《冷（lěng）水機組技術新進展》信息簡報發布

近日，國際製冷學會（IIR）發布了《冷水機組技術新進展》信息簡報。

該（gāi）簡報由（yóu）IIR E1空調專業委員會秘書王寶龍和IIR E1空（kōng）調專業委員會（huì）主席李先庭撰寫。

本信息簡報介紹了（le）冷水機組的工作原理以及冷水機組技術在（zài）製冷（lěng）劑、蒸發器（qì）、壓縮（suō）機和係統（tǒng）方麵的最新進展，旨在提高公眾對於高效冷水機（jī）組在減少公共建築能耗中重要（yào）性的認識。

信息簡報同時對高效冷水機組的未來應用提出（chū）一係列（liè）建議。

IIF IIR

2021年3月

第42期製冷技（jì）術信息簡報

王寶龍（lóng） 李先庭

INSTITUT INTERNATIONAL DU FROID INTERNATIONAL INSTITUTE OF REFRIGERATION

冷水機組技術新進展

第42期製冷技術信息簡報

引言

隨著社會（huì）經濟的發展、人口（kǒu）增長、生活水平的提（tí）高和氣（qì）候變暖，全球對房間空調的（de）需求越（yuè）來越大（dà），這（zhè）導致 房間空調所消耗的能源迅速增加。

根據IEA的預測[1] ，從2016年到2050年，房間空調器的（de）使用量將從12億 台急劇增加到45億台。

同時，全球用於（yú）房間空調的能源（yuán）消耗量將從2016年的2020TWh躍升到2050年的6200 TWh，增幅達三倍。

屆時，房間（jiān）空調能耗將占（zhàn）建築總能耗（hào）的30%。

因此，為了降低（dī）空調對氣候的影響，實現 巴黎協定的（de）全（quán）球（qiú）溫度升高的2℃上限目標，降（jiàng）低製冷能（néng）耗是一項勢在必行的重要工作。

不同的建築有著不同的空調需求，其所適用的設備也不盡相同。

對於小型（xíng）建（jiàn）築，如住宅建築，通常采用直（zhí） 膨式係統，包括房間空調、組合式空（kōng）調和多聯機（VRF）等。

對於大空間的公共建築，如商業建築、辦公 建築、工業（yè）建（jiàn）築、醫院等，中央空調係統則更（gèng）為合適。

對於居住建（jiàn）築而（ér）言，開發超級（jí）節能空調可以大大降 低製冷過（guò）程中的能源（yuán）消耗和氣候效應[2] 。

對於公共建（jiàn）築而言，中央空（kōng）調係統的設（shè）計、安（ān）裝、運行和維（wéi）護（hù）是 實現節能的關鍵，其中冷水機組的節能設計又起著最重要的作（zuò）用。

需要說明的是，除了用於空（kōng）調外，冷水機組也廣泛應用於商業和工業（yè）過程以及設備的冷卻，如電子（zǐ）製（zhì）造（zào）、 精密加工、製藥等。

工作原理（lǐ）

圖1為一個簡要的中央（yāng）空調係（xì）統示意圖。

與直膨式係統中（zhōng）製冷（lěng）劑直接冷卻室內空氣不同，中央空調係統（tǒng）中 的室內空氣由冷凍水冷卻除濕。

冷凍（dòng）水則由冷水機組製（zhì）取，經過水泵輸配（pèi）到各個空調箱（xiāng）。

這一特征使得中 央空調係統可以方便地覆蓋多個空間。

一般來說（shuō），在商業建築（zhù）中冷（lěng）水機組的（de）能耗約占中（zhōng）央空調係統總（zǒng）能耗 的40%[3] 。

因此，降低冷水機組的能耗是中央（yāng）空調係統（tǒng）節能的主要方向。

根（gēn）據換熱介質的不同，冷水（shuǐ）機（jī）組 可（kě）分為水冷式冷水機組和風冷（lěng）式冷水機組（zǔ）。

目前市場上的冷水機組多采用蒸氣壓縮製冷循環、吸收式製冷 循環或吸附式製冷（lěng）循環。

其中，無論（lùn）從（cóng）總（zǒng）製冷量還是總機數量來看，蒸氣壓縮係統都占據了市場的主（zhǔ）導地

圖1中央空調係統（tǒng）示意圖

圖2蒸氣壓縮式製冷（lěng）機原理

位。

蒸氣壓縮式冷水（shuǐ）機組通常包括壓縮機、冷凝器、節（jiē）流裝置和蒸發器。

如圖2所（suǒ）示，壓縮機吸入的低溫 氣態製冷劑被壓縮成高溫（wēn）高壓的氣態（tài）製冷劑（jì）後進（jìn）入冷凝器，之後在（zài）冷凝器中冷卻為液體，冷凝熱被冷卻水（shuǐ） 或環境空氣攜帶排到（dào）環境中。

