低環(huán)境溫度制冷技術(shù)應(yīng)用研究

王銀艷

（廣州番禺速能冷暖設(shè)備有限公司，廣東廣州 511480）

0 引言

現(xiàn)代化的高密度、大容量程控交換機和計算機等各種數(shù)據(jù)處理設(shè)備，它們在工作時所消耗的電能會最終轉(zhuǎn)化成為熱量，因此，需要制冷機組全年運行，對數(shù)據(jù)設(shè)備進(jìn)行冷卻，以保證數(shù)據(jù)設(shè)備的正常運行；化工、食品、醫(yī)藥等一些工業(yè)生產(chǎn)過程會產(chǎn)生熱量，生產(chǎn)工藝需要制冷機組全年運行，對生產(chǎn)過程進(jìn)行工藝?yán)鋮s；電子工業(yè)廠房、電子或石化產(chǎn)品存儲倉庫、手術(shù)室等一些場合，需要對環(huán)境進(jìn)行溫濕度和潔凈度進(jìn)行控制，需要制冷機組全年運行，對環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制[1-5]。核電廠空氣處理機組、單元式冷卻機組和以冷凍水為冷卻介質(zhì)的工藝設(shè)備，需要制冷機組全年提供冷凍水[6]。由于制冷機組全年不間斷地運行，高效制冷設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用是實現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵之一。對于夏季制冷運行，普通的冷水機組均可滿足要求；對于冬季制冷運行主要采用自然冷卻技術(shù)及低環(huán)境溫度蒸氣壓縮式制冷循環(huán)技術(shù)[5-8]。

1 載冷劑自然冷卻技術(shù)

在數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，為維持恒定的室內(nèi)溫度需要全年為之降溫，由此帶來了巨額的耗電量和電費。在節(jié)能減排和降低運營成本的雙重壓力下，迫使人們不斷地研發(fā)新的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品。機房空調(diào)一年四季都需要制冷，過渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時，自然界存在著豐富的冷源，如何利用大自然的冷源進(jìn)行冷卻是機房空調(diào)節(jié)能減排的重點問題。

在表1中可見，在我國華北、西北及東北等地區(qū)，室外氣溫低于10℃的天數(shù)占全年的百分比相當(dāng)可觀，冷水機組利用自然冷源進(jìn)行制冷的解決方案主要涉及風(fēng)冷冷水機組和水冷冷水機組。春秋過渡季節(jié)和晚上，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到比冷凍水回水溫度低5℃或以上時，開啟自然冷卻模塊制冷，無壓縮機功耗，自然冷卻不夠的部分，再由壓縮制冷接力達(dá)到需求冷量。隨著室外環(huán)境溫度降低，自然冷卻部分占的比例越來越大，直至達(dá)到100%，完全自然冷卻制冷，無壓縮機功耗。

表1 全國主要城市月平均氣溫（℃）統(tǒng)計

1.1 帶載冷劑自然冷卻盤管的風(fēng)冷式冷水機組

自然冷卻制冷模塊適用于全年會出現(xiàn)較長的環(huán)境溫度低于需求的冷水溫度5℃以上的地區(qū)，它和風(fēng)冷式冷水機組模塊組成一個高度節(jié)能的系統(tǒng)。機組的電腦控制器檢測環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度比機組回水溫度低5℃（直接式）或8℃（間接式）時，則自動啟動自然冷卻制冷模塊的運行。自然冷卻制冷模塊運行時，冷凍水首先進(jìn)入自然冷卻制冷模塊，通過自然冷卻盤管，由環(huán)境的低溫空氣對冷凍水進(jìn)行第一次冷卻，提供部分系統(tǒng)所需求的制冷量。如果自然冷卻模塊的出水溫度高于機組設(shè)定的冷凍水出水控制溫度，風(fēng)冷式冷水機組模塊根據(jù)差額制冷量，投入適當(dāng)數(shù)量的模塊單元制冷運行，補充自然冷卻制冷模塊制冷量的不足。當(dāng)環(huán)境溫度足夠低，所需的制冷量100%由環(huán)境獲得。自然冷卻制冷模塊根據(jù)模塊的出水溫度控制風(fēng)扇、水泵、三通閥的運行。自然冷卻制冷模塊分為兩種類型，一種為直接式的自然冷卻制冷型號，系統(tǒng)原理圖如圖1所示；另一種為間接式的自然冷卻制冷型號，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

1.1.1 直接式的自然制冷模塊

如圖1所示，空調(diào)用冷凍水直接進(jìn)入水-風(fēng)換熱器內(nèi)，可以最大限度獲取自然冷量，但需要使用適當(dāng)濃度的乙二醇溶液作為循環(huán)水。

