可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)的試驗(yàn)研究及節(jié)能評(píng)價(jià)

劉宇軒，陸婷婷，王魯平，包繼虎，李 芳，周 坤

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè)，以及國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的越來(lái)越重視，機(jī)房空調(diào)對(duì)自然冷源的利用率的要求也越來(lái)越高。2017年國(guó)家發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)“十三五”信息通信業(yè)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》[1]和 GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]都對(duì)機(jī)房空調(diào)的節(jié)能提出了具體要求和指導(dǎo)意見。目前普通的風(fēng)冷式機(jī)房空調(diào)，以及節(jié)能型的壓縮機(jī)-氟泵雙循環(huán)機(jī)房空調(diào)和壓縮機(jī)-熱管機(jī)房空調(diào)的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)廣泛，但是只能在環(huán)境溫度較低的時(shí)候利用自然冷源。為了進(jìn)一步利用自然冷源節(jié)約能耗，各機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)于利用新風(fēng)制冷、及蒸發(fā)冷卻式機(jī)房空調(diào)均開展了相應(yīng)的研究[3-6]。但是此類機(jī)房空調(diào)目前還處于技術(shù)成熟期和產(chǎn)品推廣階段。本單位結(jié)合目前的研究成果，和市面上已有的節(jié)能型機(jī)房空調(diào)開發(fā)了一種可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)，并對(duì)其性能和節(jié)能效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)

由于機(jī)房空調(diào)需要常年制冷，而室外環(huán)境溫度在一年的大部分時(shí)間比室內(nèi)環(huán)境溫度低，所以機(jī)房空調(diào)相較于其他空調(diào)產(chǎn)品，更具有利用自然冷源的潛力。本文從充分利用自然冷源的角度出發(fā)，開發(fā)了一種可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)，其流程如圖1所示。

圖1 可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)流程Fig.1 Flow chart of variable duct natural cold source air conditioner for compressor room

該機(jī)器將室內(nèi)風(fēng)和室外風(fēng)引入絕熱室，在絕熱室中進(jìn)行熱量交換。絕熱室中的安裝有空空換熱器，和噴淋設(shè)備?？湛論Q熱器前的室外風(fēng)道和室內(nèi)風(fēng)道中安裝有擋板，可以將實(shí)現(xiàn)室內(nèi)回風(fēng)和室外風(fēng)的混合，以及通過(guò)空空換熱器的流路。該可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)在普通的風(fēng)冷式機(jī)房的基礎(chǔ)上增加了可變風(fēng)道、空空換熱器和噴淋系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣和室外空氣的換熱以及混合，當(dāng)Q1＋Q2≥Q時(shí)，機(jī)組即能滿足數(shù)據(jù)中心的制冷需求。其中：Q1為通過(guò)壓縮機(jī)能進(jìn)行的熱交換量為，Q2為通過(guò)可變風(fēng)道空空換熱器的熱交換量為，Q為數(shù)據(jù)中心的熱負(fù)荷。

通過(guò)該可變風(fēng)道空空換熱器，該機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)以下7種不同的換熱方式。

（1）新風(fēng)直接冷。機(jī)組將室外新風(fēng)過(guò)濾、凈化處理，直接引入機(jī)房，冷卻機(jī)房設(shè)備。

（2）新回風(fēng)混合冷。機(jī)組按比例引入室外新風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)，混合冷卻后同時(shí)送到機(jī)房?jī)?nèi)，冷卻機(jī)房設(shè)備。

（3）新風(fēng)直接蒸發(fā)冷。機(jī)組將室外新風(fēng)過(guò)濾、凈化處理，在絕熱室中利用噴淋水進(jìn)行等焓冷卻，直接引入機(jī)房，冷卻機(jī)房設(shè)備。