之後，液體製冷劑被節流成兩相並進入蒸發器。

在蒸發器中製冷劑（jì）吸收冷凍 水的熱量後（hòu）蒸發，從而（ér）實現冷凍水的降溫（wēn）。

最後，製冷劑返回壓（yā）縮機，開始下一個循（xún）環。

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第42期製冷技術信息簡（jiǎn）報

技術（shù）發展介（jiè）紹

為了滿足對（duì）能源效率和環境性能（néng）的更高要求（qiú）， 冷水機組相關技術得到（dào）了不斷的發展。

一方（fāng）麵， 針對製冷 劑、蒸發器和壓縮機等部件進（jìn）行了多項新技術研（yán）發，另（lìng）一方麵針對特定（dìng）的應用（yòng）需求也開發出了更（gèng）多更高效 的設（shè）備係統。

1. 製（zhì）冷劑及部（bù）件技術（shù）發（fā）展

製冷（lěng）劑替代（dài）

聯合國環境規劃（huá）署（UNEP） [4] 給出了目前不同類（lèi）型冷水機組使用的主要製冷劑， 如表1所示。

其 中，HCFC123以其良好的能效和較低的容積容量被廣（guǎng）泛（fàn）應用於離心式冷水（shuǐ）機組中，HFC134a是采用渦（wō）旋壓縮 機、螺杆（gǎn）壓（yā）縮機等容積式壓縮機的大中型冷（lěng）水機組的主要（yào）製冷劑，而R410A和HCFC22通常用於中小型冷水 機組。

一（yī）般來說，HCFCs和HFCs仍然是現（xiàn）有（yǒu）冷水機組使用的主要製冷劑，這可歸因於冷（lěng）水機組較長的使用（yòng） 壽命以（yǐ）及HCFCs和HFCs仍在逐步淘汰的過程中。

表（biǎo）1目前不同類型冷（lěng）水機組使用（yòng）的主要（yào）製冷劑[4]

LC: 不常見

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第42期製冷技術信息簡報

隨著《蒙特利爾議定書》的197個（gè）締約方（fāng）於2016年在基（jī）加利（lì）簽署了逐步削減HFCs的修（xiū）正案，具有高GWP的 HFCs製冷劑（jì）的逐步削減方案已經（jīng）確定。

因此（cǐ），為（wéi）目（mù）前廣泛使用的製冷劑開發合適的替代品已成為製冷技（jì）術（shù） 發展中最迫切的（de）課題之一。

研究者們很早就在尋（xún）找新的低GWP製冷劑，但通過對化（huà）學數（shù）據庫的大規模篩選[5] 發現，現有的（de）製冷（lěng）劑很少能 夠同時滿足未來製冷劑對安（ān）全性、熱力學性能和環境（jìng）性能的所有要（yào）求。

在這種情況下，天然製冷劑（jì）、碳氫 化合物、HFOs（氫氟烴）及其混（hún）合物越來越（yuè）受到人們的關（guān）注（zhù）。

天然製冷劑，例如R717、R744和R718，以及碳氫化合物，由於其良好的環境性能，正被重新考慮作為冷水 機組（zǔ）的潛在替（tì）代製冷劑。

目前，尤其是（shì）在歐洲，使用GWP接近零的天然工質及碳氫化合物工質的產品在市 場上（shàng）獲得了較好的發展勢頭。

R717（氨）具有良好的熱力學和流體力學（xué）性能，已經在工業冷水機組中應用了幾十年。

R717的主要（yào）缺點是 毒性、易燃性和對銅的（de）腐蝕（shí）性。

在工業應用（yòng）中，通過合理選擇機（jī）房位（wèi）置、設置氨傳感器和（hé）噴水係統、采用 開式壓縮機等措施和手段，可（kě）以有效地控製這些缺點所（suǒ）帶來的風險。

