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电流控制，动态调整轴的姿态，避免碰撞。采用磁力轴承，消除了复杂的供油、分离和回油系统，并且消 除了油所带来的传热阻力和污垢，能够有效提高冷水机组的能效。此外，无油避免了并联压缩机油平衡的 问题，实现了部分负荷条件下蒸发器和冷凝器的最大利用，大大提高了冷水机组的部分负荷性能。同时， 由于轴与轴承之间没有摩擦，压缩机的转速上限提高，从而提高了压缩机的容量和能效。
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表3主要的商业化程度较高的低GWP 的HFO制冷剂
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降膜蒸发器是另外一种典型的溢流蒸发器，如图3所示。经过节流后的液体制冷剂从制冷剂入口进入蒸发 器的分配盘中，分配盘将液体制冷剂均匀地喷洒在换热管束上，使管的所有外表面保持湿润。壳体底部保 持没有或很少的液体制冷剂积聚。
随着社会经济的发展、人口增长、生活水平的提高和气候变暖，全球对房间空调的需求越来越大，这导致 房间空调所消耗的能源迅速增加。根据IEA的预测[1] ，从2016年到2050年，房间空调器的使用量将从12亿 台急剧增加到45亿台。同时，全球用于房间空调的能源消耗量将从2016年的2020TWh跃升到2050年的6200 TWh，增幅达三倍。届时，房间空调能耗将占建筑总能耗的30%。因此，为了降低空调对气候的影响，实现 巴黎协定的全球温度升高的2℃上限目标，降低制冷能耗是一项势在必行的重要工作。
不同的建筑有着不同的空调需求，其所适用的设备也不尽相同。对于小型建筑，如住宅建筑，通常采用直 膨式系统，包括房间空调、组合式空调和多联机（VRF）等。对于大空间的公共建筑，如商业建筑、办公 建筑、工业建筑、医院等，中央空调系统则更为合适。对于居住建筑而言，开发超级节能空调可以大大降 低制冷过程中的能源消耗和气候效应[2] 。对于公共建筑而言，中央空调系统的设计、安装、运行和维护是 实现节能的关键，其中冷水机组的节能设计又起着最重要的作用。
图1为一个简要的中央空调系统示意图。与直膨式系统中制冷剂直接冷却室内空气不同，中央空调系统中 的室内空气由冷冻水冷却除湿。冷冻水则由冷水机组制取，经过水泵输配到各个空调箱。这一特征使得中 央空调系统可以方便地覆盖多个空间。一般来说，在商业建筑中冷水机组的能耗约占中央空调系统总能耗 的40%[3] 。因此，降低冷水机组的能耗是中央空调系统节能的主要方向。根据换热介质的不同，冷水机组 可分为水冷式冷水机组和风冷式冷水机组。目前市场上的冷水机组多采用蒸气压缩制冷循环、吸收式制冷 循环或吸附式制冷循环。其中，无论从总制冷量还是总机数量来看，蒸气压缩系统都占据了市场的主导地
位。蒸气压缩式冷水机组通常包括压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器。如图2所示，压缩机吸入的低温 气态制冷剂被压缩成高温高压的气态制冷剂后进入冷凝器，之后在冷凝器中冷却为液体，冷凝热被冷却水 或环境空气携带排到环境中。之后，液体制冷剂被节流成两相并进入蒸发器。在蒸发器中制冷剂吸收冷冻 水的热量后蒸发，从而实现冷冻水的降温。最后，制冷剂返回压缩机，开始下一个循环。
1. 制冷剂及部件技术发展
联合国环境规划署（UNEP） [4] 给出了目前不同类型冷水机组使用的主要制冷剂， 如表1所示。 其 中，HCFC123以其良好的能效和较低的容积容量被广泛应用于离心式冷水机组中，HFC134a是采用涡旋压缩 机、螺杆压缩机等容积式压缩机的大中型冷水机组的主要制冷剂，而R410A和HCFC22通常用于中小型冷水 机组。一般来说，HCFCs和HFCs仍然是现有冷水机组使用的主要制冷剂，这可归因于冷水机组较长的使用 寿命以及HCFCs和HFCs仍在逐步淘汰的过程中。
