氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能特性實驗研究

盧浩賢，張世航,賀春輝，宋平

（1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，珠海 519070；2.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點實驗室，珠海 519070）

引言

近年來，我國信息化產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施的需求量急劇增，通信機房的建設(shè)作為通信行業(yè)的基礎(chǔ)被提到了至關(guān)重要的位置[1,2]。與傳統(tǒng)建筑空間相比，通信機房單位面積散熱量可達(dá)傳統(tǒng)辦公區(qū)域的40倍以上，為維持機房設(shè)備散熱，機房空調(diào)需全年為其提供冷源，并保障負(fù)荷需求[3,4]，機房空調(diào)能耗巨大。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)代信息化社會機房用電量會占到全社會總用電量的5 %，而這其中有2/5左右用于機房空調(diào)，因此，機房空調(diào)的能耗占到整個建筑能耗的近40 %[5]。在機房的熱管理與節(jié)能研究中，如何降低其制冷系統(tǒng)能耗是目前研究的熱點問題[6]。

自然冷卻技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)機房節(jié)能減排的重要途徑[7]，在自然新風(fēng)冷卻方面：Chen 等[8,9]提出了一種通信基站的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)并實現(xiàn)節(jié)能49 %；Chang 等[10]設(shè)計了一種獨特的自然冷卻結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心的冷卻。在熱管技術(shù)方面：張海南等[11]對以CO2為工質(zhì)的熱虹吸管進(jìn)行了實驗和節(jié)能效果分析研究，指出采用CO2工質(zhì)替代R22可顯著提升數(shù)據(jù)中心全年的熱虹吸自然冷卻時間；錢曉棟等[12]結(jié)合數(shù)據(jù)機房環(huán)境的特點，選取R22和R134a為工質(zhì)，實驗研究了數(shù)據(jù)機房熱管空調(diào)系統(tǒng)的換熱性能和工質(zhì)的最佳充液率；唐志偉等[13]在小型分離式熱管的實驗研究中發(fā)現(xiàn)其最佳灌注量在48~63 %的范圍內(nèi)。在氟泵技術(shù)領(lǐng)域：鄭躍波[14]分析了不同自然冷源的節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)形式優(yōu)缺點和節(jié)能效果，指出氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)可充分利用常規(guī)制冷系統(tǒng)的換熱器資源，結(jié)構(gòu)緊湊。韓小磊等[15]對氟泵系統(tǒng)的模型進(jìn)行模擬計算，研究得出在數(shù)據(jù)中心冷卻應(yīng)用氟泵自然冷卻機組節(jié)能效果明顯。林郁聰?shù)萚16]搭建的氟泵增壓機房空調(diào)系統(tǒng)研究結(jié)果表明，在外環(huán)溫度為-5~25 ℃的工況范圍內(nèi)均可實現(xiàn)100 %以上的額定制冷量，COP 可達(dá)3.96~6.25，外環(huán)溫度低于-5 ℃ 時，使用單氟泵驅(qū)動可滿足額定制冷量，且COP＞19。

自然新風(fēng)冷卻需要對空調(diào)及建筑進(jìn)行改造且鋪設(shè)信管管道等初投資較高；熱管冷卻技術(shù)雖然有較好的冷卻性能，但規(guī)模化應(yīng)用還需要經(jīng)過較長的成果轉(zhuǎn)化階段；而氟泵系統(tǒng)可與壓縮機系統(tǒng)集為一體組成氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)，占地小、成本低、在未來的機房冷卻設(shè)備市場方面大有可為。氟泵空調(diào)工作模式切換控制策略，系統(tǒng)配置參數(shù)等一直是影響氟泵節(jié)能效果發(fā)揮的重要因素，業(yè)內(nèi)氟泵制冷系統(tǒng)相關(guān)的性能量化研究仍較少。本文搭建氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)，在寬范圍外環(huán)區(qū)間下利用焓差法研究了氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)性能，并實驗研究了氟泵輸出能力、氟灌注量、內(nèi)外機連接管管徑等對氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)性能的影響。

1 氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)及原理

氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)集成了氟泵系統(tǒng)和壓縮機系統(tǒng)，除常規(guī)制冷空調(diào)四大部件外增加了氟泵循環(huán)部件：氟泵、儲液罐、電子膨脹閥、電磁閥及配套管路等。氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)工作原理如圖1。

圖1 氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)示意圖

在外環(huán)溫度比較高時，氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)運行模式為壓縮機系統(tǒng)模式，圖中壓縮機正常運行，氟泵系統(tǒng)中的氟泵、氟泵電磁閥1、2、電子膨脹閥（氟泵）關(guān)閉；在外環(huán)的溫度較低時，氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)運行模式由壓縮機系統(tǒng)切換到氟泵系統(tǒng)，圖中氟泵運行，壓縮機、電子膨脹閥關(guān)閉。氟泵系統(tǒng)模式下，氟氣體在外環(huán)機內(nèi)冷卻變?yōu)橐后w，經(jīng)閥節(jié)流后通過泵壓將氟液體輸至室內(nèi)蒸發(fā)器吸熱變成氣體，然后氟利昂氣體再次回到外環(huán)機進(jìn)行冷卻，形成一個循環(huán)。