近來，R717也被考慮應用於舒適空調 係統[6] ，但是這需要更仔細（xì）的管理和更加（jiā）健全的建築規範來防（fáng）範可能存在的風險。

R744（二氧化（huà）碳）是一種廣泛應用於熱泵熱水器中的高效製冷劑。

但是，研（yán）究也（yě）發現，在室外（wài）環境較低， 例如室外溫度低（dī）於15℃下，製冷模（mó）式下R744係統（tǒng）在能效和全生命期（qī）氣候（hòu）性能（LCCP）方麵與采用（yòng）氟化物製 冷劑的係統相當。

因此，R744風冷冷水機組已被引入北歐市場。

R718（水）冷水機組（zǔ）可用於閉式循環製取冷凍水（shuǐ）或用開式循環係（xì）統結構直接從水（shuǐ）池中蒸發製備冰（bīng）漿，具有 較好的成本優（yōu）勢。

但是，吸氣（qì）壓力低、壓縮比高和吸氣密（mì）度低等因素導致采用R718的設備需要設計高容積 流量的軸流（liú）式壓縮機，這限（xiàn）製了其在（zài）製冷領域的應用。

然而，歐洲、中東和南非也已經展示了幾種冷水機 組和商用（yòng）真空製冰機[7] 。

冷水機組中常用的碳氫（qīng）化合物製冷劑是（shì）HC290和HC1270。

HC290和HC1270具有很好的熱力學性能（néng），類似於 HCFC22。

利用碳氫化合物的最大挑戰是其高可燃（rán）性，這在很大（dà）程度上限製了最大製冷劑充注量和在室內等 較（jiào）為密閉空間的安裝（zhuāng）使用。

目前，碳氫化合物已成功地應用於小容量製冷（lěng）係統，如冰箱和房間空調器。

對 於冷水機組，隻有（yǒu）在丹（dān）麥、挪威、英國、德國（guó）、愛爾蘭、美國和新西蘭等地有（yǒu）小容量風冷冷水機組使用， 且安裝數量有限[8] 。

HFOs是由氫（qīng）、氟和碳（tàn）組成的不飽和有機化合物（wù），具有零臭氧消耗潛能（ODP）和極低的GWP。

許多HFO製冷 劑本質上是穩定的、無毒的、不易燃或輕度易燃的， 其中（zhōng）一些具有合適的凝固點和沸點， 可用於常溫下 的製冷。

在純HFOs中，HFO1234yf、HFO1234ze（E）、HCFO1233zd（E）和HCFO1224yd（Z）等被廣泛應 用於空調用冷水機組。

HFO1234yf與HFC134a具有相似的熱力學性能，GWP<1，被認為是（shì）HFC134a的一種潛 在替代品。

一般情況下， HFO1234yf的容積製（zhì）冷量比HFC134a低6～20%。

同（tóng）時， HFO1234yf製冷係統（tǒng）的性 能係數（COP）比HFC134a製冷係（xì）統低8～20%[9,10] 。

但HFO1234yf係（xì）統的性能可以通（tōng）過部件和循環優化（huà）來提 高。

HFO1234ze（E）也（yě）被認為是HFC134a的低GWP替代品。

HFO1234ze（E）的容積製冷量較（jiào）HFC134a係統低 26%，而兩者製冷能效（xiào）係數則基本相當。

HCFO1233zd（E）具（jù）有與HCFC123相近的能效（xiào）比和1.4倍的容積製冷 量，被認為是HCFC123的良好替代品。

HCFO1224yd（Z）是HFC245fa的潛在替代品，它的COP和HCFC123接 近，而HCFO1224yd（Z）的容積製冷量比（bǐ）HCFC123高出60%，在設計新的冷（lěng）水機組時應（yīng）注意這一點。

正如前麵提及，由於製冷量、可燃性等方（fāng）麵的差異，絕大多數純（chún）HFOs不（bú）能直接在冷（lěng）水 機組中直接（jiē）衝注使用。

因此，研究者開發了許多HFOs混合製冷（lěng）劑用於製冷劑替代。

其 中，R444A、R445A、R450A、R513A、R515A被用於替代R134a，R514A是R123的（de）非共沸替代品之一，R32/ HFOs混合（hé）物（包括R446A、R447A、R452B等）則是R410A的替（tì）代製冷劑。

用於（yú）冷水機組的新出（chū）現的低GWP替代（dài）製（zhì）冷劑見（jiàn）表2[4] 。

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第42期（qī）製冷技術信息簡報

表2冷水機組的低（dī）GWP替代製冷劑[4]

