摘要
回顾了我国离心式制冷机组市场，特别是国内自主品牌的发展历程。总结了近20年来离心式制冷机组主要能效提升技术的发展，包括永磁电动机及变频驱动、磁/气悬浮轴承、气动效率提升等。从中压制冷剂、负压制冷剂、自然工质等不同路径分析了环保制冷剂应用的发展趋势。在“双碳”战略背景下，展望了离心式制冷机组在光伏直驱空调系统、高温热泵等领域的应用前景。
关键词
离心式制冷机组；变频；磁悬浮；能效；环保制冷剂
作者
刘华1,2 张治平1,2 王 升1,2 周 宇1,2
（1.空调设备及系统运行节能国家重点实验室；2.珠海格力电器股份有限公司）
1、概述
离心式制冷机组（以下简称离心机）具有单机冷量大、效率高、振动小等特点，经过近一个世纪的不断发展与完善，已经成为大型制冷空调系统的关键设备，在国防、核电、数据中心、交通枢纽、公共建筑等各类场合的环境保障中发挥着不可或缺的作用。
近20年来，随着我国经济的持续快速发展与制造工业水平的不断提升，我国离心机市场与技术都取得了突飞猛进的发展。据日本《JARN》杂志统计，2020年世界冷水机组市场容量达到80.8亿美元，中国是主要的冷水机组市场，占世界市场的30.8%。2019年我国离心机产量达到8 510台，相比2000年的500台左右增长了近16倍，离心机生产厂家由原来少数几家外资品牌发展到如今的几十个厂家，中国已成为全球离心机最活跃、最重要的市场。在此期间，国内品牌再启航，在技术与市场上取得长足发展，与外资品牌同台竞技，呈现出多家争鸣的良好局面。
在国家节能减排与低碳战略推动下，各离心机生产厂家围绕如何提升离心机效率、新制冷剂替代等方向展开研究，研发出离心机用高速永磁电动机、磁/气悬浮无油轴承等新型技术，多层面提升离心压缩机效率，实现了离心机能效新的飞跃。第四代低GWP（全球增温潜能值）制冷剂应用研究也被提上日程，各生产厂家陆续推出替代产品。同时，随着技术发展，离心机使用领域与场合也在不断拓展，得到更广泛应用。
本文就近20年来我国离心机发展现状及趋势进行总结分析，供业界参考。
2、离心机市场总体发展
1922年美国开利设计了世界上第一台整体离心机，开启了离心机应用与发展的序幕。我国离心机发展大致可以分为自主、合资、竞争3个阶段。
20世纪50—70年代，为满足纺织、化工等工业需求，我国开始自主设计、制造离心机，生产厂家主要有上海第一冷冻机厂、重庆通用机器厂、北京冷冻机厂、大连冷冻机厂等。1958年，上海第一冷冻机厂研制了我国第一台R11离心机，制冷量1 160 kW；1963年，重庆通用机器厂也试制成功空调用R11离心机，用于纺织厂；1976年起，我国相关制造厂家共同设计了使用R12的离心机，并试制成功。在此期间，离心机使用的制冷剂主要为R11、R12和氨，生产规模较小，产品一般为订制。
20世纪80—90年代，随着改革开放的深入，世界知名制冷厂家先后以合资或独资的方式进入我国，成为我国离心机生产主力军，离心机种类和质量水平都有了质的提升。开利是第一家进入我国市场的国外品牌，1987年与上海第一冷冻机厂成立第一家合资公司；紧随其后，特灵、苏尔寿、麦克维尔、约克等相继与国内冷冻机生产厂家合资建厂，重庆通用机器厂成为该阶段仅存的国内品牌。在此期间，离心机使用的制冷剂从R11、R12向R123、R134a发展，离心机技术主要为国外引进，叶轮等关键零部件仍在国外研发制造。由于国外企业的技术保护，不对外单独销售离心压缩机，美资品牌牢牢占据了中国离心机市场，市场占有率接近95%。
2000年至今，随着我国经济持续高速发展，高层建筑、交通枢纽、会展中心、工业厂房等大型建筑以前所未有的速度展开建设，离心机市场迎来了黄金20年，中国也一跃成为离心机消费大国、生产大国。生产厂家从少数几家合资企业增长到几十家，市场竞争逐渐激烈。生产厂家主要包括：
