摘要

　　回顧了我國離心式制冷機組市場，特別是國內自主品牌的發展歷程。總結了近20年來離心式制冷機組主要能效提升技術的發展，包括永磁電動機及變頻驅動、磁/氣懸浮軸承、氣動效率提升等。從中壓制冷劑、負壓制冷劑、自然工質等不同路徑分析了環保制冷劑應用的發展趨勢。在“雙碳”戰略背景下，展望了離心式制冷機組在光伏直驅空調系統、高溫熱泵等領域的應用前景。

 

　　關鍵詞

　　離心式制冷機組；變頻；磁懸浮；能效；環保制冷劑

 

　　作者

　　劉華1,2  張治平1,2  王 升1,2  周 宇1,2

　　（1.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室；2.珠海格力電器股份有限公司）

 

　　1、概述

　　離心式制冷機組（以下簡稱離心機）具有單機冷量大、效率高、振動小等特點，經過近一個世紀的不斷發展與完善，已經成為大型制冷空調系統的關鍵設備，在國防、核電、數據中心、交通樞紐、公共建筑等各類場合的環境保障中發揮著不可或缺的作用。

 

　　近20年來，隨著我國經濟的持續快速發展與制造工業水平的不斷提升，我國離心機市場與技術都取得了突飛猛進的發展。據日本《JARN》雜志統計，2020年世界冷水機組市場容量達到80.8億美元，中國是主要的冷水機組市場，占世界市場的30.8%。2019年我國離心機產量達到8 510臺，相比2000年的500臺左右增長了近16倍，離心機生產廠家由原來少數幾家外資品牌發展到如今的幾十個廠家，中國已成為全球離心機最活躍、最重要的市場。在此期間，國內品牌再啟航，在技術與市場上取得長足發展，與外資品牌同臺競技，呈現出多家爭鳴的良好局面。

 

　　在國家節能減排與低碳戰略推動下，各離心機生產廠家圍繞如何提升離心機效率、新制冷劑替代等方向展開研究，研發出離心機用高速永磁電動機、磁/氣懸浮無油軸承等新型技術，多層面提升離心壓縮機效率，實現了離心機能效新的飛躍。第四代低GWP（全球增溫潛能值）制冷劑應用研究也被提上日程，各生產廠家陸續推出替代產品。同時，隨著技術發展，離心機使用領域與場合也在不斷拓展，得到更廣泛應用。

 

　　本文就近20年來我國離心機發展現狀及趨勢進行總結分析，供業界參考。

 

　　2、離心機市場總體發展

　　1922年美國開利設計了世界上第一臺整體離心機，開啟了離心機應用與發展的序幕。我國離心機發展大致可以分為自主、合資、競爭3個階段。

 

　　20世紀50—70年代，為滿足紡織、化工等工業需求，我國開始自主設計、制造離心機，生產廠家主要有上海第一冷凍機廠、重慶通用機器廠、北京冷凍機廠、大連冷凍機廠等。1958年，上海第一冷凍機廠研制了我國第一臺R11離心機，制冷量1 160 kW；1963年，重慶通用機器廠也試制成功空調用R11離心機，用于紡織廠；1976年起，我國相關制造廠家共同設計了使用R12的離心機，并試制成功。在此期間，離心機使用的制冷劑主要為R11、R12和氨，生產規模較小，產品一般為訂制。

 

　　20世紀80—90年代，隨著改革開放的深入，世界知名制冷廠家先后以合資或獨資的方式進入我國，成為我國離心機生產主力軍，離心機種類和質量水平都有了質的提升。開利是第一家進入我國市場的國外品牌，1987年與上海第一冷凍機廠成立第一家合資公司；緊隨其后，特靈、蘇爾壽、麥克維爾、約克等相繼與國內冷凍機生產廠家合資建廠，重慶通用機器廠成為該階段僅存的國內品牌。在此期間，離心機使用的制冷劑從R11、R12向R123、R134a發展，離心機技術主要為國外引進，葉輪等關鍵零部件仍在國外研發制造。由于國外企業的技術保護，不對外單獨銷售離心壓縮機，美資品牌牢牢占據了中國離心機市場，市場占有率接近95%。

