高效空調(diào)制冷機(jī)房關(guān)鍵技術(shù)研究與發(fā)展趨勢分析

賈立偉，莊曉杰

（冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司，山東 煙臺 264000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器機(jī)房和通信基站等高度集成化的電子設(shè)備空間得到了廣泛應(yīng)用和普及。然而，這些設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，必須通過高效的空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱，以保證設(shè)備正常運(yùn)行和延長壽命。同時(shí)，這些設(shè)備對于溫度、濕度、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)的要求也越來越高，使得高效空調(diào)制冷技術(shù)成為關(guān)鍵的解決方案。因此，研究高效空調(diào)制冷技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 高效空調(diào)制冷技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 制冷劑選型

在高效空調(diào)制冷技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)中，制冷劑選型是一個(gè)重要的方面。制冷劑是用于在制冷系統(tǒng)中傳遞熱量和實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的介質(zhì)。正確選擇適合的制冷劑對于提高制冷系統(tǒng)的性能和效率至關(guān)重要。首先，制冷劑的熱物性是選擇的關(guān)鍵因素之一。制冷劑需要具備較高的潛熱和熱導(dǎo)率，以便在制冷循環(huán)中有效地吸收和釋放熱量。較高的潛熱可以增加制冷系統(tǒng)的制冷量，而較高的熱導(dǎo)率可以提高熱傳遞效率，從而提高系統(tǒng)的制冷效果。其次，制冷劑的環(huán)境友好性也是一個(gè)重要考慮因素。由于全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的需求日益增加，選擇低溫等級的制冷劑來減少對溫室氣體的排放已成為一種趨勢。因此，制冷劑的臭氧破壞潛能（ODP）和全球變暖潛能（GWP）需要得到充分的考慮。通常，選擇具有較低ODP 和GWP 的制冷劑可以減少對大氣層的不良影響。

1.1.2 制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高效空調(diào)制冷技術(shù)中的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。它涉及整個(gè)制冷系統(tǒng)的布局和組成部分的選擇，以實(shí)現(xiàn)高效的制冷性能。制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到制冷劑的流動(dòng)方式。常見的制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括直接膨脹制冷系統(tǒng)和間接膨脹制冷系統(tǒng)。直接膨脹制冷系統(tǒng)中，制冷劑直接流經(jīng)蒸發(fā)器和冷凝器，實(shí)現(xiàn)熱量的吸收和釋放[1]。而間接膨脹制冷系統(tǒng)中，制冷劑通過熱交換器與冷媒進(jìn)行熱量交換，然后再傳遞給蒸發(fā)器和冷凝器。根據(jù)具體的制冷需求和系統(tǒng)要求，選擇合適的制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以提高制冷效果和能效比。其次，制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需考慮到制冷設(shè)備的布置和連接方式。制冷設(shè)備包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流裝置等。在設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)時(shí)，需要考慮這些設(shè)備的布置位置，使得冷凝器和蒸發(fā)器之間的流動(dòng)路徑最短，減少管道長度和壓力損失。同時(shí)，選用合適的連接方式，如焊接或螺紋連接，以確保系統(tǒng)的密封性和穩(wěn)定性（見圖1）。

圖1 機(jī)房視圖

1.2 高效換熱器技術(shù)

1.2.1 空氣側(cè)換熱器

高效換熱器技術(shù)在高效空調(diào)制冷技術(shù)中扮演著重要角色，其中空氣側(cè)換熱器是一個(gè)關(guān)鍵組成部分。空氣側(cè)換熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化對于提高制冷系統(tǒng)的性能和效率至關(guān)重要。首先，空氣側(cè)換熱器的設(shè)計(jì)需要考慮到其傳熱性能。傳熱性能取決于空氣側(cè)換熱器的表面積、翅片形狀和排列方式等因素。通過增大換熱器的表面積，可以增加與空氣的熱量交換，從而提高傳熱效果。同時(shí)，選擇合適的翅片形狀和排列方式，如平板翅片、波紋翅片或凹凸翅片，并合理安排翅片間距，可以增加翅片表面積，提高換熱器的傳熱效率。其次，空氣側(cè)換熱器的空氣阻力也需要考慮?？諝庾枇χ苯佑绊懣諝鈧?cè)流動(dòng)的阻力損失和風(fēng)機(jī)的工作負(fù)荷。因此，在設(shè)計(jì)空氣側(cè)換熱器時(shí)，需要考慮翅片間距、翅片厚度和翅片高度等因素，以降低空氣阻力。