產品類型

使用低壓製冷劑的離心式或軸（zhóu）流式壓縮機的大型冷水（shuǐ）機組（zǔ）

采用中壓製冷劑的離（lí）心（xīn）式壓（yā）縮機大型冷水機組

采用容積式（螺杆式）壓縮機的中型冷水機組

采用容積式（渦旋式、旋轉式或往複式）壓（yā）縮機的（de）小型冷水機組（zǔ）

替代製冷劑

HCFO1233zd(E) R514A R718 R513A HFO1234yf HFO1234ze(E) HCFO1224yd(Z) R513A R450A HFO1234yf HFO1234ze(E) HC290 R717

HFC32 R452B R454B R454B R290 R744

盡（jìn）管現有的主流冷水機組仍然采用傳統製冷劑，但領（lǐng）先的冷水機組製造商已經評估了這些替代（dài）品，並逐步 發布了使用這些低GWP製冷劑的新型冷水機組（zǔ）。

開利於2016年（nián）4月發布了采用HCFO1233zd（E）的離心式製（zhì） 冷水機組。

除此之外，他們還開發（fā）了可使用R513A的19XR離心（xīn）式冷水機組、23XRV水冷式冷水機組和30XV/ XA風（fēng）冷螺杆式冷水機組（zǔ）。

2017年，特靈發布了采用R513A和R514A的離心式冷水機組，HFO1234ze（E）螺杆 式冷水機組。

2019年，約克公司擴展了采用HCFO1233zd（E）製冷劑的磁懸（xuán）浮冷水機（jī）組產品類型（xíng）。

此（cǐ）外（wài）， 其他重要的冷水機（jī）組製造商也推出了自己的采用低GWP新型冷水機組（zǔ）[11] 。

表（biǎo）3列出了主要的商業化程度較高 的低GWP 的（de）HFO製冷劑。

表3主要的商業（yè）化程度較高的低GWP 的（de）HFO製（zhì）冷劑

替代（dài）製冷劑

HCFO1233zd(E) HCFO1224yd(E) R514A R1234ze(E) R513A

壓縮機類（lèi）型

離心式

離心式和（hé）螺杆

GWP

1 1 2 <1 573

安全等級

A1 A1 B1 A2L A1

相對容量

140%

160%

95%

74%

101%

相對能效

99%

99%

100%

100%

98%

說明（míng）

比較基準 HCFC123

比較基準 HFC134a

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第42期製冷技術信息簡報

降（jiàng）膜蒸發器

蒸發器是蒸氣壓縮製冷係統中（zhōng）最（zuì）重要的換熱器之一（yī）。

它可分為直膨式蒸發器、溢流式蒸發器。

直膨式蒸發 器（qì）的製冷劑流量由膨脹閥根據蒸發器出口的過熱度進行（háng）控製。

在這種蒸發器中，過熱（rè）區（qū）傳（chuán）熱係數較低，大（dà） 大降（jiàng）低了蒸發器的性能，不（bú）利於冷水機組的COP的提升。

在傳（chuán）統溢（yì）流式（shì）蒸發器—滿液式蒸發器（qì）中，換熱管 浸沒在液（yè）態製冷劑中。

蒸發器出口（kǒu）的製冷劑飽和（hé）或（huò）略過熱。

滿液式蒸發器通常（cháng）采用液（yè）位傳感器而不是膨脹 閥來控製製冷劑的質量流量。

由（yóu）於滿液式蒸發器的過熱區較小，其整體換熱性能（néng）優於直接膨脹式蒸發器。

但由於滿液式蒸發器內充（chōng）滿了液態製冷劑，因此製冷劑充注量更大。

全球應對氣候變化的行動限製了製冷 劑的總量，推高了製冷劑的價格。

為了減少製（zhì）冷劑的充注量，研究者們提出了降膜蒸發器。

降膜蒸發器是另（lìng）外一種典型的溢流蒸發器，如圖3所示。

經過節流後的液體製冷劑從製冷劑入（rù）口進入蒸發 器的分配盤中（zhōng），分配盤將液體製冷劑均（jun1）勻地噴灑在換熱管束上，使管的所有外表麵保持濕潤。

殼（ké）體底部保 持沒有或很少的液體製冷劑積（jī）聚。

圖（tú）3降（jiàng）膜蒸發（fā）器結構

與其它蒸發器相比， 降膜蒸發器具有總傳熱係（xì）數高、成本（běn）低、對環境影響小等（děng）優點。

因此， 降膜蒸發 器已被許多冷水機組（zǔ）製（zhì）造商廣泛應用於節（jiē）能型冷水（shuǐ）機（jī）組中， 包括特靈、約克、大金、美的等[12,13,14] 。