 

　　2000年至今，隨著我國經濟持續高速發展，高層建筑、交通樞紐、會展中心、工業廠房等大型建筑以前所未有的速度展開建設，離心機市場迎來了黃金20年，中國也一躍成為離心機消費大國、生產大國。生產廠家從少數幾家合資企業增長到幾十家，市場競爭逐漸激烈。生產廠家主要包括：

 

　　1） 老牌的美資四大品牌（江森自控、麥克維爾、開利、特靈），為增強市場競爭力，先后在中國建立研發中心，幾乎所有零部件都實現在中國制造。2） 格力、美的等家用空調企業作為國內品牌新力量首先進入離心機市場。其中，格力立足自主研發，逐步掌握了離心壓縮機關鍵設計制造技術，在2005年下線了公司首臺使用R134a的離心機。美的通過與重慶通用機械廠合資，于2004年成立重慶美的通用制冷設備有限公司，開始生產離心機。3） 頓漢布什、三菱、日立、LG等外資品牌在中國投資建廠生產離心機，角逐中國市場。

 

　　4） 出現了丹佛斯、漢鐘等制造、銷售離心壓縮機的企業。由于不需要再研制離心壓縮機，國內集中空調生產企業紛紛加入離心機生產行列，包括海爾、捷豐、克萊門特、SMART等，生產廠家迅速拓展到20多家，成為離心機角逐新力量。由此拉開了中國離心機“萬類霜天競自由”的格局，市場從高度集中逐步走向了分散。

 

　　特別需要指出的是，在新一輪技術革新中，國內自主品牌抓住了變頻化、無油化等新技術機遇，在永磁變頻等關鍵技術上從跟隨走向引領，無論是技術還是市場都取得了長足的進步。國內品牌開始應用到人民大會堂、北京大興國際機場、核電等重大工程，品牌影響力與日俱增。2020年國內品牌的國內市場占比已達到19.4%，可以預見，這一比例還將持續增加。

 

　　3、離心機技術發展

　　縱觀離心機發展的歷程，可以發現其發展主要圍繞能效提升、制冷劑替代2條主線進行。離心機能效要求從無到有、從有到高效節能，現已成為離心機的核心指標；而制冷劑發展與其他制冷機組幾乎相同，經歷了可用、安全、零ODP（消耗臭氧潛能值）、低GWP 4個階段，目前正處于第四個階段。

 

　　3.1 離心機能效提升

　　影響離心機能效的因素很多，總的來講不外乎本體效率（葉輪等氣動效率）、機電效率、機械效率及換熱效率幾個方面。得益于高效換熱管及換熱器、三元葉輪設計及加工技術的突破和應用，20世紀80—90年代離心機能效實現過2次大的飛躍，采用R134a制冷劑的離心機平均能效達到6.1左右。然而，在接下來20多年，能效基本趨于穩定，直到2000年以后，離心機能效再次迎來大發展，能效特別是全年綜合能效進一步大幅提升。在此期間，我國冷水機組能效標準頒布，推動了高能效產品的市場占有率穩步提升。

 

　　3.1.1 永磁變頻電動機及控制技術

　　離心壓縮機為速度型壓縮機，流量與其轉速成正比，而功率則與轉速的三次冪成正比，采用變頻調速方式可以顯著提升部分負荷能效，變頻調速成為離心機首選的節能措施。變頻調速并非新技術，早在1979年，約克就推出了用于離心機的速度調節裝置，其變頻與導流葉片相結合的控制方式將離心機綜合部分負荷能效提升15%~25%。當時的變頻機組是在定頻離心機基礎上外置交流變頻驅動器，壓縮機仍采用三相異步電動機通過增速齒輪驅動葉輪高速旋轉，如圖1所示。與定頻離心機相比，變頻離心機額外增加了變頻器的損耗，導致滿負荷COP降低5%左右，而且受電動機效率、機械效率等因素制約，機組部分負荷能效提升幅度低于理論預期，難以進一步提高。