表1目前不同类型冷水机组使用的主要制冷剂[4]
10-1,200
100-3,800
10-1,900
200-21,000
200-1,600
研究者们很早就在寻找新的低GWP制冷剂，但通过对化学数据库的大规模筛选[5] 发现，现有的制冷剂很少能 够同时满足未来制冷剂对安全性、热力学性能和环境性能的所有要求。在这种情况下，天然制冷剂、碳氢 化合物、HFOs（氢氟烃）及其混合物越来越受到人们的关注。
天然制冷剂，例如R717、R744和R718，以及碳氢化合物，由于其良好的环境性能，正被重新考虑作为冷水 机组的潜在替代制冷剂。目前，尤其是在欧洲，使用GWP接近零的天然工质及碳氢化合物工质的产品在市 场上获得了较好的发展势头。
R717（氨）具有良好的热力学和流体力学性能，已经在工业冷水机组中应用了几十年。R717的主要缺点是 毒性、易燃性和对铜的腐蚀性。在工业应用中，通过合理选择机房位置、设置氨传感器和喷水系统、采用 开式压缩机等措施和手段，可以有效地控制这些缺点所带来的风险。近来，R717也被考虑应用于舒适空调 系统[6] ，但是这需要更仔细的管理和更加健全的建筑规范来防范可能存在的风险。
R718（水）冷水机组可用于闭式循环制取冷冻水或用开式循环系统结构直接从水池中蒸发制备冰浆，具有 较好的成本优势。但是，吸气压力低、压缩比高和吸气密度低等因素导致采用R718的设备需要设计高容积 流量的轴流式压缩机，这限制了其在制冷领域的应用。然而，欧洲、中东和南非也已经展示了几种冷水机 组和商用真空制冰机[7] 。
冷水机组中常用的碳氢化合物制冷剂是HC290和HC1270。HC290和HC1270具有很好的热力学性能，类似于HCFC22。利用碳氢化合物的最大挑战是其高可燃性，这在很大程度上限制了最大制冷剂充注量和在室内等 较为密闭空间的安装使用。目前，碳氢化合物已成功地应用于小容量制冷系统，如冰箱和房间空调器。对 于冷水机组，只有在丹麦、挪威、英国、德国、爱尔兰、美国和新西兰等地有小容量风冷冷水机组使用， 且安装数量有限[8] 。
HFOs是由氢、氟和碳组成的不饱和有机化合物，具有零臭氧消耗潜能（ODP）和极低的GWP。许多HFO制冷 剂本质上是稳定的、无毒的、不易燃或轻度易燃的， 其中一些具有合适的凝固点和沸点， 可用于常温下 的制冷。在纯HFOs中，HFO1234yf、HFO1234ze（E）、HCFO1233zd（E）和HCFO1224yd（Z）等被广泛应 用于空调用冷水机组。HFO1234yf与HFC134a具有相似的热力学性能，GWP<1，被认为是HFC134a的一种潜 在替代品。 一般情况下， HFO1234yf的容积制冷量比HFC134a低6～20%。 同时， HFO1234yf制冷系统的性 能系数（COP）比HFC134a制冷系统低8～20%[9,10] 。但HFO1234yf系统的性能可以通过部件和循环优化来提 高。HFO1234ze（E）也被认为是HFC134a的低GWP替代品。HFO1234ze（E）的容积制冷量较HFC134a系统低26%，而两者制冷能效系数则基本相当。HCFO1233zd（E）具有与HCFC123相近的能效比和1.4倍的容积制冷 量，被认为是HCFC123的良好替代品。HCFO1224yd（Z）是HFC245fa的潜在替代品，它的COP和HCFC123接 近，而HCFO1224yd（Z）的容积制冷量比HCFC123高出60%，在设计新的冷水机组时应注意这一点。
正如前面提及，由于制冷量、可燃性等方面的差异，绝大多数纯HFOs不能直接在冷水 机组中直接冲注使用。因此，研究者开发了许多HFOs混合制冷剂用于制冷剂替代。其 中，R444A、R445A、R450A、R513A、R515A被用于替代R134a，R514A是R123的非共沸替代品之一，R32/ HFOs混合物（包括R446A、R447A、R452B等）则是R410A的替代制冷剂。