圖1 直接式自然制冷模塊系統(tǒng)原理圖

1.1.2 間接式自然制冷模塊

如圖2所示，具有一個分離的一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。一次系統(tǒng)為自然冷卻盤管、水泵、水-乙二醇換熱器等。在一次系統(tǒng)中循環(huán)的是乙二醇防凍液。環(huán)境溫度較低時，環(huán)境空氣先對一次側(cè)的乙二醇防凍液進(jìn)行降溫，然后乙二醇防凍液在水-乙二醇換熱器中和二次側(cè)的空調(diào)冷凍水進(jìn)行熱交換，把環(huán)境冷量傳遞給冷凍水。它具有更加高的可靠性。

自然冷卻盤管可以根據(jù)需要設(shè)計成一個獨立的機組模塊，自然冷卻盤管也可以和制冷劑冷凝盤管放在一起，共用高靜壓冷卻風(fēng)機。

圖2 間接式自然制冷模塊系統(tǒng)原理圖

1.2 帶載冷劑自然冷卻功能的水冷式冷水機組

在我國北方地區(qū)，冬季室外溫度較低，利用水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，冬季無需開啟機械制冷機組，通過冷卻塔與板式換熱器“免費”制取冷源，減少數(shù)據(jù)中心運行能耗。水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)原理圖如圖3所示，是在原有冷凍水系統(tǒng)之上，增加了一組板式換熱器及相關(guān)切換閥組，高溫天氣時仍采用冷水機組機械制冷，在低溫季節(jié)將冷卻塔制備的低溫冷卻水與高溫冷凍水進(jìn)行熱交換，在過渡季節(jié)則將較低溫的冷卻水與較高溫的冷凍水進(jìn)行預(yù)冷卻后再進(jìn)入冷水機組，也可以達(dá)到降低冷水機組負(fù)荷及運行時間的目的。需要使用適當(dāng)濃度的乙二醇溶液作為冷卻塔循環(huán)水。

圖3 水冷式冷水機組自然冷卻系統(tǒng)原理圖

水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)適用于全年會出現(xiàn)較長的環(huán)境溫度低于需求的冷水溫度5℃以上的地區(qū)，它和蒸氣壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)組成一個高度節(jié)能的系統(tǒng)。機組的電腦控制器檢測環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度比機組回水溫度低5℃時，則自動啟動水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)的運行。水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)運行時，冷凍水首先進(jìn)入板式換熱器，通過板式換熱器，冷卻塔制備的低溫冷卻水對冷凍水進(jìn)行第一次冷卻，提供部分系統(tǒng)所需求的制冷量。如果水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)的出水溫度高于機組設(shè)定的冷凍水出水控制溫度，水冷式冷水機組根據(jù)差額制冷量，投入適當(dāng)負(fù)荷的制冷運行，補充水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)制冷量的不足。當(dāng)環(huán)境溫度足夠低，系統(tǒng)所需求的制冷量100%由低溫環(huán)境獲得，機組處于最節(jié)能的狀態(tài)。

2 氟泵自然冷卻風(fēng)冷式冷水機組

帶自然冷卻盤管的風(fēng)冷式冷水機組需要增加自然冷卻盤管以及載冷劑循環(huán)系統(tǒng)，會使機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積增大。可以直接利用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的蒸發(fā)器和冷卻器，再加上氟泵，來實現(xiàn)自然冷卻過程，可以大大簡化機組結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

在環(huán)境溫度-7℃以上或冷凍水出水溫度-環(huán)境溫度＜7℃時，磁懸浮壓縮機的排氣進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器冷凝；然后液態(tài)制冷劑依次經(jīng)過干燥過濾器、儲液器、經(jīng)濟(jì)器；再經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入滿液式蒸發(fā)器，液態(tài)制冷劑蒸發(fā)制取冷凍水；蒸發(fā)后的汽態(tài)制冷劑回到磁懸浮壓縮機的吸氣口。在環(huán)境溫度-7℃以下或冷凍水出水溫度-環(huán)境溫度＞9℃時，運行氟泵，液態(tài)制冷劑從氟泵的出口進(jìn)入電子膨脹閥，節(jié)流后進(jìn)入滿液式蒸發(fā)器，液態(tài)制冷劑蒸發(fā)制取冷凍水；蒸發(fā)后的汽態(tài)制冷劑經(jīng)旁通單向閥進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器冷凝；冷凝后的液態(tài)制冷劑依次經(jīng)過干燥過濾器、儲液器，再回到氟泵的進(jìn)口。在低環(huán)境溫度-7℃以下時，通過運行氟泵及電子膨脹閥、單向閥的切換，來達(dá)到制冷劑系統(tǒng)實現(xiàn)自然冷卻循環(huán)的目的。機組采用模塊化設(shè)計，可多臺機組進(jìn)行模塊化組合，每臺機組可各自運行蒸汽壓縮式制冷循環(huán)或自然冷卻循環(huán)；當(dāng)自然冷卻制冷量不足時，可部分機組運行自然冷卻循環(huán)，部分機組運行蒸汽壓縮式制冷循環(huán)。