例 如，2013年美的集團發布了一款帶降（jiàng）膜蒸發器的兩級壓縮離（lí）心式熱泵（bèng）[15] ，製冷劑（jì）充注量減少了40%以上， 額定COP達到7.11。

但是，應該注意的是，降膜蒸發器不（bú）能用於使用非共沸混合（hé）物的冷水（shuǐ）機組，因為非共沸製冷劑在蒸發過（guò）程 中（zhōng）會發生組分遷移，組分的遷移將大大降（jiàng）低冷水機組的性能。

無油壓縮機

在傳統的（de）製冷壓縮機（jī）中，潤滑油是必不可少的，其（qí）具有減少磨損、密封、散熱等功能。

但對於蒸氣壓縮係 統中的其它部件，如（rú）換熱器，潤滑油會降（jiàng）低傳熱效率，降低係統（tǒng）性能，使（shǐ）係（xì）統（tǒng）結構複雜。

近年來，無油壓（yā） 縮機（jī）技術（shù）研究取得了長（zhǎng）足的進步，並開（kāi）發了一係列相關產品。

根據所采用技術（shù）的不同，無油壓縮機分為（wéi）磁力軸承、氣體軸承和陶瓷軸承三（sān）種（zhǒng）。

雖然後兩者也得以研究和（hé） 開發，但與應用磁力軸承的磁懸浮壓縮機相比（bǐ），它們的應用要少（shǎo）得多。

從理論上講，磁力軸承可用於任何 類型的（de）壓縮機，以減少軸承的摩擦，提高機械效率，並可能擴大轉速範（fàn）圍。

但是，在容積式壓縮機中，潤 滑油的缺失（shī）會給摩擦付的潤滑、散熱和密封壓縮腔等方麵帶來巨大挑戰。

因此，目前隻有磁懸浮離心式（shì）壓 縮機在市場上得到了指數式的發展。

磁懸浮離心式壓（yā）縮機利用永磁力和電磁力的組合使壓縮機的軸懸浮。

采用高（gāo）頻相對位置傳感器和電磁快速

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第42期製冷技術信息簡報

電流控製（zhì），動態調整軸的姿態，避免（miǎn）碰撞（zhuàng）。

采用磁力（lì）軸承，消除了複雜的供（gòng）油、分離和回油係統（tǒng），並且消（xiāo） 除了油所帶來的傳熱阻力和汙（wū）垢，能夠有效提高冷水機組的能效。

此外，無油避免了並聯（lián）壓縮機油平衡（héng）的 問題，實現了部分負荷條件下蒸發器和（hé）冷凝器的最（zuì）大利用，大（dà）大（dà）提高了冷（lěng）水機組的部分（fèn）負荷性能（néng）。

同時， 由於軸與軸承之間（jiān）沒有摩擦，壓縮機的轉速上限提高，從而提高了壓縮機的容量和能效（xiào）。

自2000年代丹佛（fó）斯Turbocor成功將小型磁懸浮離心式壓縮（suō）機商業化以來，許多領先的冷水機組製造商都已 經（jīng）開發了自己的磁（cí）懸浮（fú）離心（xīn）式壓縮機和冷水機組，如表4所示。

此（cǐ）外，20多（duō）家冷水機組製造商已經發布了 帶有丹佛斯磁懸浮離（lí）心式壓縮機的（de）各類冷水（shuǐ）機（jī）組[16] 。

這些機組的最大（dà）綜合部分負荷性（xìng）能係數（IPLV）可達 11.98。

與傳統（tǒng）的中央空調機組相比，磁懸浮冷水機組在部分工況下節能率可達（dá）到50%。

表4主要磁懸浮（fú）離心（xīn）式壓（yā）縮機和冷水機組生（shēng）產廠商[4]