　　隨著電力電子技術的發展，高速大功率永磁變頻電動機在大型離心機中應用成為可能，離心壓縮機的結構與效率迎來了新的變革與突破。2011年，格力推出國內外第一臺大功率永磁同步變頻離心機，該產品采用高速電動機直驅葉輪結構，取消增速齒輪箱及一對滑動軸承（如圖2所示），壓縮機體積、質量僅為同冷量傳統壓縮機的40%，機械損失降低70%，首次研制的離心機用永磁同步電動機效率最高達98.2%，全工況內電動機效率均高于95%，進一步提升了部分負荷效率。整機COP達到7.09，在AHRI標準下IPLV達到11.68，相比傳統變頻離心機能效進一步提升10%~15%，實現滿負荷、部分負荷“雙高效”，引領了變頻技術新發展。其他企業相繼對這種高速直驅結構與永磁變頻展開研究。美的于2015年推出高效變頻直驅降膜離心機，日立于2020年推出永磁同步高效直驅變頻離心機。與此同時，永磁變頻技術也在向10 kV高電壓發展，行業內已推出10 kV高壓永磁變頻離心機，單機頭冷量達到10 551 kW（3 000 rt），滿足了大型集中制冷站對高效、大冷量的需求。

　　變頻技術的發展，帶動了冷水機組綜合能效水平提升，也推動了能效評價標準的完善，GB 19577—2015《冷水機組能效限定值及能效等級》相對于上版標準出現了較大變化，首次在能效評價體系中增加了全年綜合能效IPLV判定路徑，促進了變頻技術的推廣。同時，1級、2級能效COP的限值也提高了3.3%~12.0%，推動了高效產品的廣泛應用。

 

　　3.1.2 磁懸浮、氣懸浮等無油軸承技術

　　離心壓縮機采用油潤滑軸承，存在機械摩擦，需要復雜的油路系統。以磁懸浮為代表的無油軸承可實現壓縮機高速無油運行，沒有摩擦，機械損失幾乎為零。磁懸浮技術是離心機近20年來的一次重大發展，也將在制冷史上寫下濃厚的一筆。

 

　　磁懸浮軸承原理如圖3所示，利用電磁力將壓縮機轉子懸浮起來，實現轉子高速無油無摩擦運行。離心壓縮機在氣體壓縮過程中不需要油膜進行密封，因此最具備去掉潤滑油系統的可行性。20世紀90年代，澳大利亞TURBOCOR公司研發了第一臺用于制冷的磁懸浮離心壓縮機，采用R134a，制冷量約352~528 kW（100~150 rt），轉速可達30 000 r/min以上，啟動電流小，運行噪聲低，體積、質量小。由于單機冷量較小，早期磁懸浮壓縮機主要瞄準螺桿壓縮機市場。2004年，丹佛斯收購TURBOCOR公司，成為目前最大的磁懸浮壓縮機生產企業與供應商，進一步推出VTT系列（703~1 407 kW（200~400 rt））壓縮機等，并于2017年在中國浙江海鹽投資建廠生產磁懸浮壓縮機。另外SKF法國子公司S2M擁有成熟的磁懸浮軸承和高速電動機技術，可為離心壓縮機生產廠家提供成套技術解決方案及核心組件，推動了磁懸浮技術的應用。

　　磁懸浮離心機由于具有無油、能效高等特點，得到了迅速推廣應用，其無油的特點，也減少了潤滑系統售后維護。越來越多的廠家加入到磁懸浮離心機生產陣營，包括麥克維爾、約克、格力、海爾、捷豐、克萊門特、SMART、三菱重工等企業，數量達到近20家。其研發模式主要有3類：一是購買丹佛斯壓縮機生產離心機，該模式簡單快捷，迅速推廣了磁懸浮離心機的概念及應用；二是通過購買SKF磁懸浮軸承及高速電動機，生產磁懸浮離心壓縮機，進而生產離心機，這種模式適合具備離心壓縮機生產能力的廠家；三是自主研發磁懸浮軸承技術及壓縮機，格力于2014年推出自主知識產權磁懸浮軸承、離心壓縮機及制冷機組，填補了我國在這一領域的空白。

