劉立賢

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣西有限公司，廣西 南寧 530022）

0 引 言

社會(huì)信息化、數(shù)字化需求催生了大型數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)通信網(wǎng)機(jī)房等信息新基建的大規(guī)模建設(shè)，而龐大的業(yè)務(wù)承載量造成以服務(wù)器設(shè)備為代表的高能耗設(shè)備裝機(jī)量迅速增加，網(wǎng)絡(luò)機(jī)房面積及設(shè)備裝機(jī)功率日益增大[1]。與此同時(shí)，為機(jī)房運(yùn)行基礎(chǔ)環(huán)境提供保障的空調(diào)制冷系統(tǒng)的配置容量也隨之同步快速提升[2]。隨著數(shù)據(jù)中心高功率密度機(jī)柜等設(shè)備的投入比例越來(lái)越大，空調(diào)運(yùn)行電費(fèi)成為一筆巨大的運(yùn)營(yíng)開(kāi)銷，對(duì)企業(yè)盈利產(chǎn)生了重要的影響。根據(jù)空調(diào)制冷系統(tǒng)具有的能效比特性，實(shí)際機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的能耗往往能達(dá)到機(jī)房總能耗的1/2左右，數(shù)據(jù)中心電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）較高[3]。從制冷系統(tǒng)的熱力循環(huán)理論相關(guān)參數(shù)入手，分析如何通過(guò)優(yōu)化空調(diào)機(jī)組運(yùn)行工況來(lái)提升空調(diào)系統(tǒng)能效，減少空調(diào)運(yùn)行能耗。

1 逆卡諾循環(huán)

一直以來(lái)，人們?cè)谘芯恐评淇照{(diào)系統(tǒng)時(shí)都會(huì)用到一種理想的熱力循環(huán)，即逆卡諾循環(huán)。以理想模型作為分析計(jì)算基礎(chǔ)可以設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)性較好的制冷系統(tǒng)，也可以通過(guò)該模型分析評(píng)價(jià)制冷系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，借助逆卡諾循環(huán)來(lái)分析現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中影響空調(diào)運(yùn)行效率的關(guān)鍵因素[4]。一個(gè)完整的逆卡諾循環(huán)如圖1表示。其中，熵是反映制冷劑狀態(tài)變化的參數(shù)，反映熱量轉(zhuǎn)換為功的程度。

圖1 逆卡諾循環(huán)

根據(jù)圖1，1→2→3→4→1這一過(guò)程表征一個(gè)理想的制冷循環(huán)，主要由定溫過(guò)程和絕熱過(guò)程組成。其中，2→3、4→1線段分別對(duì)應(yīng)在T0等溫線和Tk等溫線，為制冷劑等溫變化過(guò)程；1→2、3→4線段分別對(duì)應(yīng)升壓絕熱線和降壓絕熱線，為制冷劑絕熱變化過(guò)程。研究逆卡諾循環(huán)實(shí)際上就是研究制冷劑在整個(gè)循環(huán)中的相態(tài)變化，這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了將熱量從低溫?zé)嵩窗嵋频礁邷責(zé)嵩?。在逆卡諾循環(huán)中有3個(gè)參數(shù)，即制冷劑吸收的熱量q0、制冷劑放出的熱量qk、制冷劑循環(huán)消耗的功量Σω（圖中1234連線圍成的面積），可以直接反映整個(gè)熱量搬移循環(huán)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。它們之間的關(guān)系可以用qk=q0+Σω表示，其中Σω等于制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)消耗功量與膨脹機(jī)（閥）得到功量之差。通常一個(gè)理想的制冷循環(huán)性能指標(biāo)可以用制冷系數(shù)ε來(lái)表示，制冷系數(shù)ε=q0/Σω。此外，由逆卡諾循環(huán)圖還可以得出便于分析循環(huán)制冷系數(shù)的公式ε=T0/(T1-T0)。影響制冷系數(shù)大小的因素主要是制冷劑在兩個(gè)定溫變化過(guò)程中的平均溫度T0和Tk，T0指被冷卻物質(zhì)的溫度，Tk指冷卻劑的溫度。被冷卻物質(zhì)溫度越高、冷卻劑溫度越低，則制冷系數(shù)越大、制冷性能越好。由此可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)溫度參數(shù)值可以控制整個(gè)制冷系統(tǒng)的工況，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