1） 老牌的美资四大品牌（江森自控、麦克维尔、开利、特灵），为增强市场竞争力，先后在中国建立研发中心，几乎所有零部件都实现在中国制造。2） 格力、美的等家用空调企业作为国内品牌新力量首先进入离心机市场。其中，格力立足自主研发，逐步掌握了离心压缩机关键设计制造技术，在2005年下线了公司首台使用R134a的离心机。美的通过与重庆通用机械厂合资，于2004年成立重庆美的通用制冷设备有限公司，开始生产离心机。3） 顿汉布什、三菱、日立、LG等外资品牌在中国投资建厂生产离心机，角逐中国市场。
4） 出现了丹佛斯、汉钟等制造、销售离心压缩机的企业。由于不需要再研制离心压缩机，国内集中空调生产企业纷纷加入离心机生产行列，包括海尔、捷丰、克莱门特、SMART等，生产厂家迅速拓展到20多家，成为离心机角逐新力量。由此拉开了中国离心机“万类霜天竞自由”的格局，市场从高度集中逐步走向了分散。
特别需要指出的是，在新一轮技术革新中，国内自主品牌抓住了变频化、无油化等新技术机遇，在永磁变频等关键技术上从跟随走向引领，无论是技术还是市场都取得了长足的进步。国内品牌开始应用到人民大会堂、北京大兴国际机场、核电等重大工程，品牌影响力与日俱增。2020年国内品牌的国内市场占比已达到19.4%，可以预见，这一比例还将持续增加。
3、离心机技术发展
纵观离心机发展的历程，可以发现其发展主要围绕能效提升、制冷剂替代2条主线进行。离心机能效要求从无到有、从有到高效节能，现已成为离心机的核心指标；而制冷剂发展与其他制冷机组几乎相同，经历了可用、安全、零ODP（消耗臭氧潜能值）、低GWP 4个阶段，目前正处于第四个阶段。
3.1 离心机能效提升
影响离心机能效的因素很多，总的来讲不外乎本体效率（叶轮等气动效率）、机电效率、机械效率及换热效率几个方面。得益于高效换热管及换热器、三元叶轮设计及加工技术的突破和应用，20世纪80—90年代离心机能效实现过2次大的飞跃，采用R134a制冷剂的离心机平均能效达到6.1左右。然而，在接下来20多年，能效基本趋于稳定，直到2000年以后，离心机能效再次迎来大发展，能效特别是全年综合能效进一步大幅提升。在此期间，我国冷水机组能效标准颁布，推动了高能效产品的市场占有率稳步提升。
3.1.1 永磁变频电动机及控制技术
离心压缩机为速度型压缩机，流量与其转速成正比，而功率则与转速的三次幂成正比，采用变频调速方式可以显著提升部分负荷能效，变频调速成为离心机首选的节能措施。变频调速并非新技术，早在1979年，约克就推出了用于离心机的速度调节装置，其变频与导流叶片相结合的控制方式将离心机综合部分负荷能效提升15%~25%。当时的变频机组是在定频离心机基础上外置交流变频驱动器，压缩机仍采用三相异步电动机通过增速齿轮驱动叶轮高速旋转，如图1所示。与定频离心机相比，变频离心机额外增加了变频器的损耗，导致满负荷COP降低5%左右，而且受电动机效率、机械效率等因素制约，机组部分负荷能效提升幅度低于理论预期，难以进一步提高。
随着电力电子技术的发展，高速大功率永磁变频电动机在大型离心机中应用成为可能，离心压缩机的结构与效率迎来了新的变革与突破。2011年，格力推出国内外第一台大功率永磁同步变频离心机，该产品采用高速电动机直驱叶轮结构，取消增速齿轮箱及一对滑动轴承（如图2所示），压缩机体积、质量仅为同冷量传统压缩机的40%，机械损失降低70%，首次研制的离心机用永磁同步电动机效率最高达98.2%，全工况内电动机效率均高于95%，进一步提升了部分负荷效率。整机COP达到7.09，在AHRI标准下IPLV达到11.68，相比传统变频离心机能效进一步提升10%~15%，实现满负荷、部分负荷“双高效”，引领了变频技术新发展。其他企业相继对这种高速直驱结构与永磁变频展开研究。美的于2015年推出高效变频直驱降膜离心机，日立于2020年推出永磁同步高效直驱变频离心机。与此同时，永磁变频技术也在向10 kV高电压发展，行业内已推出10 kV高压永磁变频离心机，单机头冷量达到10 551 kW（3 000 rt），满足了大型集中制冷站对高效、大冷量的需求。