（4）新風(fēng)間接冷。機(jī)組將室外新風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)同時(shí)引入換熱芯體，在換熱芯體內(nèi)不接觸換熱，被冷卻后的室內(nèi)回風(fēng)再次回到機(jī)房?jī)?nèi)冷卻機(jī)房設(shè)備。

（5）間接蒸發(fā)冷。使用噴淋水在絕熱室等焓冷卻引入的新風(fēng)，降低新風(fēng)的干球溫度。被冷卻的新風(fēng)，在芯體內(nèi)對(duì)室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)行冷卻，冷卻后的室內(nèi)空氣再次被送到機(jī)房?jī)?nèi)，冷卻機(jī)房設(shè)備。

（6）間接蒸發(fā)＋機(jī)械制冷（混合制冷）。當(dāng)間接蒸發(fā)冷冷量不足時(shí)，壓縮機(jī)系統(tǒng)或者冷凍水系統(tǒng)啟動(dòng)，共同冷卻機(jī)房設(shè)備。

（7）機(jī)械制冷。采用壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，直接冷卻室內(nèi)回風(fēng)空氣，被冷卻后的氣體回到機(jī)房冷卻機(jī)房設(shè)備。

其中新風(fēng)直接冷、新回風(fēng)混合冷、新風(fēng)直接蒸發(fā)不涉及室內(nèi)風(fēng)和室外風(fēng)的傳熱交換，機(jī)械制冷為最常見的冷卻方式，已經(jīng)研究多年，所以對(duì)于這4種制冷方式本文不進(jìn)行贅述。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱負(fù)荷主要來(lái)源于運(yùn)行設(shè)備的散熱，受外界影響較小，對(duì)制冷系統(tǒng)的制冷能力需求基本恒定[8]。本試驗(yàn)?zāi)M一個(gè)熱負(fù)荷為150 kW的數(shù)據(jù)中心，用在一種可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)進(jìn)行制冷。試驗(yàn)在焓差試驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 19413—2010《計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理機(jī)房用單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》[7]。可變風(fēng)道內(nèi)安裝有高效換熱芯體，如圖2所示，芯體采用噴淋裝置采用霧化噴淋蒸發(fā)＋濕膜直接蒸發(fā)；提高噴淋效率，防止空空換熱器腐蝕。本文就以下3種制冷方式進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖2 高效換熱芯體Fig.2 High-efficiency heat exchange core

2.1 新風(fēng)間接冷

在該工況下，室內(nèi)風(fēng)和室外風(fēng)通過(guò)換熱芯體在空空換熱器中進(jìn)行熱量交換，通過(guò)風(fēng)道中的室外風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)，可以使得機(jī)組制冷量滿足機(jī)房空調(diào)的熱負(fù)荷。此時(shí)機(jī)組的耗電部件僅僅為內(nèi)外2個(gè)風(fēng)機(jī)及必要的控制電路，新風(fēng)間接冷芯體換熱如圖3所示。

圖3 新風(fēng)間接冷芯體換熱示意Fig.3 Heat transfer diagram of fresh air indirect cold core

在焓差試驗(yàn)室中模擬室內(nèi)環(huán)境溫度37 ℃，室外環(huán)境溫度15 ℃，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 新風(fēng)間接冷測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of fresh air indirect cooling

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可見，在室外環(huán)境溫度15 ℃以下時(shí)，采用室外風(fēng)和室內(nèi)風(fēng)在空空換熱器中的傳熱就能滿足機(jī)房空調(diào)的制冷需求。