廠（chǎng）家

丹佛（fó）斯Turbocor（壓縮機

大金（壓縮機+冷水機組）

頓漢·布（bù）什（壓縮（suō）機+冷水機組）

複盛（壓縮機+冷水機組）

格力（lì）（壓縮機+冷水（shuǐ）機組）

海爾（冷水機（jī）組）

漢鍾精機（壓縮機+冷水機組）

LG（壓縮機+冷（lěng）水機組）

三菱重工（壓縮機+冷水機組）

特靈（壓縮機+冷水機組）

約克（壓縮機+冷水機組）

容量（冷噸）

60-400

400-700

600

175-280

80-1300

100-4500

400-450

260-1100

400-500

175-425

165-1350

製冷劑

HFC134a HFO1234ze(E) R513A

HFC134a

HFC134a

HFO1234ze(E)

HFC134a

HFC134a

HFC134a HFO1234ze(E)

HFC134a

HFC134a

HFC134a R513A

HFC134a HCFO1233zd(E)

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第42期（qī）製（zhì）冷技術信息簡報

2. 高溫冷水機組

空調（diào）係統負責（zé）室內環境的冷卻和除濕。

對空氣進行冷卻（què）處理所需要（yào）的冷凍水的溫度隻（zhī）需（xū）要低於空氣的幹球 溫度，但對空氣進行（háng）冷凍（dòng）除濕處理所需要（yào）的冷凍水的（de）溫度需要低於空氣的露點溫度。

通常（cháng），空氣的露點溫 度明顯（xiǎn）低於其幹球（qiú）溫度。

因此，一（yī）般冷水機組均製取7℃的冷凍水來處理26℃的室內空氣，以同時達（dá）到冷 卻和除濕的目的。

這在很大程度（dù）上限（xiàn）製（zhì）了冷水機組的能源（yuán）效率的提升。

為（wéi）了克服同時冷卻（què）和除濕空氣的缺點，研究人員提出了溫度和濕度獨（dú）立控製（THIC）技術[17] 或獨立新風係 統（DoAS）[18] 。

在THIC/DoAS係統中，空氣（包括室外新風（fēng））分為兩組，一（yī）組用（yòng）低溫冷凍水、液體幹燥劑 或（huò）固（gù）體幹燥劑除濕，另一組用（yòng）高溫冷凍水冷卻，以達到提高空調係統能效的（de）目（mù）的。