2 實(shí)際制冷循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行分析

2.1 帶傳熱溫差制冷循環(huán)

實(shí)現(xiàn)理想逆卡諾循環(huán)的一個(gè)重要條件是制冷劑與被冷卻物質(zhì)、制冷劑與冷卻劑之間在無(wú)溫差條件下相互傳熱，而現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中這些傳熱是在有溫差的情況下進(jìn)行，否則需要制造出換熱面積無(wú)限大的冷凝器和蒸發(fā)器[5]。理論上理想逆卡諾循環(huán)是最經(jīng)濟(jì)的，但具體實(shí)現(xiàn)上基本不可能，真正可以用于生產(chǎn)的是有傳熱溫差的制冷循環(huán)。通常一個(gè)實(shí)際可運(yùn)行的制冷循環(huán)工作流程如圖2所示。

圖2 制冷循環(huán)工作流程

該制冷循環(huán)由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管（膨脹閥）以及蒸發(fā)器組成，由于循環(huán)流程中熱量的交換由冷凝器和蒸發(fā)器這兩種熱交換設(shè)備來(lái)完成，這兩種熱交換都存在傳遞溫差，而且隨著熱交換器使用過(guò)程性能的變化，溫差變化還會(huì)更大。基于溫差的存在，制冷系統(tǒng)中的T0和Tk只能指向制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)溫度和在冷凝器中的冷凝溫度，不再指向被冷卻物質(zhì)的溫度和冷卻劑的溫度。根據(jù)ε=T0/(Tk-T0)，蒸發(fā)溫度T0越高，冷凝溫度Tk越低，則獲得的制冷系數(shù)ε越大。目前，通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)中主要采用蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)，根據(jù)該類系統(tǒng)的熱力理論來(lái)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和效率問(wèn)題進(jìn)行分析。

2.2 蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力分析

熱力學(xué)參數(shù)中，焓表示單位質(zhì)量的物質(zhì)所含有的熱量，在壓力不變的情況下，焓差值等于熱交換的量。在分析逆卡諾理想循環(huán)過(guò)程時(shí)，由于定壓過(guò)程吸收的熱量、放出的熱量以及壓縮機(jī)消耗的功量都可以用過(guò)程始、末的比焓值來(lái)計(jì)算，因此實(shí)際分析制冷循環(huán)理論分析時(shí)多采用壓焓圖。一個(gè)典型蒸汽壓縮式制冷循環(huán)用壓焓圖如圖3所示，其中比焓值用h表示、壓力值用對(duì)數(shù)坐標(biāo)lgp表示。

圖3 典型蒸汽壓縮式制冷循環(huán)用壓焓圖

圖3中，p0表示蒸發(fā)等壓線，pk表示冷凝等壓線。制冷循環(huán)由1→2→2'→3'→3→4→1循環(huán)過(guò)程構(gòu)成，其中1→2為絕熱壓縮過(guò)程，即定熵過(guò)程；2→3為制冷劑在冷凝器中定壓放熱過(guò)程，其中2→2'放出過(guò)熱熱量，2'→3'是放出比潛熱，3'→3是再冷卻；3→4為節(jié)流過(guò)程，節(jié)流前后比焓不變；4→1為制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)定壓蒸發(fā)吸熱過(guò)程。單位質(zhì)量的制冷劑在蒸發(fā)器中的制冷量q0=h1-h2，單位質(zhì)量的制冷劑在冷凝器中的放熱量qk=h2-h3。節(jié)流閥開(kāi)啟前后，制冷劑的比焓不變，即h3=h4。單位質(zhì)量的制冷劑在壓縮機(jī)中被絕熱壓縮時(shí)，壓縮機(jī)耗功量wc=qk-q0，這與逆卡諾循環(huán)溫熵圖中的分析結(jié)論一致。實(shí)際制冷循環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置膨脹機(jī)，而用節(jié)流閥來(lái)替代，不再考慮膨脹機(jī)得到的功量。