2.2 間接蒸發(fā)冷

隨著數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模發(fā)展，對(duì)自然冷源的需求越來(lái)越大。同時(shí)國(guó)家對(duì)于西部城市的發(fā)展重視，越來(lái)越多的大規(guī)模機(jī)房在貴州等西部地區(qū)新建，該地區(qū)環(huán)境相對(duì)于沿海發(fā)達(dá)城市，濕度較低，所以提出了間接蒸發(fā)冷的冷源利用模式。該模式和新風(fēng)間接冷類似，增加了噴淋裝置，根據(jù)室外干球溫度和相對(duì)濕度來(lái)控制，當(dāng)室外的干球溫度大于16 ℃，相對(duì)濕度＜85%開啟噴淋水泵。同樣的通過(guò)室外風(fēng)量的調(diào)節(jié)，控制間接蒸發(fā)效率，使得機(jī)組制冷量和機(jī)房負(fù)荷相匹配。相比于新風(fēng)間接冷，電能消耗僅增加了噴淋設(shè)備的耗電，間接蒸發(fā)冷芯體換熱如圖4所示。

圖4 間接蒸發(fā)冷芯體換熱示意Fig.4 Heat transfer diagram of indirect evaporation cold core

在焓差試驗(yàn)室中模擬室內(nèi)環(huán)境溫度37 ℃，室外環(huán)境溫度25 ℃，相對(duì)濕度30%，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 間接蒸發(fā)冷測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of indirect evaporative cooling

2.3 混合制冷

在間接蒸發(fā)冷開啟后，換熱量無(wú)法滿足制冷需求后需要開啟壓縮機(jī)輔助制冷。在該工作狀態(tài)下，通過(guò)間接蒸發(fā)冷進(jìn)行冷卻的室內(nèi)風(fēng)，被通入空調(diào)器的蒸發(fā)器模塊進(jìn)行進(jìn)一步降溫。室外回風(fēng)也被通入空調(diào)器的冷凝器作為冷源，將熱量帶走。壓縮機(jī)通過(guò)變頻調(diào)節(jié)，使得該機(jī)組制冷量能夠匹配機(jī)房負(fù)荷。

在焓差試驗(yàn)室中模擬室內(nèi)環(huán)境溫度37 ℃，室外環(huán)境溫度25 ℃，相對(duì)濕度30%，測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 混合制冷測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Mixed refrigeration test data

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于本次試驗(yàn)機(jī)組，在室外環(huán)境溫度35 ℃以下時(shí)，該機(jī)組能滿足150 kW熱負(fù)荷機(jī)房空調(diào)的制冷需求。在室外環(huán)境溫度低于15 ℃時(shí)，僅通過(guò)新風(fēng)間接冷就能滿足需求，此時(shí)能效比能夠達(dá)到8.41 kW/kW以上。當(dāng)室外相對(duì)濕度為25%，在環(huán)境溫度30%以下時(shí)，通過(guò)利用自然冷源，采用新風(fēng)間接冷的冷卻方式，可以在不開啟壓縮機(jī)的情況下，滿足制冷需求。在室外環(huán)境溫度繼續(xù)升高時(shí)，機(jī)組依然能充分利用自然冷源，在自然冷源均得到充分利用后仍然不能滿足制冷需求時(shí)，可以進(jìn)一步采用壓縮機(jī)輔助制冷，即使在此狀況下機(jī)組的能效比依然能得到顯著提升。

3 節(jié)能效果評(píng)價(jià)

3.1 全年節(jié)能率評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了量化本文提出的可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)的節(jié)能效果，引入了節(jié)能率η和全年節(jié)能率ηs指標(biāo)。

式中 Ec——未使用節(jié)能裝置的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的耗電量，kW；

Ej——使用節(jié)能裝置的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的耗電量，kW。

匯總上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)室外溫度為-5，5 ℃補(bǔ)充進(jìn)行了新風(fēng)間接冷和壓縮機(jī)制冷測(cè)試并進(jìn)行節(jié)能率計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果和節(jié)能率計(jì)算結(jié)果Tab.4 Test results and calculation results of energy saving rate

因?yàn)闄C(jī)房空調(diào)為一種全年運(yùn)行的機(jī)組，所以進(jìn)一步提出全年節(jié)能率，計(jì)算式如下：

式中 Ta，Tb，Tc，Td和 Te分別為溫度分布系數(shù)，是當(dāng)?shù)厥彝飧汕驕囟仍谒O(shè)區(qū)間的小時(shí)數(shù)占全年小時(shí)數(shù)的百分比。各地溫度分布系數(shù)的具體值參照GB/T 19413—2010《計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理機(jī)房用單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》附錄B[6]。