1.2.2 冷水側(cè)換熱器

冷水側(cè)換熱器是高效空調(diào)制冷系統(tǒng)中另一個(gè)關(guān)鍵組成部分。它在制冷循環(huán)中扮演著將冷凝劑中的熱量傳遞給冷水的重要角色。冷水側(cè)換熱器的設(shè)計(jì)需要考慮到其傳熱性能。傳熱性能直接影響制冷系統(tǒng)的效率和制冷能力。通過增加冷水側(cè)換熱器的表面積，可以增大與冷水的熱量交換，提高傳熱效果。選擇合適的管道材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如多通道管或螺旋管，可以增加冷水側(cè)換熱器的傳熱效率[2]。優(yōu)化冷水流速和溫度控制，也可以提高傳熱性能，確保制冷循環(huán)中的熱量傳遞效果。冷水側(cè)換熱器的水阻力也需要考慮。水阻力直接影響冷水的流動(dòng)速度和系統(tǒng)的工作負(fù)荷。在設(shè)計(jì)冷水側(cè)換熱器時(shí)，需要考慮管道直徑、長度和布置方式等因素，以降低水阻力。合理選擇泵的類型和工況，如離心泵或循環(huán)水泵，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行泵的調(diào)速控制，也可以減小水阻力，提高系統(tǒng)的效率。

1.3 機(jī)房空間溫濕度控制

1.3.1 空氣流動(dòng)控制

機(jī)房空間溫濕度控制是保證機(jī)房內(nèi)部環(huán)境適宜且穩(wěn)定的重要任務(wù)。其中，空氣流動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)房空間溫濕度控制的關(guān)鍵因素之一。在機(jī)房中，通過合理控制空氣流動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)溫濕度的均衡分布，有效消除熱點(diǎn)和濕度不均的問題。首先，需要考慮機(jī)房內(nèi)的氣流循環(huán)。通過合理布置通風(fēng)口和排風(fēng)口，使得新鮮空氣能夠均勻地進(jìn)入機(jī)房，將熱量帶走，并且保持空氣的流動(dòng)性，避免死角和堆積。同時(shí)，還可以利用風(fēng)機(jī)或空調(diào)系統(tǒng)來促進(jìn)空氣的流動(dòng)，確保機(jī)房內(nèi)的溫濕度分布均勻。其次，需要控制機(jī)房的空氣速度。過高的空氣速度會(huì)造成過大的風(fēng)冷效應(yīng)，導(dǎo)致局部溫度過低；而過低的空氣速度則可能導(dǎo)致熱量累積和濕度不均。因此，通過調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)，如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和風(fēng)速控制，可以實(shí)現(xiàn)適宜的空氣速度，確保機(jī)房內(nèi)的溫濕度控制在合理范圍內(nèi)。

1.3.2 濕度控制技術(shù)

濕度控制技術(shù)在機(jī)房空間溫濕度控制中扮演著重要的角色。有效地控制機(jī)房內(nèi)的濕度可以確保設(shè)備的正常運(yùn)行，防止?jié)穸冗^高導(dǎo)致設(shè)備腐蝕和損壞，同時(shí)也可以提供一個(gè)舒適的工作環(huán)境。首先，濕度控制技術(shù)可以通過調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)中的濕度傳感器來實(shí)現(xiàn)。濕度傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測機(jī)房內(nèi)的濕度水平，并將數(shù)據(jù)反饋給濕度控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)的控制下，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的濕度范圍自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)的工作模式，以達(dá)到所需的濕度水平[3]。例如，在濕度過高的情況下，可以啟動(dòng)排濕模式，增加通風(fēng)量，將過多的濕氣排出機(jī)房；而在濕度過低的情況下，可以啟動(dòng)加濕模式，通過加濕裝置增加濕氣的含量。其次，濕度控制技術(shù)還可以利用除濕設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。在機(jī)房中安裝除濕設(shè)備，如除濕機(jī)或吸濕劑，可以有效地控制濕度水平。這些設(shè)備可以吸收空氣中的濕氣，降低機(jī)房內(nèi)的相對濕度。通過設(shè)置合適的除濕設(shè)備容量和工作參數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整除濕效果，確保機(jī)房內(nèi)的濕度處于合適的范圍。

2 高效空調(diào)制冷技術(shù)發(fā)展趨勢分析

2.1 多級制冷系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展

多級制冷系統(tǒng)技術(shù)是當(dāng)前機(jī)房空間溫濕度控制中較為先進(jìn)的技術(shù)之一。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展，對于溫度和濕度的控制要求越來越高，多級制冷系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。首先，多級制冷系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展可以追溯到20 世紀(jì)50 年代。當(dāng)時(shí)，美國國家航空航天局（NASA）開始研究利用多級制冷系統(tǒng)技術(shù)來控制航天器內(nèi)部的溫度和濕度，以保證宇航員的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。后來，這一技術(shù)逐漸應(yīng)用到計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備中，成為一種先進(jìn)的溫度和濕度控制技術(shù)。其次，多級制冷系統(tǒng)技術(shù)的主要特點(diǎn)是在制冷系統(tǒng)中設(shè)置多個(gè)制冷循環(huán)，通過逐級降溫的方式實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制[4]。每個(gè)制冷循環(huán)都由一個(gè)壓縮機(jī)、一個(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)冷凝器組成，形成一系列的制冷階段。在這些階段中，通過將制冷劑逐步降溫，使得機(jī)房內(nèi)部的溫度能夠精確控制在所需范圍內(nèi)。同時(shí)，多級制冷系統(tǒng)技術(shù)還可以通過設(shè)置濕度控制模塊來實(shí)現(xiàn)對機(jī)房濕度的控制。多級制冷系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展還涉及制冷劑的優(yōu)化和設(shè)計(jì)的改進(jìn)。傳統(tǒng)的制冷劑如氯氟烴在使用中可能會(huì)對大氣層造成破壞，因此近年來逐漸被環(huán)保制冷劑代替。