製取高溫冷凍水（shuǐ）的冷水 機組的（de）效率是影響其節能率（lǜ）的主導因素，是近年來研究（jiū）和開（kāi）發的核心。

與傳統的製取7℃冷凍水的冷水機組不同，高溫冷水機組一般製取16~18℃左右的冷凍水，冷凍水溫度的提 高可使冷水機組的COP提高20%以上[19] 。

全年實地測試表（biǎo）明，與同一建築內的傳統空調係統（tǒng）相比，THIC空調 係統可節省（shěng）34%的年能（néng）耗[20] 。

圖4溫濕度獨立（lì）控製係（xì）統

目前， 約克、格力、海爾等幾家（jiā）重要的冷水機組製造商均銷售高溫（wēn）冷水機組。

高溫冷水機組（zǔ）廣泛應用（yòng）於 大型辦公樓和工業建築中（zhōng）。

研究表明，當高溫冷水機（jī）組的出水溫（wēn）度為12℃～18℃[21] ，高溫冷水機組的最大 COP可高於9.0。

因此，與普通離心式（shì）水冷（lěng）冷水機組相比，高溫冷水機組能夠節省30%的能源[22] 。

3. 全年製（zhì）冷冷水機組

隨著社會（huì）經濟和科技（jì）的發展，數（shù）據中心等（děng）高（gāo）熱流密度空間迅速增加。

與傳統（tǒng）的住宅和公共（gòng）建築（zhù）不同，這（zhè）些 空間需要全年製冷，這導致了巨大的能（néng）源（yuán）消耗。

2018年，美國數據（jù）中心耗電894億kWh，約占美國總用電量 的2.1%。

中（zhōng）國的數據中心用電量為（wéi）630億kWh，約占中（zhōng）國總用電量的0.9%[23] 。

在數據中心（xīn），製冷能耗占總用 電量（liàng）的30%以（yǐ）上。

因此，在這些（xiē）空間中（zhōng）使用全年運行的冷水機組，節能是非常重要的。

全年運行的冷水機組（zǔ）需要（yào）在大範圍變化的環境條件下製冷， 因此全年保持高能效和高可靠性是非常（cháng）重要 的。

目前，大多數全年運行（háng）的冷水機組全年（nián）都采用蒸氣壓縮製冷（lěng）係統。

然而，冬（dōng）季的環境溫度遠低於室內 溫度， 如果在冬季充（chōng）分利用環境中（zhōng）的冷量， 將節約大量能源。

一般可采用空氣經（jīng）濟器、水經濟器和熱管

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第42期製冷技術信息簡報

經濟器等方式利用室外冷量實現免費（fèi）供冷。

空氣經濟器直接向數據中心提供室外冷空氣（qì）或蒸發冷卻的室外 空氣。

水（shuǐ）經濟（jì）器（qì）將（jiāng）低溫的湖水、海水或冷卻水（shuǐ）泵（bèng）入室內。

熱管經濟器通過製冷劑將室內熱量傳遞到室外， 避免了引入（rù）汙濁的室外空氣和水所產生的潛在風險。

在此基礎上，為進一步提高冷水機組的靈活性和可控 性，多個研究團隊和生產廠家開發了蒸氣壓縮循環與（yǔ）不同經（jīng）濟器（qì）相結合的全（quán）年運行冷水機組。

一種典型（xíng）帶熱管經濟器（qì）的全年運行冷水機組如圖5[24] 所（suǒ）示。

該冷水機組具有兩種運行模式，蒸氣壓縮模式 和熱管模式。

當壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸（zhēng）發（fā）器依次連接，可實現蒸氣壓縮運行模式（圖（tú）5（a））。

在（zài） 寒冷天氣下，兩（liǎng）個（gè）帶控製閥的附加回路將壓縮機和膨脹（zhàng）閥旁通，此時冷水（shuǐ）機組以熱管模式（shì）運行（háng）（圖5（b） ）。

新係統在蒸（zhēng）氣壓縮和（hé）熱管兩種模（mó）式下都能很好地工作。

試驗表明，與傳統冷水機（jī）組相比，新係統可節 省30%的能源[24] 。

(a) 蒸氣壓縮（suō）模式

(b) 熱管模式

圖5全年（nián）運行冷水機（jī）組的典型配置[24]

另一個結合了蒸氣壓縮和水經濟器（qì）的全年製冷係統如圖6所示（shì）[25] 。

空氣-水熱交換器和冷卻塔結合在一起使 用。

在夏季，空氣-水（shuǐ）熱交換器和冷卻塔的組合來排出（chū）冷（lěng）凝熱，增大了換熱（rè）麵積，降低了（le）冷凝溫度，提高 了係統COP。

在冬季，當環境溫度足夠低時，冷卻（què）塔和冷水機組（zǔ）停（tíng）止運行，隻有空氣-水（shuǐ）熱交換器運（yùn）行以產 生免費的冷凍水供數據中心直接使用。

該係統不僅提高了製冷（lěng）係統的能效，而且提高了蒸氣壓縮（suō）製冷（lěng）係（xì）統（tǒng） 和冷卻塔的可靠性。

(a) 夏季模式

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(b) 冬季模式（shì）

圖（tú）6蒸氣壓縮與節水器組合的全年製冷（lěng）係統

除此之外，麥克維爾也（yě）開發出了采用空氣經濟器的變頻風冷螺杆冷水機組[11] ，冬季利用外部空（kōng）氣實現免費 供冷，大大降低了數據中心（xīn）空調係（xì）統的運行成本。

技術及產品應用

根據佰世越（BSRIA）於2019年3月發布的（de）《全球空調市場研究報告（gào）》[26] ，2018年全（quán）球空調市場銷（xiāo）量超過 1.41億台，銷售額超（chāo）過1030億（yì）美元。

其（qí）中（zhōng），冷水機組銷量約占4.5%。

另據日（rì）本JARN雜誌統計[11] ，2019年（nián）全 球冷水機組（zǔ）市場同比增長6.3%，主要冷水機組市場（chǎng）為中國、美國、歐洲，分別占（zhàn）世界市場的29.7%、15.3% 和17.2%。

在製冷劑替代過程中，《蒙特利爾（ěr）議定書》和《京都議定書》發揮了非常重要的作用。

許多發達國家已經 逐步淘汰了HCFCs的應用（yòng），發展中（zhōng）國家也在（zài）2015年開始了相關的淘汰進程，並（bìng）計劃在2030年前（qián）完成。