選取4個(gè)典型城市，北京、貴陽(yáng)、廣州和成都，其全年溫度分布系數(shù)見表5。

表5 典型城市的溫度分布系數(shù)Tab.5 Temperature distribution coefficients of typical cities

將表4中5個(gè)工況下的節(jié)能率和表5中的溫度分布系數(shù)代入式（2），得出典型城市的全年節(jié)能率見表6。

表6 典型城市全年節(jié)能率Tab.6 Annual energy saving rates of typical cities

可見，可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房在國(guó)內(nèi)主要城市使用均能達(dá)到顯著的節(jié)能效果。但是對(duì)于全年平均濕度較高的城市例如廣州，由于廣州的全年平均濕度較高，使得機(jī)組運(yùn)行蒸發(fā)效率無(wú)法達(dá)到間接蒸發(fā)冷試驗(yàn)時(shí)的效率，此時(shí)的實(shí)際節(jié)能率和計(jì)算節(jié)能率會(huì)存在較大偏差。對(duì)此筆者設(shè)定廣州不能進(jìn)行間接蒸發(fā)冷運(yùn)行，在室外環(huán)境溫度25 ℃以上時(shí)，該空調(diào)不進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行，計(jì)算出廣州的最低全年節(jié)能率為18.6%，在表中用括號(hào)標(biāo)出。由此可見，即使在環(huán)境溫度濕度較高的城市，機(jī)組不進(jìn)行間接蒸發(fā)冷運(yùn)行，該機(jī)組依然能夠起到節(jié)能作用。

3.2 不同機(jī)房空調(diào)節(jié)能率對(duì)比

相較于目前已有的節(jié)能型機(jī)房空調(diào)[9]（壓縮機(jī)-氟泵雙循環(huán)機(jī)房空調(diào)、壓縮機(jī)-熱管機(jī)房空調(diào)），結(jié)合本單位多年對(duì)這兩類機(jī)房空調(diào)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從節(jié)能率的角度對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖5示出了3類機(jī)房空調(diào)節(jié)能率的對(duì)比。

圖5 3類機(jī)房空調(diào)節(jié)能率的對(duì)比Fig.5 Comparison of energy saving rates of 3 kinds of air conditioners for compressor room

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于噴淋系統(tǒng)的配置，使得本文提出的可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)在全年各個(gè)運(yùn)行溫度下都能起到顯著的節(jié)能效果。而壓縮機(jī)-氟泵雙循環(huán)機(jī)房空調(diào)、壓縮機(jī)-熱管機(jī)房空調(diào)在室外環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)均不能起到節(jié)能作用。相比于壓縮機(jī)-氟泵雙循環(huán)機(jī)房空調(diào)，可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)沒有氟泵這一運(yùn)動(dòng)部件，可靠性更高，同時(shí)噴淋系統(tǒng)的更換維修也比氟泵的更換維修更加簡(jiǎn)單便捷。而對(duì)比壓縮機(jī)-熱管機(jī)房空調(diào)，該機(jī)房空調(diào)對(duì)安裝的要求并不苛刻，適合各種形式的數(shù)據(jù)中心使用，能更貼合目前數(shù)據(jù)中心大型化發(fā)展的需要。

4 結(jié)論

（1）可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)在國(guó)內(nèi)主要城市都具有顯著的節(jié)能效果，節(jié)能率高達(dá)50%。

（2）可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)相比于壓縮機(jī)-氟泵雙循環(huán)機(jī)房空調(diào)可靠性更高維修更方便。

（3）可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)相比于壓縮機(jī)-熱管機(jī)房空調(diào)應(yīng)用范圍更廣。