圖4 氟泵自然冷卻風(fēng)冷式冷水機組系統(tǒng)原理圖

3 超低環(huán)境溫度蒸汽壓縮式制冷循環(huán)技術(shù)

超低溫環(huán)境下采用自然冷卻，使機組的制冷系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。而風(fēng)冷冷水機組在超低溫環(huán)境下，制冷運行時存在無法啟動、低壓保護(hù)和壓縮機故障等問題，為了解決風(fēng)冷冷水機組在超低溫環(huán)境下制冷啟動、運行的問題，需對制冷系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3.1 在超低環(huán)境溫度時風(fēng)冷冷凝器保溫

將風(fēng)冷冷凝器及冷凝風(fēng)機安裝在一個封閉的保溫良好的箱體中，在箱體上風(fēng)冷冷凝器的進(jìn)風(fēng)位置及冷凝風(fēng)機的出風(fēng)位置預(yù)留進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口，在進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口安裝電動風(fēng)閥。系統(tǒng)原理圖如圖5所示。在風(fēng)冷冷凝器上安裝兩個冷凝壓力控制器P1、P2，當(dāng)冷凝壓力控制器P1監(jiān)測到冷凝壓力低于設(shè)計冷凝壓力-2 bar時，冷凝風(fēng)機停止運行；當(dāng)冷凝壓力控制器P1監(jiān)測到冷凝壓力高于設(shè)計冷凝壓力-1 bar時，冷凝風(fēng)機恢復(fù)運行；當(dāng)冷凝壓力控制器P2監(jiān)測到冷凝壓力低于設(shè)計冷凝壓力-4 bar時，關(guān)閉進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口的電動風(fēng)閥；當(dāng)冷凝壓力控制器P2監(jiān)測到冷凝壓力高于設(shè)計冷凝壓力-3 bar時，開啟進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口的電動風(fēng)閥。通過控制冷凝風(fēng)機的啟停及電動風(fēng)閥的開關(guān)，來達(dá)到風(fēng)冷冷水機組在超低環(huán)境溫度下正常制冷運行的目的。

圖5 低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機組系統(tǒng)流程圖一

3.2 在超低環(huán)境溫度時風(fēng)冷冷凝器并聯(lián)

冷凝器為多個相互并聯(lián)、機組通過與冷凝器相連接的電磁閥控制對應(yīng)冷凝器的啟、停，以及根據(jù)冷凝壓力調(diào)節(jié)設(shè)置于冷凝器外殼的風(fēng)機電機的輸出功率、冷凝壓力總體逐漸上升時，啟動風(fēng)機并調(diào)節(jié)風(fēng)機電機頻率直至滿頻，根據(jù)冷凝壓力變化范圍增加冷凝器并聯(lián)的數(shù)量、冷凝壓力總體逐漸下降時，啟動風(fēng)機并調(diào)節(jié)風(fēng)機電機頻率直至最低頻，根據(jù)冷凝壓力的變化范圍減少冷凝器并聯(lián)的數(shù)量以及風(fēng)機電機的啟停。系統(tǒng)原理圖如圖6所示。采用冷凝器換熱面積調(diào)節(jié)與通過風(fēng)機電機變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量，即根據(jù)工況的變化，通過冷凝壓力的控制來調(diào)節(jié)冷凝器的換熱面積與風(fēng)量，保證機組處在一個安全可靠的狀態(tài)下運行。

圖6 低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機組系統(tǒng)流程圖二

4 結(jié)論

本文對近年來出現(xiàn)的自然冷卻及低環(huán)境溫度風(fēng)冷式冷水機組進(jìn)行了分析和總結(jié)，重點介紹了節(jié)能效果顯著的自然冷卻技術(shù)和改善風(fēng)冷式冷水機組在極低環(huán)境溫度下運行的技術(shù)要點，相信對工程技術(shù)人員研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品有一定的借鑒意義和參考價值。

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