计失去了意义。根据GBT18430规定，当蒸汽压缩式冷水机组制冷量大于1163kW时，一级能效的认证标准为6.1，二级能效的认证标准为5.6（请记住这个指标，二级能效以上产品才能够被认证为节能产品）。

单台TT400压缩机满载时的最高能效比为5.56！试想：一台500RT冷水机组能效达不到二级标准，也就失去了存在的意义（即使采用螺杆式压缩机，500RT机组的效率也能够达到5.7；而800RT以上产品的效率普遍接近6.1）。

当然，机组的满载效率并不能决定节能与否，部分负荷能效（IPLV）才是机组节能性的真正体现。但是基于目前国家标准的门槛现状，如果不能够踏进“节能产品”的大门，也意味着丢掉了市场竞争的入场券。

1、磁悬浮中央空调的节能性

探讨磁悬浮中央空调的节能性，首先要明确一个基本理论：在全年的实际运行中，建筑的负荷并不总是维持在满负荷。

大量的实测数据和模拟结果都证明，在全年的运行中，满负荷情况的存在比例极小。为了更好的鉴别机组的节能性，IPLV的概念被推广起来。

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D

这是GB50189中对于IPLV的计算公式，长期以来人们一直在根据不同的气候特征校对IPLV的计算比例，不过人们真正应该关注的是如何使这一指标成为强制执行参数，而非参考参数。

以IPLV作为参考标准，可以发现，在相同的应用条件下，磁悬浮机组的节能比例较常规机组在30%至40%之间（节能产品、状态良好）。

随着人们对建筑节能领域研究的深入，另一种观点也被提出：单台机组的IPLV值不能够代表机房内所有机组的全年运行效率。

从本质上而言，上述观点没有瑕疵，但是观点的提出者显然没有对机房内设备的运行管理情况进行过详细的模拟、计算及校验。

我们以20万平方米的建筑群，包含酒店、办公、商场等来做为比较模型（建筑体量越大，单台机组所占的影响就越小）：

建筑全年负荷曲线（per 30min）

在模拟中，我们发现机组的运行情况如下（开启台数统计，共六台）：

不难统计建筑全年的负荷比例分布情况。

同时，对机组的运行负荷比例进行统计：

可以发现，机组绝大部分时间运行在70%~80%之间，这完全是传统机组的高效区，在这样的运行条件下，我们队两种产品的能耗进行比较：

磁悬浮能耗 3250509 kWh

传统机组能耗 4811500 kWh

节能比例 33%

机组参数 磁悬浮机组：COP 5.98，IPLV 9.32对比机组： COP 5.70，IPLV 6.13IPLV计算节能比例：35%

可以发现，按照最不利的计算原则，磁悬浮机组的节能性依然明显，并且计算中尚未考虑有油机械的损耗等诸多因素。

1、磁悬浮在中国

1）、历史

在中国，人们对磁悬浮的概念并不陌生，磁悬浮列车将这一概念带进大家的视野，戏剧性的是，中国的永磁磁悬浮技术被证明为是最可靠、最经济的磁悬浮方案（对比与超导磁悬浮和常导磁悬浮）。

在2006年，海尔将磁悬浮中央空调引入中国市场，但是反响却十分平淡，随后一段时间，磁悬浮空调几乎从人们的视野中消失。主要的原因有三点：

彼时，IPLV的概念并没有被中国市场所接受，客户们依然按照能效等级，严格地删选产品；

其次，接踵而来的经济危机，严重打击了业主投资的兴趣及信心；

再者，政府的政策导向十分不明显，虽然节能减排是我国的基本国策，但遗憾的很长一段时间内，节能减排只是数字游戏。

2）、发展

事无绝对，在2010年间，磁悬浮中央空调蓬勃发展，在华东和华南区域，磁悬浮中央空调厂商接连成立，项目应用逐渐增多，这时期主要的刺激条件有三点：

首先，Danfoss为了开拓中国市场，在这一时间段投入了较大的精力推广，同时，Danfoss提供技术参数，扶植了一批OEM，成为市场的先导；

其次，政府政策指向性明确，为了刺激节能减排政策的落实，国家出台了许多规定，其中最为利好的即是合同能源管理项目申报补贴制度以及节能产品购买补贴制度，虽然过程中出现了一部分骗取补贴的情况，不过还是显著提高了节能产业的发展速度。

第三，经济形势的好转以及学术界的支持发挥了相当大的作用。在这一时间段，学术界对于IPLV的讨论、对于大型公建项目的研究为高效产品的发展提供了理论基础。

其结果是显而易见的，到13年底，中国市场内存在十余个磁悬浮中央空调品牌，各自均有自己的目标市场及技术特点。同时，磁悬浮的应用案例不断增多，越来越具有说服力。

3）、制约

磁悬浮中央空调似乎迎来了发展的春天，磁悬浮帝国似乎即将出现。然而，就目前的情况来看，市场依旧疲软，并没有出现市场份额的明显上升，究其原因，无外乎以下几点：

? 没有核心竞争力：国内的OEM厂商们依靠压缩机供应商的技术支持打开了门面，但是在机组控制、工业设计等方面还是要落后于境外厂家，并且没有品牌认知度。

举例而言，Turbocor每年会对核心的合作伙伴的技术研发，销售能力以及售后服务等综合因素进行评分目前，一共有三个等级的合作“白金”“黄金”“银级”，而国内品牌尚没有出现其中。

? 政府政策变化：如今的合同能源管理市场日趋规范化，资金平台对于投资回报率要求越来越苛刻，检测平台对于节能数据的考量也越来越专业，这需要大批的专业人员来完善产业链条。

? 外部竞争恶化：长期以来，中国的中央空调市场被传统的四大家所占据，经过30多年的经营，已经形成了完整的直销、分销体系，建立渠道优势。同时，廉价的劳动力使得他们的生产成本十分低廉，相应的，在价格竞争中占据了绝对的优势。随着国际市场的萎缩，国内市场的竞争日趋恶化。

4）、前景

转眼2014年即将过去，以目前的形式来看磁悬浮中央空调的前景还是比较乐观的。

首先，经济的复苏，为磁悬浮市场提供了充足的购买力。经济形势的触底反弹，意味着投资者们对市场更有信心，随着人们广泛人知设备生命周期的概念，磁悬浮产品的高性价比得以体现。

其次，节能减排的大势所趋。节能减排已经不再是一个口号，二是切实的落实到各级政府的工作中去，地方政府的刺激政策不断出台，为节能产品创造了良好的市场环境。

第三，竞争形势的好转。中国的人口红利时代已经过去，随着劳动力成本的上升，传统机组的制造、维护费用都将上涨，这使得业主们更加关注设备的运行维护费用。

第四，市场认知度不断提升。随着越来越多的应用案例出现，磁悬浮产品的各项优势均得以体现，也使得业主们不断认可磁悬浮技术的优点，为以后的发展奠定基础。

第五，专业厂商不断涌入。在14年的制冷展上，许多老牌中央空调厂商纷纷参展。其中包括像SMARDT这样第一批开发磁悬浮中央空调的设备厂商，目前，新一批的OEM已经出现，磁悬浮市场上，产品的多样性即将呈现。

总而言之，磁悬浮中央空调的市场导入期即将过去，将进入产品的成熟期，这个时间段，产品的质量和售后服务成为厂商们竞争的绝对因素，因此，磁悬浮产品的水平将有明显提升。伴随着大批的专业人才进入该领域，相信磁悬浮中央空调将很快走出小众市场，充分参与市场竞争。