用于冷水机组的新出现的低GWP替代制冷剂见表2[4] 。
表2冷水机组的低GWP替代制冷剂[4]
与其它蒸发器相比， 降膜蒸发器具有总传热系数高、成本低、对环境影响小等优点。 因此， 降膜蒸发 器已被许多冷水机组制造商广泛应用于节能型冷水机组中， 包括特灵、约克、大金、美的等[12,13,14] 。 例 如，2013年美的集团发布了一款带降膜蒸发器的两级压缩离心式热泵[15] ，制冷剂充注量减少了40%以上， 额定COP达到7.11。
自2000年代丹佛斯Turbocor成功将小型磁悬浮离心式压缩机商业化以来，许多领先的冷水机组制造商都已 经开发了自己的磁悬浮离心式压缩机和冷水机组，如表4所示。此外，20多家冷水机组制造商已经发布了 带有丹佛斯磁悬浮离心式压缩机的各类冷水机组[16] 。这些机组的最大综合部分负荷性能系数（IPLV）可达 11.98。与传统的中央空调机组相比，磁悬浮冷水机组在部分工况下节能率可达到50%。
表4主要磁悬浮离心式压缩机和冷水机组生产厂商[4]
2. 高温冷水机组
目前， 约克、格力、海尔等几家重要的冷水机组制造商均销售高温冷水机组。 高温冷水机组广泛应用于 大型办公楼和工业建筑中。研究表明，当高温冷水机组的出水温度为12℃～18℃[21] ，高温冷水机组的最大 COP可高于9.0。因此，与普通离心式水冷冷水机组相比，高温冷水机组能够节省30%的能源[22] 。
3. 全年制冷冷水机组
随着社会经济和科技的发展，数据中心等高热流密度空间迅速增加。与传统的住宅和公共建筑不同，这些 空间需要全年制冷，这导致了巨大的能源消耗。2018年，美国数据中心耗电894亿kWh，约占美国总用电量 的2.1%。中国的数据中心用电量为630亿kWh，约占中国总用电量的0.9%[23] 。在数据中心，制冷能耗占总用 电量的30%以上。因此，在这些空间中使用全年运行的冷水机组，节能是非常重要的。
根据佰世越（BSRIA）于2019年3月发布的《全球空调市场研究报告》[26] ，2018年全球空调市场销量超过 1.41亿台，销售额超过1030亿美元。其中，冷水机组销量约占4.5%。另据日本JARN杂志统计[11] ，2019年全 球冷水机组市场同比增长6.3%，主要冷水机组市场为中国、美国、欧洲，分别占世界市场的29.7%、15.3% 和17.2%。
2018年，全球磁悬浮冷水机组市场达到4720台，同比增长26%，远超同期冷水机组的增长，主要市场是美 国、中国、德国、意大利和澳大利亚。2018年中国磁悬浮冷水机组市场同比增长42%，达到1158台，占全 球市场的24.5%[27] 。包括丹佛斯在内的几乎所有领先的冷水机组制造商都开始开发和生产自己的磁悬浮压 缩机。2018年，海尔在全球销售637台磁悬浮冷水机组，占全球市场份额的13.5%，成为全球磁悬浮冷水机 组市场销量最大的公司[11] 。无油压缩机技术作为暖通空调领域的重大技术创新之一，在很大程度上推动了 冷水机组市场的扩大。
目前，全球规模数据中心的数量已超过42万个，其能耗已占到全球发电量的3%左右[28] 。但值得注意的是， 数据中心功耗的增长远远慢于服务器数量的增长， 这可以归功于数据中心冷却技术的大幅提升。 在不久 的将来，5G通信的快速应用对减缓数据中心的功耗增长带来了很大的压力。根据美国市场研究和咨询公司 Grand View research[29] 的研究，2018年数据中心的全球制冷市场规模为86亿美元，到2025年将保持每年 13.5%左右的增长率。除了采用液体冷却技术和发展耐高温电子器件外，采用高效冷源是数据中心节能的 主要方向。与自然能源相结合的全年运行冷水机组是实现高效冷却的重要途径。
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