变频技术的发展，带动了冷水机组综合能效水平提升，也推动了能效评价标准的完善，GB 19577—2015《冷水机组能效限定值及能效等级》相对于上版标准出现了较大变化，首次在能效评价体系中增加了全年综合能效IPLV判定路径，促进了变频技术的推广。同时，1级、2级能效COP的限值也提高了3.3%~12.0%，推动了高效产品的广泛应用。
3.1.2 磁悬浮、气悬浮等无油轴承技术
离心压缩机采用油润滑轴承，存在机械摩擦，需要复杂的油路系统。以磁悬浮为代表的无油轴承可实现压缩机高速无油运行，没有摩擦，机械损失几乎为零。磁悬浮技术是离心机近20年来的一次重大发展，也将在制冷史上写下浓厚的一笔。
磁悬浮轴承原理如图3所示，利用电磁力将压缩机转子悬浮起来，实现转子高速无油无摩擦运行。离心压缩机在气体压缩过程中不需要油膜进行密封，因此最具备去掉润滑油系统的可行性。20世纪90年代，澳大利亚TURBOCOR公司研发了第一台用于制冷的磁悬浮离心压缩机，采用R134a，制冷量约352~528 kW（100~150 rt），转速可达30 000 r/min以上，启动电流小，运行噪声低，体积、质量小。由于单机冷量较小，早期磁悬浮压缩机主要瞄准螺杆压缩机市场。2004年，丹佛斯收购TURBOCOR公司，成为目前最大的磁悬浮压缩机生产企业与供应商，进一步推出VTT系列（703~1 407 kW（200~400 rt））压缩机等，并于2017年在中国浙江海盐投资建厂生产磁悬浮压缩机。另外SKF法国子公司S2M拥有成熟的磁悬浮轴承和高速电动机技术，可为离心压缩机生产厂家提供成套技术解决方案及核心组件，推动了磁悬浮技术的应用。
磁悬浮离心机由于具有无油、能效高等特点，得到了迅速推广应用，其无油的特点，也减少了润滑系统售后维护。越来越多的厂家加入到磁悬浮离心机生产阵营，包括麦克维尔、约克、格力、海尔、捷丰、克莱门特、SMART、三菱重工等企业，数量达到近20家。其研发模式主要有3类：一是购买丹佛斯压缩机生产离心机，该模式简单快捷，迅速推广了磁悬浮离心机的概念及应用；二是通过购买SKF磁悬浮轴承及高速电动机，生产磁悬浮离心压缩机，进而生产离心机，这种模式适合具备离心压缩机生产能力的厂家；三是自主研发磁悬浮轴承技术及压缩机，格力于2014年推出自主知识产权磁悬浮轴承、离心压缩机及制冷机组，填补了我国在这一领域的空白。
气悬浮技术也是重要的无油轴承技术之一，如图4所示，气体轴承依靠转子高速旋转时气膜产生的浮力使转子悬浮，结构紧凑，悬浮精度高，广泛应用于航空航天、精密机床等高端领域。将气悬浮轴承技术产品化应用到离心式制冷压缩机的代表性企业有LG、格力、万辰、美的等，其中LG、格力采用高速动压轴承方案，万辰、美的则采用静压路线。与磁悬浮轴承相比，气悬浮技术不需要复杂的传感器及控制系统，结构紧凑，更适合离心机向高速小型化发展。
无油轴承的另一种形式是制冷剂润滑的陶瓷滚动轴承，用液体制冷剂取代润滑油对滚动轴承进行润滑和冷却，相比磁悬浮、气悬浮轴承，具有承载能力强、精度高等特性，但因存在机械接触，最高转速有限。目前SKF公司已研制出制冷剂润滑滚动陶瓷轴承，已在部分厂家低转速的环保制冷剂R1233zd(E)离心机产品上得到应用。
离心机包括油润滑轴承在内的4种轴承各有其特点与优势。从适用场景来看，油润滑轴承刚度和阻尼大，抗冲击能力强，适合于大冷量、高压比、工况变化大或对可靠性要求高的压缩机；磁悬浮轴承系统结构相对复杂，抗冲击能力弱于油轴承，适合于高速、中小冷量的压缩机；气悬浮轴承承载力小，适合于超高速、小冷量场合，气悬浮结构相对简单，是离心压缩机小型化的重要出路之一；制冷剂润滑滚动陶瓷轴承受转速和制冷剂黏度的限制，主要在运行转速低的负压工质R1233zd(E)离心机中有应用。从成熟度来看，油润滑轴承应用历史最长、应用最广，磁悬浮轴承次之，而气悬浮与制冷剂润滑轴承刚刚起步，还需要经历更长时间的考验。
3.1.3 离心压缩机气动效率提升
提升压缩机气动效率可获得较高的离心压缩机性能，是每个厂家追求的目标。近些年各个厂家在设计工具、设计方法及压缩机级数等方面取得了较大的发展，有效提升了气动效率。