冷凝溫度Tk和蒸發(fā)溫度T0會(huì)影響壓縮機(jī)耗功量wc的變化，而壓縮機(jī)耗功量的變化會(huì)直接影響到制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率及耗電量。冷凝溫度Tk對(duì)壓縮機(jī)耗功量的影響如圖4所示。

圖4 冷凝溫度Tk對(duì)壓縮機(jī)耗功量的影響

在蒸發(fā)溫度T0不變的情況下，當(dāng)冷凝溫度從Tk提高到Tk時(shí)，表征制冷系統(tǒng)由1→2→3→4→1循環(huán)過(guò)程變?yōu)?→2k→3k→4k→1循環(huán)過(guò)程，造成制冷劑單位質(zhì)量制冷能力降低、單位質(zhì)量制冷壓縮機(jī)耗功量增加、壓縮機(jī)軸功率增加、電機(jī)負(fù)載加重以及耗電量增加，同時(shí)制冷系統(tǒng)能效比下降，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低。

蒸發(fā)溫度T0對(duì)壓縮機(jī)耗功量的影響如圖5所示。

圖5 蒸發(fā)溫度T0對(duì)壓縮機(jī)耗功量的影響

在冷凝溫度Tk不變的情況下，當(dāng)蒸發(fā)溫度從T0降低到T0z時(shí)，表征制冷系統(tǒng)由1→2→3→4→1循環(huán)過(guò)程變?yōu)?z→2z→3→4z→1循環(huán)過(guò)程，造成制冷劑單位質(zhì)量制冷能力降低、單位質(zhì)量制冷壓縮機(jī)耗功量增加、壓縮機(jī)軸功率增加、電機(jī)負(fù)載加重以及耗電量增加，同時(shí)制冷系統(tǒng)能效比下降，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低。

通過(guò)對(duì)以上2種情況的分析，冷凝溫度升高或蒸發(fā)溫度降低都會(huì)增加壓縮機(jī)耗能，同時(shí)制冷能力下降。除此之外，冷凝溫度升高的影響比蒸發(fā)溫度影響更大，制冷能力下降更多。

3 提升機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率和降低能耗的方式

運(yùn)用理想熱力循環(huán)理論和實(shí)際制冷系統(tǒng)循環(huán)理論對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行能耗變化進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，得出影響系統(tǒng)運(yùn)行能耗的兩個(gè)重要參數(shù)，即冷凝溫度和蒸發(fā)溫度。制冷劑在冷凝器中的平均溫度即是冷凝溫度，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)平均溫度即是蒸發(fā)溫度。制冷空調(diào)系統(tǒng)在機(jī)房運(yùn)行中是一個(gè)熱量搬運(yùn)系統(tǒng)，搬運(yùn)系統(tǒng)的動(dòng)力源于壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而承擔(dān)熱量收集和交換的則是蒸發(fā)器和冷凝器。從上述分析可知，降低冷凝溫度或提高蒸發(fā)溫度都可以降低壓縮機(jī)運(yùn)行耗能。