 

　　氣懸浮技術也是重要的無油軸承技術之一，如圖4所示，氣體軸承依靠轉子高速旋轉時氣膜產生的浮力使轉子懸浮，結構緊湊，懸浮精度高，廣泛應用于航空航天、精密機床等高端領域。將氣懸浮軸承技術產品化應用到離心式制冷壓縮機的代表性企業有LG、格力、萬辰、美的等，其中LG、格力采用高速動壓軸承方案，萬辰、美的則采用靜壓路線。與磁懸浮軸承相比，氣懸浮技術不需要復雜的傳感器及控制系統，結構緊湊，更適合離心機向高速小型化發展。

　　無油軸承的另一種形式是制冷劑潤滑的陶瓷滾動軸承，用液體制冷劑取代潤滑油對滾動軸承進行潤滑和冷卻，相比磁懸浮、氣懸浮軸承，具有承載能力強、精度高等特性，但因存在機械接觸，最高轉速有限。目前SKF公司已研制出制冷劑潤滑滾動陶瓷軸承，已在部分廠家低轉速的環保制冷劑R1233zd(E)離心機產品上得到應用。

 

　　離心機包括油潤滑軸承在內的4種軸承各有其特點與優勢。從適用場景來看，油潤滑軸承剛度和阻尼大，抗沖擊能力強，適合于大冷量、高壓比、工況變化大或對可靠性要求高的壓縮機；磁懸浮軸承系統結構相對復雜，抗沖擊能力弱于油軸承，適合于高速、中小冷量的壓縮機；氣懸浮軸承承載力小，適合于超高速、小冷量場合，氣懸浮結構相對簡單，是離心壓縮機小型化的重要出路之一；制冷劑潤滑滾動陶瓷軸承受轉速和制冷劑黏度的限制，主要在運行轉速低的負壓工質R1233zd(E)離心機中有應用。從成熟度來看，油潤滑軸承應用歷史最長、應用最廣，磁懸浮軸承次之，而氣懸浮與制冷劑潤滑軸承剛剛起步，還需要經歷更長時間的考驗。

 

　　3.1.3 離心壓縮機氣動效率提升

　　提升壓縮機氣動效率可獲得較高的離心壓縮機性能，是每個廠家追求的目標。近些年各個廠家在設計工具、設計方法及壓縮機級數等方面取得了較大的發展，有效提升了氣動效率。

 

　　離心式葉輪是氣動核心部件，國內外各大離心壓縮機廠家均采用三元流方法進行葉輪設計。三元流方法要求設計人員具備數值模擬、計算流體動力學（CFD）、流體機械內部流場理論等非常專業的知識。隨著計算機技術及CFD的發展，相繼出現了一批可應用于離心壓縮機研究的CFD軟件。這些軟件的發展極大地豐富了三元葉輪的設計手段，提高了工程設計的效率。同時五軸機床技術的發展實現了自由曲面葉輪型線加工，為獲得高性能的三元葉輪創造了更好的條件。

 

　　定頻離心壓縮機因轉速不可調，葉輪只能依據額定工況做單點設計，在設計點能達到較好性能，但在非額定工況運行時流動分離損失增大，效率衰減很快。而離心機絕大部分時間是運行在非額定工況，處于低效狀態，綜合能效較難提升。隨著變頻技術的推廣，針對不同轉速、不同負荷，以全工況綜合能效最優為目標的全工況氣動設計方法取代傳統單點設計成為可能。全工況氣動設計方法是利用大數據分析手段，引入時間權重，針對不同類型空調運行時長占比高的工況進行優化設計，拓展高效運行區，實現變頻壓縮機特性與空調設備全年運行特性的最優匹配，達到全年運行節能的目的。