歐盟 於2014年發布了新的（de）含氟氣體（F-gas）法規，即歐盟指令2014/517/EC。

根據規定，2025年1月1日後，包 括R410A在（zài）內（nèi）的GWP高於750的製冷劑將被禁止在單元式空調器中使用。

2020年1月1日以後，商用製冷設備 中禁止使用GWP超過2500的製冷劑，包（bāo）括R404A。

近年來，低GWP製冷劑的商業化進程（chéng）加快，尤（yóu）其是HFO及其 混合物。

各大製冷劑、壓縮機和冷水機組製造（zào）商不斷推出與低GWP製冷劑（jì）相關的新產品。

2018年，全球磁懸浮冷水機組市場達到4720台，同比增（zēng）長26%，遠超同期冷水機組的（de）增長，主要市場是美 國、中國、德國、意（yì）大利和澳大利亞（yà）。

2018年中國磁懸浮冷水機組市場（chǎng）同（tóng）比增長42%，達到1158台，占全 球市場的24.5%[27] 。

包括丹佛斯在內的幾乎所（suǒ）有領先（xiān）的冷水機組製造（zào）商都開始開發和生產自己的磁懸浮壓 縮機。

2018年，海爾（ěr）在全球銷售（shòu）637台磁懸浮冷（lěng）水機（jī）組，占全球（qiú）市場份額的13.5%，成為全球磁懸浮冷水機 組市場銷量最大的（de）公司（sī）[11] 。

無油壓縮機技術作為暖（nuǎn）通空調領域的重大技術創新之一，在很大程度上推動了 冷水（shuǐ）機組市場的擴大。

目前（qián），全球規模數據中心的數量已超過42萬個（gè），其能耗已（yǐ）占到全球發電量的3%左右[28] 。

但值得注意的是， 數據（jù）中心功耗的增長（zhǎng）遠遠慢於服務器數量的增長， 這可以歸（guī）功於數據中心（xīn）冷（lěng）卻技術的大幅提升。

在不久 的將來，5G通信的（de）快速應（yīng）用（yòng）對減緩數據中（zhōng）心的功（gōng）耗增長帶來了很大的壓力（lì）。

根據美國市場研究和（hé）谘詢公司 Grand View research[29] 的研究，2018年數據中心的全球製（zhì）冷市場規模為86億美元，到2025年將保持每（měi）年 13.5%左右的增長率。

除了采用（yòng）液體冷卻技術和發展耐高溫電子器件外，采用高效冷源是數據中心節（jiē）能的 主要方向。

與自然能源相結合的全年運行冷水機組是實現高效冷卻（què）的重要途徑。

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參考（kǎo）文獻（xiàn）

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國際製冷學會的建議

隨著經濟的發展、人口（kǒu）的增長、生活水平的提高以及全球氣候 的變暖，空調需求越來越大。

空調的能源消（xiāo）耗正在迅速增加。

全球空調（diào）需求（qiú）的增長已經成為我們這個時代最關鍵但常常被忽 視的能源問題之一（yī）。

滿（mǎn）足空調的電力需求，特別是高峰用電需 求， 成為未來的一大挑戰。

另（lìng）一（yī）方麵（miàn）， 除了能（néng）源消耗造成的 溫室氣體間接排放（fàng）外， 製冷劑也是溫（wēn）室氣體直接排放的重要 來源。

目前使用的大多數製冷劑具（jù）有（yǒu）很高（gāo）的全球變（biàn）暖潛力。

因 此，通過提高製冷水機組等主要設備的（de）能效（xiào）來降低能耗和發展 低GWP製冷劑是製（zhì）冷領域的迫切課題。

根據（jù）上述綜述， 對製冷和冷水機組的一些結（jié）論（lùn）和建（jiàn）議總結如 下：

空調需求正在激增（zēng），應采取緊急行動，抑製能源消耗的 增長，降低潛在的巨（jù）大經濟（jì）和環境成本。

可（kě）采用的措施應包括兩部分：提高空調係統的能效和使 用環保型製冷劑。

空調係統（tǒng）的節能有賴於係統的完善設計、安裝、運行和 維護。

其中，冷水機組的節能設計起（qǐ）著最重要的作用。

近年（nián）來，人們在提高冷水機組（zǔ）的能效方（fāng）麵付出了極大的 努力，並取得了很大的進展（zhǎn）。

無油冷水機組、高溫冷水機組 和與自然能源相結合的冷（lěng）水機組是典型的例子。

近幾年來，低GWP製冷劑及其（qí）冷水機組的商業化取得了 顯著（zhe）進（jìn）展。

在氣候（hòu）協定方麵的國際合（hé）作將加速製冷劑的替代 進程。

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