科學(xué)安裝風(fēng)冷冷凝器機(jī)組，加大進(jìn)風(fēng)面、排風(fēng)面與周邊圍擋的間距，確保通過(guò)冷凝器散熱面的對(duì)流氣流順暢，消除排風(fēng)氣流受阻返回進(jìn)風(fēng)側(cè)造成進(jìn)排風(fēng)氣流短路的現(xiàn)象。部分空調(diào)室外冷凝器安裝不當(dāng)，造成排風(fēng)氣流回流進(jìn)風(fēng)側(cè)，進(jìn)排氣流短路情況突出。經(jīng)過(guò)測(cè)量，進(jìn)風(fēng)側(cè)空氣溫度明顯高于正常的環(huán)境空氣溫度，整機(jī)輸入電流相對(duì)正常運(yùn)行的機(jī)組偏大，能耗升高，特別是在天氣較熱的季節(jié)極易出現(xiàn)壓縮機(jī)高壓保護(hù)。通過(guò)對(duì)這些空調(diào)的安裝位置進(jìn)行調(diào)整，確保了進(jìn)出冷凝器的氣流順暢，明顯改善了機(jī)組運(yùn)行工況。此外，避免冷凝器過(guò)度集中安放，消除運(yùn)行環(huán)境區(qū)域的熱島效應(yīng)，同時(shí)還可以減少冷凝器進(jìn)風(fēng)負(fù)壓效應(yīng)導(dǎo)致的高熱排風(fēng)氣流返流現(xiàn)象。

風(fēng)冷冷凝器散熱片表面灰塵較多將會(huì)導(dǎo)致外界空氣與管路內(nèi)循環(huán)制冷劑進(jìn)行熱交換的效率降低，使得冷凝溫度升高，壓縮機(jī)能耗上升。針對(duì)該問(wèn)題，可以縮短冷凝器日常沖洗清潔的周期，增加頻次，使冷凝器始終保持良好的換熱性能。此外，在冷凝器安裝較為集中的區(qū)域或大面積陽(yáng)光暴曬的冷凝器旁加裝經(jīng)過(guò)水質(zhì)軟化處理的自動(dòng)噴淋裝置，在天氣炎熱時(shí)通過(guò)冷凝壓力信號(hào)控制水噴淋裝置工作，將水霧化后分別通過(guò)噴頭噴淋在冷凝器散熱片上，從而達(dá)到降低系統(tǒng)冷凝溫度的目的。

對(duì)于有條件的地方可以將風(fēng)冷冷凝器改造為冷卻水水冷冷凝器，不但可以改善冷凝器換熱效率，而且還可以平滑環(huán)境溫度變化對(duì)冷凝溫度的影響。冷卻水殼管冷凝器的水路管壁水垢積多同樣會(huì)降低換熱性能，導(dǎo)致冷凝溫度升高，影響制冷能效，增加了能耗?；诖?，需要定期開(kāi)展冷凝器管路除垢工作，確保冷凝器良好換熱效率。優(yōu)先選用閉式冷卻水系統(tǒng)，并配置完善的電子自動(dòng)加藥及軟化水裝置，減少管路內(nèi)壁水垢生成。

在冷凍水空調(diào)系統(tǒng)中，冷卻塔可選用具有預(yù)蒸發(fā)冷卻功能的冷卻塔，通過(guò)預(yù)先蒸發(fā)冷卻實(shí)現(xiàn)冷媒在冷卻塔側(cè)的預(yù)冷凝，進(jìn)一步降低系統(tǒng)冷凝溫度，從而降低壓縮機(jī)運(yùn)行能耗。此外，提升室內(nèi)機(jī)房環(huán)境溫度規(guī)定值，在同樣的室外環(huán)境溫度下，減少室內(nèi)外換熱溫差。例如在冷凍水空調(diào)系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備環(huán)境溫度標(biāo)準(zhǔn)要求由23 ℃提升到25 ℃或27 ℃，相當(dāng)于升高了蒸發(fā)溫度，顯然可以提升制冷能效。此外，通過(guò)提高冷凍水出水溫度來(lái)提升制冷系統(tǒng)運(yùn)行于自然換熱模式的節(jié)能效果，進(jìn)一步降低全年運(yùn)行能耗。

4 結(jié) 論

綜上所述，從制冷系統(tǒng)熱力學(xué)逆卡諾循環(huán)理論分析入手，詳細(xì)論述了影響空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行能效及能耗的一些重要參數(shù)，提出了改善空調(diào)運(yùn)行能效和降低能耗的途徑。通過(guò)對(duì)相關(guān)問(wèn)題和解決方案的分析，為通信機(jī)樓及數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)提供借鑒。