离心式叶轮是气动核心部件，国内外各大离心压缩机厂家均采用三元流方法进行叶轮设计。三元流方法要求设计人员具备数值模拟、计算流体动力学（CFD）、流体机械内部流场理论等非常专业的知识。随着计算机技术及CFD的发展，相继出现了一批可应用于离心压缩机研究的CFD软件。这些软件的发展极大地丰富了三元叶轮的设计手段，提高了工程设计的效率。同时五轴机床技术的发展实现了自由曲面叶轮型线加工，为获得高性能的三元叶轮创造了更好的条件。
定频离心压缩机因转速不可调，叶轮只能依据额定工况做单点设计，在设计点能达到较好性能，但在非额定工况运行时流动分离损失增大，效率衰减很快。而离心机绝大部分时间是运行在非额定工况，处于低效状态，综合能效较难提升。随着变频技术的推广，针对不同转速、不同负荷，以全工况综合能效最优为目标的全工况气动设计方法取代传统单点设计成为可能。全工况气动设计方法是利用大数据分析手段，引入时间权重，针对不同类型空调运行时长占比高的工况进行优化设计，拓展高效运行区，实现变频压缩机特性与空调设备全年运行特性的最优匹配，达到全年运行节能的目的。
多级压缩也是提高机组能效与可靠性的行之有效的方法，在国标制冷工况，采用双级压缩、级间补气技术，可比单级循环理论效率提高5%~6%，在高压比下，提升幅度将更大。同时，采用双级压缩叶轮转速只有单级压缩的75%左右，降低了叶轮进口马赫数，更容易获得更高的级效率。另外，双级压缩能实现更高的压比，特别适合于热泵供暖、冰蓄冷等高压比应用场合，近年来已逐步成为离心机发展主流。实际应用中，也有将2台单级或双级压缩机串联使用，以实现更高压比运行的效果。
可以看出，经过近20年的发展，离心机各环节的效率基本已趋近极致，在GB/T 18430.1—2007标准工况下，COP与IPLV存在理论极限，目前，其热力完善度均接近0.7。笔者认为，如果没有新的理论突破与支撑，进一步提升机组能效将会异常困难。
3.2 制冷剂的应用与发展
制冷剂是制冷系统的血液，决定了制冷循环的理论效率，也在一定程度上影响了空调设备的寿命、可靠性和成本，为了获得安全、高效、环保的制冷剂，自离心机诞生以来，对制冷剂的研究与替代工作就始终未停止，与其他制冷机组相同，也经历了可用、安全、零ODP、低GWP 4个历史阶段。
从早期的乙醚、氨、氯甲烷、二氯乙烯等物质，到第二代以氟利昂为代表的卤代烃（CFC、HCFC）类产品，制冷剂的更替解决了安全、耐久的问题，促进制冷行业进入黄金发展阶段。20世纪70年代后期，CFC类物质与臭氧层损耗之间的关系被发现并引起国际范围内重视，制冷剂的选择开始转向以环保为主题。《维也纳公约》与《蒙特利尔议定书》明确取缔CFC类产品，并规定HCFC可短期过渡，HFC则允许长期使用，此阶段离心机市场逐步形成R134a中压制冷剂与R123负压制冷剂两大产品阵营。2010年后，HFC类物质普遍具有的极高GWP引起国际社会关注，《基加利修正案》的出台，标志着全球在加强HFC等非二氧化碳温室气体管控。空调行业面临HCFC加速淘汰和HFC削减的双重任务，迫切需要找到第四代绿色替代品。
HFO类制冷剂被看作大中型工商用冷水机组的理想替代物。按照《基加利修正案》的规定，中国等主要发展中国家，需在2024年冻结HFC的生产和消费，并从2029年开始削减，当年削减10%，2045年要实现削减80%的目标。离心机制冷剂按原有中压、负压2条路径展开替代。在中压制冷剂替代方面，替代制冷剂主要为R1234ze和R1234yf及其混合工质。其中R1234ze的GWP为1，单位容积制冷量为R134a的74.5%，能效与R134a相当；而R1234yf的GWP为4，单位容积制冷量为R134a的93.9%，能效为R134a的95.8%。由于2种制冷剂均具有弱可燃性（A2L），对建筑通风、防爆、防静电等有较高的要求，在制冷剂充注量较大的离心机中应用不多。因此，各厂家推出了混合共沸制冷剂产品，如R513a、R515B，具有远低于R134a的GWP，不燃，并且与R134a能效相当，压缩机所需改动较小，被越来越多地用于离心机的直接替代或改造。在负压制冷剂替代方面，R1233zd(E)制冷剂的GWP小于1，不可燃，其理化性质接近R123，饱和压力低，压差小，具有优越的热力性能，COP普遍可以达到7.0以上，但单位容积制冷量小，相同冷量压缩机体积较大，单机冷量受限。目前特灵、开利、约克、格力等厂家纷纷推出该制冷剂的离心机。目前，HFO制冷剂价格昂贵，是现有制冷剂的10倍以上，离心机制冷剂充注量大，因此新制冷剂机组应用还较少，全部替代尚需要一个较长期的过程。