 

　　多級壓縮也是提高機組能效與可靠性的行之有效的方法，在國標制冷工況，采用雙級壓縮、級間補氣技術，可比單級循環理論效率提高5%~6%，在高壓比下，提升幅度將更大。同時，采用雙級壓縮葉輪轉速只有單級壓縮的75%左右，降低了葉輪進口馬赫數，更容易獲得更高的級效率。另外，雙級壓縮能實現更高的壓比，特別適合于熱泵供暖、冰蓄冷等高壓比應用場合，近年來已逐步成為離心機發展主流。實際應用中，也有將2臺單級或雙級壓縮機串聯使用，以實現更高壓比運行的效果。

 

　　可以看出，經過近20年的發展，離心機各環節的效率基本已趨近極致，在GB/T 18430.1—2007標準工況下，COP與IPLV存在理論極限，目前，其熱力完善度均接近0.7。筆者認為，如果沒有新的理論突破與支撐，進一步提升機組能效將會異常困難。

 

　　3.2 制冷劑的應用與發展

　　制冷劑是制冷系統的血液，決定了制冷循環的理論效率，也在一定程度上影響了空調設備的壽命、可靠性和成本，為了獲得安全、高效、環保的制冷劑，自離心機誕生以來，對制冷劑的研究與替代工作就始終未停止，與其他制冷機組相同，也經歷了可用、安全、零ODP、低GWP 4個歷史階段。

 

　　從早期的乙醚、氨、氯甲烷、二氯乙烯等物質，到第二代以氟利昂為代表的鹵代烴（CFC、HCFC）類產品，制冷劑的更替解決了安全、耐久的問題，促進制冷行業進入黃金發展階段。20世紀70年代后期，CFC類物質與臭氧層損耗之間的關系被發現并引起國際范圍內重視，制冷劑的選擇開始轉向以環保為主題。《維也納公約》與《蒙特利爾議定書》明確取締CFC類產品，并規定HCFC可短期過渡，HFC則允許長期使用，此階段離心機市場逐步形成R134a中壓制冷劑與R123負壓制冷劑兩大產品陣營。2010年后，HFC類物質普遍具有的極高GWP引起國際社會關注，《基加利修正案》的出臺，標志著全球在加強HFC等非二氧化碳溫室氣體管控。空調行業面臨HCFC加速淘汰和HFC削減的雙重任務，迫切需要找到第四代綠色替代品。

 

　　HFO類制冷劑被看作大中型工商用冷水機組的理想替代物。按照《基加利修正案》的規定，中國等主要發展中國家，需在2024年凍結HFC的生產和消費，并從2029年開始削減，當年削減10%，2045年要實現削減80%的目標。離心機制冷劑按原有中壓、負壓2條路徑展開替代。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。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；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），對建筑通風、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中應用不多。因此，各廠家推出了混合共沸制冷劑產品，如R513a、R515B，具有遠低于R134a的GWP，不燃，并且與R134a能效相當，壓縮機所需改動較小，被越來越多地用于離心機的直接替代或改造。在負壓制冷劑替代方面，R1233zd(E)制冷劑的GWP小于1，不可燃，其理化性質接近R123，飽和壓力低，壓差小，具有優越的熱力性能，COP普遍可以達到7.0以上，但單位容積制冷量小，相同冷量壓縮機體積較大，單機冷量受限。目前特靈、開利、約克、格力等廠家紛紛推出該制冷劑的離心機。目前，HFO制冷劑價格昂貴，是現有制冷劑的10倍以上，離心機制冷劑充注量大，因此新制冷劑機組應用還較少，全部替代尚需要一個較長期的過程。

 