壓縮機系統(tǒng)制冷循環(huán)如圖2中1-2-3-4，其中4-1為蒸發(fā)器吸熱制冷階段，1-2為壓縮機壓縮做功階段；而氟泵系統(tǒng)制冷循環(huán)則為5-6-7，若考慮換熱器及管路沿程阻力等，則實際循環(huán)為5-6-7’。假定氟泵與壓縮機做功過程均為理想絕熱壓縮，則在相同氟循環(huán)量的情況下有W5-6遠(yuǎn)小于W1-2，氟泵系統(tǒng)制冷量q5-7'，壓縮系統(tǒng)制冷量q41-，q5-7'＜q41-，且

圖2 氟泵、壓縮氟P-h圖

2 實驗系統(tǒng)及設(shè)備

在140HP焓差實驗室內(nèi)搭建氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)并進(jìn)行實驗研究。實驗室滿足GB/T 17758《單元式空氣調(diào)節(jié)機》、GB/T 19413《計算機和數(shù)據(jù)處理機房用單元空氣調(diào)節(jié)機》的要求。測試范圍： 10~350 kW；室內(nèi)外環(huán)溫范圍：-30～60 ℃；濕度范圍：25～98 %，實驗測量裝置及精度見表1。氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)的額定制冷量為100 kW，包含1臺內(nèi)機、2臺外機。實驗測試示意圖、現(xiàn)場圖如圖3所示。

表1 測量裝置的范圍和精度

圖3 試驗系統(tǒng)現(xiàn)場圖

在不同外環(huán)溫度下分別測試氟泵系統(tǒng)模式和壓縮機系統(tǒng)模式機組性能，通過調(diào)整室內(nèi)、外機風(fēng)機轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥步數(shù)在各工況點使得系統(tǒng)性能參數(shù)最優(yōu)，測試方案見表2。

在-5 ℃外環(huán)下，研究了氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)的氟泵系統(tǒng)模式性能的影響因素：氟泵檔位、氟灌注量和內(nèi)外機連接管徑，其它測試條件同表2實驗序號5，測試方案見表3。

表2 外環(huán)溫度對系統(tǒng)性能影響的實驗方案

表3 氟泵性能影響因素實驗

3 結(jié)果和分析

3.1 氟泵系統(tǒng)與壓縮機系統(tǒng)的性能

在焓差實驗室、不同外環(huán)溫度下分別測試兩系統(tǒng)性能，各參數(shù)如圖4、圖5。氟泵系統(tǒng)在外環(huán)-5 ℃以下、壓縮機系統(tǒng)在外環(huán)-15~35 ℃通過系統(tǒng)匹配均可滿足標(biāo)稱100 kW制冷量，在外環(huán)較高時，氟泵系統(tǒng)制冷能力下降甚至無法正常制冷，而壓縮機系統(tǒng)受外環(huán)制約影響較小；氟泵系統(tǒng)制冷量、COP與外環(huán)溫度成反向關(guān)系，外環(huán)溫度越低，制冷能力、系統(tǒng)能效比越高；其功率與系統(tǒng)外環(huán)成正向關(guān)系，外環(huán)溫度越高，系統(tǒng)功率越大。壓縮機系統(tǒng)在制冷量基本保持不變的情況下，其COP與外環(huán)溫度成反向關(guān)系，外環(huán)溫度越低，系統(tǒng)能效比越高；功率參數(shù)與系統(tǒng)外環(huán)成正向關(guān)系，外環(huán)越高，系統(tǒng)功率越大。

圖4 氟泵、壓縮機系統(tǒng)性能參數(shù)

圖5 氟泵系統(tǒng)與壓縮機系統(tǒng)的制冷能力和COP

對比氟泵系統(tǒng)與壓縮機系統(tǒng)性能參數(shù)，在外環(huán)較低時，COP氟泵＞COP壓縮；隨著外環(huán)溫度的升高，COP氟泵降低，且制冷能力下降；當(dāng)外環(huán)溫度降低至接近室內(nèi)溫度時，COP氟泵＜COP壓縮；在本文實驗中，在M點（12.6，4.40）附近，COP氟泵與COP壓縮相當(dāng)，此時氟泵系統(tǒng)的制冷能力位于N點（12.6，40 000）。因此，在外環(huán)比室內(nèi)溫度低11.4 ℃時，近似處理為10~12 ℃，氟泵系統(tǒng)與壓縮機系統(tǒng)COP相當(dāng)，但氟泵系統(tǒng)的制冷能力僅能達(dá)到壓縮機系統(tǒng)制冷能力的40 %。為更好地實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，在室內(nèi)外環(huán)溫溫差＞10~12 ℃時，宜使用氟泵系統(tǒng)，在室內(nèi)外環(huán)溫溫差在10~12 ℃時，使用氟泵系統(tǒng)或是壓縮機系統(tǒng)均可，在室內(nèi)外環(huán)溫溫差＜10~12 ℃時，宜使用壓縮機系統(tǒng)；當(dāng)氟泵系統(tǒng)制冷能力不滿足負(fù)荷要求時，再行切換為壓縮機系統(tǒng)。