2.2 相變材料在高效空調(diào)制冷中的應(yīng)用

相變材料在高效空調(diào)制冷中的應(yīng)用是機(jī)房空間溫濕度控制技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。相變材料是一種具有特殊物理性質(zhì)的材料，能夠在特定溫度范圍內(nèi)通過吸熱和放熱的相變過程來調(diào)節(jié)溫度。首先，相變材料在高效空調(diào)制冷中的應(yīng)用主要是利用其相變過程中的吸熱和放熱特性。在機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)中，相變材料可以作為儲(chǔ)能介質(zhì)，將過剩的熱量吸收并存儲(chǔ)起來，待需要時(shí)釋放出來。例如，在機(jī)房溫度升高時(shí)，相變材料可以通過吸熱將多余的熱量吸收，使機(jī)房溫度保持在合適的范圍內(nèi)。而當(dāng)機(jī)房溫度下降時(shí)，相變材料則會(huì)通過放熱將之前吸收的熱量釋放，以維持溫度的穩(wěn)定。其次，相變材料具有儲(chǔ)能效率高、體積小、無需外部能源供給等優(yōu)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的空調(diào)制冷系統(tǒng)，使用相變材料可以減少能源的消耗，提高能源利用效率。相變材料的儲(chǔ)能效率高意味著可以在較小的體積內(nèi)儲(chǔ)存更多的熱量，使得整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)更加緊湊和高效。而且，相變材料不需要外部能源供給，只需要通過溫度差來實(shí)現(xiàn)熱量的吸收和釋放，減少了對電力等能源的依賴。

2.3 空氣質(zhì)量檢測和治理技術(shù)的提升

空氣質(zhì)量檢測和治理技術(shù)的提升，是保障人們身體健康和改善環(huán)境質(zhì)量的重要手段。首先，空氣質(zhì)量檢測技術(shù)的提升主要表現(xiàn)在檢測手段和檢測精度方面。當(dāng)前，空氣質(zhì)量檢測手段不僅包括傳統(tǒng)的監(jiān)測站點(diǎn)和設(shè)備，還包括了移動(dòng)檢測設(shè)備和無人機(jī)巡檢等方式。這些新型的檢測手段可以更加全面地監(jiān)測空氣質(zhì)量，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣污染源和治理效果等問題。同時(shí)，空氣質(zhì)量檢測精度的提升也得益于傳感器、監(jiān)測技術(shù)等方面的發(fā)展。新型的傳感器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度、高靈敏度的空氣質(zhì)量監(jiān)測，而監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步則可以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為有效治理污染提供科學(xué)依據(jù)[5]。其次，空氣治理技術(shù)的提升主要表現(xiàn)在污染源控制和污染物處理方面。針對不同類型的污染源，應(yīng)采用不同的控制手段。例如，對于工業(yè)廢氣排放污染源，可以采用工藝調(diào)整、設(shè)備更新等方式進(jìn)行治理；而對于交通尾氣排放污染源，則可以采用限行措施、公共交通優(yōu)先等手段進(jìn)行治理。此外，針對不同類型的污染物，也應(yīng)采用相應(yīng)的處理方法。例如，對于PM2.5 等顆粒物，可以采用物理、化學(xué)等方法進(jìn)行處理，而對于VOC 等揮發(fā)性有機(jī)物，則可以采用生物技術(shù)等方法進(jìn)行處理。

3 結(jié)論

高效空調(diào)制冷技術(shù)在機(jī)房和數(shù)據(jù)中心等電子設(shè)備空間中的重要性日益凸顯，通過對高效空調(diào)制冷技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，在關(guān)鍵技術(shù)方面，制冷劑選型、制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效換熱器技術(shù)以及機(jī)房空間溫濕度控制技術(shù)等均是影響制冷效果和能效比的重要因素。多級制冷系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用、相變材料在制冷中的應(yīng)用以及空氣質(zhì)量檢測和治理技術(shù)的提升，將是未來的發(fā)展趨勢。多級制冷系統(tǒng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的溫濕度控制，相變材料應(yīng)用可以提高能源利用效率，而空氣質(zhì)量檢測和治理技術(shù)的提升對保障環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。因此，高效空調(diào)制冷技術(shù)在未來將繼續(xù)朝著節(jié)能高效、智能化和環(huán)保友好的方向發(fā)展，以適應(yīng)電子設(shè)備空間對溫濕度和空氣質(zhì)量要求日益提高的趨勢。