　　水（R718）具有較高的汽化潛熱和理論COP，曾經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應用于空調系統，但因水蒸氣飽和壓力低，容積流量大，空調工況壓縮機近乎需要在真空狀態下工作，結構復雜、尺寸龐大。隨著氟利昂類制冷劑的發現，水作制冷劑的研究和應用逐漸減少，目前比較有代表性的有德國德累斯頓ILK、日本川崎重工等開發的水制冷劑離心機。在如今嚴峻的能源與環境危機下，水作為綠色環保、廉價易得、安全穩定的自然工質，又作為第四代制冷劑重新回到人們的視野，尤其在高溫、熱泵工況下的應用可以將水的低壓特性發揮到最佳，未來以水為制冷劑的高溫工業熱泵，以及水蒸氣壓縮機替代工業鍋爐，將具有廣闊的應用前景。

 

　　4、離心機的節能應用

　　隨著“雙碳”戰略的實施，低碳建筑已成為國內外主流發展趨勢，其對于提高能效、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。基于定制化的高效離心式制冷及熱泵技術，將工業余熱、水/地源、太陽能等清潔能源加以充分利用，實現低碳高效供冷供熱，可顯著降低化石能源消耗，具備良好的環保和經濟效益。

 

　　太陽能作為一種可再生的清潔能源已被廣泛采用，傳統太陽能利用方式通過光伏逆變器發電并網，然而由電網統一調度，再以市電的方式消耗，存在諸多能量損耗環節。光伏發電效率取決于太陽輻照度，而太陽輻照度恰恰與建筑空調負荷變化趨勢一致，兩者具有極高的季節適配性。因此，利用變頻離心機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行直聯，實現能量雙向流動、直接利用與動態實時上網，是空調技術研究的新方向。2013年，行業首創的大型光伏直驅變頻離心機系統，其光伏直驅利用率高達96%，能量轉換損失降低6%，并可節省逆變器設備。同時，以離心機作為能源調度中心，建立基于光伏直驅空調的微網系統，多余電量可供其他設備使用、儲存或上網，實現無縫對接，可達到太陽能即發即用、就地消納，以及電網削峰填谷的目標。

 

　　工業企業產生大量的低品位余熱，因溫度較低而難以直接利用。基于離心式的工業余熱熱泵技術，充分回收利用低品位工業余熱實現品位提升，可為企業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行費用，也可以為建筑提供集中供熱或生活熱水，對能源回收和再利用具有重要作用。對于無工業余熱地區，中深層地源熱泵供熱也是一個理想的選擇，通過地埋管間壁式換熱的形式，獲取2~3 km中深層地熱能，結合高效離心式熱泵技術，可顯著降低供熱能耗，具有良好的經濟效益；另外，針對熱電聯產余熱利用，研發蒸汽驅動離心式熱泵機組，以具有一定壓力和溫度的蒸汽作為汽輪機的驅動能源，對汽輪機做功拖動離心壓縮機工作，為熱泵機組的制冷劑循環提供動力，熱水出水溫度可達80 ℃，相比電驅動的離心式熱泵機組，一次能源利用率可提高87%。

 

　　5、結語

　　近20年，在集中空調行業最高技術領域，外資品牌及自主品牌圍繞離心機技術創新和市場份額展開了激烈的角逐，我國離心機整體技術水平得到了飛速發展，市場規模不斷擴大，市場格局也發生巨大變化，目前幾乎全球所有離心機生產廠家都聚焦中國市場。隨著高速永磁電動機及控制技術、無油軸承、氣動效率提升、多級壓縮等新技術的應用，離心機設備自身能效已實現明顯提升，正逐漸接近理論極限水平。隨著“雙碳”戰略的實施，為了實現進一步節能減排的目標，離心機正朝著新型環保制冷劑、光伏直驅空調、余熱利用等系統節能低碳技術的新方向不斷發展。各廠家應抓住綠色、高效的發展機遇，進一步提升設備效率，推廣新型環保制冷劑的應用，同時提高在實際運行中的系統能效及可再生能源利用水平，為實現“雙碳”目標貢獻更多的力量。