3.2 全年能效比

根據(jù)國標(biāo)GB/T 19413-2010中附錄B北京的溫度分布系數(shù)，全年能效比（Annual Energy Efficiency Ratio:AEER）：

式中：

EER35~ EER-5：分別為外環(huán)為35、25、15、5和-5℃時的系統(tǒng)能效比。數(shù)據(jù)對比見表4。

表4 系統(tǒng)AEER對比

對比壓縮機系統(tǒng)、氟泵系統(tǒng)的AEER，氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)綜合運行AEER最高，其綜合能效是單壓縮機系統(tǒng)的1.93倍，是單氟泵系統(tǒng)的1.24倍，設(shè)備使用區(qū)域越靠近寒冷地區(qū)，其室內(nèi)外溫差越大，氟泵系統(tǒng)在氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)中可開啟的時間占比就越大，系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢越明顯。因此，本文建議在夏熱冬冷或嚴(yán)寒氣候地區(qū)大力推廣氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)作為機房冷卻設(shè)備，這將為我國二氧化碳排放2030年前達(dá)到峰值、2060年前實現(xiàn)碳中和貢獻(xiàn)重要力量。

3.3 氟泵制冷性能影響因素

在-5 ℃外環(huán)時，研究了氟泵系統(tǒng)泵檔位、氟灌注量、內(nèi)機與外機連接管管徑等對其性能影響，研究結(jié)果見圖6。

圖6 各因素對氟泵系統(tǒng)性能的影響

氟泵系統(tǒng)中，泵的檔位越大，電機轉(zhuǎn)速越高，泵的輸出功就越大，氟從泵口處將獲得更大的揚程，在系統(tǒng)管路相同的情況下，氟循環(huán)量增加，制冷能力增加，氟泵保持最大輸出時，系統(tǒng)性能最優(yōu)。

系統(tǒng)氟灌注量一定程度上可以影響氟循環(huán)量，由氟泵制冷制冷量公式可得qm越大，其制冷能力越強，在本實驗系統(tǒng)中，系統(tǒng)氟灌注量較少時（系統(tǒng)1、2均為45 kg時），氟泵制冷能力、能效較低；系統(tǒng)氟灌注量適中時（系統(tǒng)1、2均為60 kg時），氟泵制冷能力、能效較高；系統(tǒng)氟灌注量較高時（系統(tǒng)1、2均為75 kg時），氟泵制冷能力、能效較高，但提升不明顯；由于增加的過多的氟存留在儲液罐內(nèi)并不能發(fā)揮其循環(huán)制冷的效果，故一味增加氟灌注量將對制冷量、能效提升無明顯促進(jìn)作用，合理匹配氟灌注量對氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)性能提升有利。

對比不同內(nèi)機與外機連接管實驗，使用大規(guī)格管徑對氟泵系統(tǒng)制冷量及能效均有明顯提升，這是因為大口徑連接管路將有效降低氟流動過程的阻力，一定程度上降低了氟泵功耗，氟循環(huán)量增加，從而使得系統(tǒng)制冷量及能效提升。在系統(tǒng)配置不變的情況下優(yōu)化系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)，合理匹配系統(tǒng)灌注量，降低氟流程阻力將大大提升制冷能力及能效。

4 結(jié)論

本文搭建了氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)，并在寬外環(huán)區(qū)間下利用焓差法研究了氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)性能，結(jié)論如下：

1）對比氟泵系統(tǒng)與壓縮機系統(tǒng)性能參數(shù)，存在一個M點（12.6，4.40）使得COP氟泵與COP壓縮相當(dāng)，在室內(nèi)外環(huán)溫溫差＞10~12 ℃時，宜使用氟泵系統(tǒng)，反之宜使用壓縮機系統(tǒng)。

2）對比了各系統(tǒng)的全年能效比（AEER），氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)綜合能效是單壓縮機系統(tǒng)的1.93倍，是單氟泵系統(tǒng)的1.24倍，室外溫度越低，其節(jié)能優(yōu)勢越明顯，建議夏熱冬冷或嚴(yán)寒氣候的機房冷卻設(shè)備大力推廣氟泵空調(diào)制冷系統(tǒng)。

3）在氟泵系統(tǒng)中，氟泵運行檔位影響系統(tǒng)氟循環(huán)量，對系統(tǒng)性能參數(shù)影響較大，配置合理規(guī)格的氟泵將對整個制冷設(shè)備節(jié)能運行有積極作用；系統(tǒng)氟灌注量較少時，氟泵制冷能力下降，能效降低，但一味增加氟灌注量將對制冷量、能效提升無明顯促進(jìn)作用；內(nèi)機與外機連接管使用大規(guī)格管徑對氟泵系統(tǒng)制冷量及能效均有明顯提升；在系統(tǒng)配置不變的情況下優(yōu)化系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)，減少流程阻力，合理控制氟灌注量將是提升氟泵系統(tǒng)能力及能效的主要手段。