水（R718）具有较高的汽化潜热和理论COP，曾经作为早期的制冷剂被研究。1934年Belmont最早将水蒸气离心压缩机应用于空调系统，但因水蒸气饱和压力低，容积流量大，空调工况压缩机近乎需要在真空状态下工作，结构复杂、尺寸庞大。随着氟利昂类制冷剂的发现，水作制冷剂的研究和应用逐渐减少，目前比较有代表性的有德国德累斯顿ILK、日本川崎重工等开发的水制冷剂离心机。在如今严峻的能源与环境危机下，水作为绿色环保、廉价易得、安全稳定的自然工质，又作为第四代制冷剂重新回到人们的视野，尤其在高温、热泵工况下的应用可以将水的低压特性发挥到最佳，未来以水为制冷剂的高温工业热泵，以及水蒸气压缩机替代工业锅炉，将具有广阔的应用前景。
4、离心机的节能应用
随着“双碳”战略的实施，低碳建筑已成为国内外主流发展趋势，其对于提高能效、减少化石能源使用、降低二氧化碳排放量提出了更高的要求。基于定制化的高效离心式制冷及热泵技术，将工业余热、水/地源、太阳能等清洁能源加以充分利用，实现低碳高效供冷供热，可显著降低化石能源消耗，具备良好的环保和经济效益。
太阳能作为一种可再生的清洁能源已被广泛采用，传统太阳能利用方式通过光伏逆变器发电并网，然而由电网统一调度，再以市电的方式消耗，存在诸多能量损耗环节。光伏发电效率取决于太阳辐照度，而太阳辐照度恰恰与建筑空调负荷变化趋势一致，两者具有极高的季节适配性。因此，利用变频离心机的变频装置作为换流器，将光伏输出的直流电与中间直流母线进行直联，实现能量双向流动、直接利用与动态实时上网，是空调技术研究的新方向。2013年，行业首创的大型光伏直驱变频离心机系统，其光伏直驱利用率高达96%，能量转换损失降低6%，并可节省逆变器设备。同时，以离心机作为能源调度中心，建立基于光伏直驱空调的微网系统，多余电量可供其他设备使用、储存或上网，实现无缝对接，可达到太阳能即发即用、就地消纳，以及电网削峰填谷的目标。
工业企业产生大量的低品位余热，因温度较低而难以直接利用。基于离心式的工业余热热泵技术，充分回收利用低品位工业余热实现品位提升，可为企业提供工艺流程需要消耗的高品位能源，降低能源消耗量和运行费用，也可以为建筑提供集中供热或生活热水，对能源回收和再利用具有重要作用。对于无工业余热地区，中深层地源热泵供热也是一个理想的选择，通过地埋管间壁式换热的形式，获取2~3 km中深层地热能，结合高效离心式热泵技术，可显著降低供热能耗，具有良好的经济效益；另外，针对热电联产余热利用，研发蒸汽驱动离心式热泵机组，以具有一定压力和温度的蒸汽作为汽轮机的驱动能源，对汽轮机做功拖动离心压缩机工作，为热泵机组的制冷剂循环提供动力，热水出水温度可达80 ℃，相比电驱动的离心式热泵机组，一次能源利用率可提高87%。
5、结语
近20年，在集中空调行业最高技术领域，外资品牌及自主品牌围绕离心机技术创新和市场份额展开了激烈的角逐，我国离心机整体技术水平得到了飞速发展，市场规模不断扩大，市场格局也发生巨大变化，目前几乎全球所有离心机生产厂家都聚焦中国市场。随着高速永磁电动机及控制技术、无油轴承、气动效率提升、多级压缩等新技术的应用，离心机设备自身能效已实现明显提升，正逐渐接近理论极限水平。随着“双碳”战略的实施，为了实现进一步节能减排的目标，离心机正朝着新型环保制冷剂、光伏直驱空调、余热利用等系统节能低碳技术的新方向不断发展。各厂家应抓住绿色、高效的发展机遇，进一步提升设备效率，推广新型环保制冷剂的应用，同时提高在实际运行中的系统能效及可再生能源利用水平，为实现“双碳”目标贡献更多的力量。
