低環境溫度制冷技術應用研究

王銀艷

（廣州番禺速能冷暖設備有限公司，廣東廣州 511480）

0 引言

現代化的高密度、大容量程控交換機和計算機等各種數據處理設備，它們在工作時所消耗的電能會最終轉化成為熱量，因此，需要制冷機組全年運行，對數據設備進行冷卻，以保證數據設備的正常運行；化工、食品、醫藥等一些工業生產過程會產生熱量，生產工藝需要制冷機組全年運行，對生產過程進行工藝冷卻；電子工業廠房、電子或石化產品存儲倉庫、手術室等一些場合，需要對環境進行溫濕度和潔凈度進行控制，需要制冷機組全年運行，對環境溫度和濕度進行調節和控制[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的工藝設備，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，高效制冷設備的研發和應用是實現節能減排的關鍵之一。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及低環境溫度蒸氣壓縮式制冷循環技術[5-8]。

1 載冷劑自然冷卻技術

在數據中心等領域，為維持恒定的室內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新的節能技術和產品。機房空調一年四季都需要制冷，過渡季節室外溫度低于室內溫度時，自然界存在著豐富的冷源，如何利用大自然的冷源進行冷卻是機房空調節能減排的重點問題。

在表1中可見，在我國華北、西北及東北等地區，室外氣溫低于10℃的天數占全年的百分比相當可觀，冷水機組利用自然冷源進行制冷的解決方案主要涉及風冷冷水機組和水冷冷水機組。春秋過渡季節和晚上，當環境溫度達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到需求冷量。隨著室外環境溫度降低，自然冷卻部分占的比例越來越大，直至達到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（℃）統計

1.1 帶載冷劑自然冷卻盤管的風冷式冷水機組

自然冷卻制冷模塊適用于全年會出現較長的環境溫度低于需求的冷水溫度5℃以上的地區，它和風冷式冷水機組模塊組成一個高度節能的系統。機組的電腦控制器檢測環境溫度，當環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，冷凍水首先進入自然冷卻制冷模塊，通過自然冷卻盤管，由環境的低溫空氣對冷凍水進行第一次冷卻，提供部分系統所需求的制冷量。如果自然冷卻模塊的出水溫度高于機組設定的冷凍水出水控制溫度，風冷式冷水機組模塊根據差額制冷量，投入適當數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。當環境溫度足夠低，所需的制冷量100%由環境獲得。自然冷卻制冷模塊根據模塊的出水溫度控制風扇、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，空調用冷凍水直接進入水-風換熱器內，可以最大限度獲取自然冷量，但需要使用適當濃度的乙二醇溶液作為循環水。

圖1 直接式自然制冷模塊系統原理圖

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和二次系統。一次系統為自然冷卻盤管、水泵、水-乙二醇換熱器等。在一次系統中循環的是乙二醇防凍液。環境溫度較低時，環境空氣先對一次側的乙二醇防凍液進行降溫，然后乙二醇防凍液在水-乙二醇換熱器中和二次側的空調冷凍水進行熱交換，把環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需要設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，共用高靜壓冷卻風機。

圖2 間接式自然制冷模塊系統原理圖

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，冬季室外溫度較低，利用水側自然冷卻系統，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，減少數據中心運行能耗。水側自然冷卻系統原理圖如圖3所示，是在原有冷凍水系統之上，增加了一組板式換熱器及相關切換閥組，高溫天氣時仍采用冷水機組機械制冷，在低溫季節將冷卻塔制備的低溫冷卻水與高溫冷凍水進行熱交換，在過渡季節則將較低溫的冷卻水與較高溫的冷凍水進行預冷卻后再進入冷水機組，也可以達到降低冷水機組負荷及運行時間的目的。需要使用適當濃度的乙二醇溶液作為冷卻塔循環水。

圖3 水冷式冷水機組自然冷卻系統原理圖

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

2 氟泵自然冷卻風冷式冷水機組

帶自然冷卻盤管的風冷式冷水機組需要增加自然冷卻盤管以及載冷劑循環系統，會使機組結構復雜，占地面積增大。可以直接利用蒸汽壓縮式制冷循環的蒸發器和冷卻器，再加上氟泵，來實現自然冷卻過程，可以大大簡化機組結構，系統原理圖如圖4所示。

在環境溫度-7℃以上或冷凍水出水溫度-環境溫度＜7℃時，磁懸浮壓縮機的排氣進入風冷冷凝器冷凝；然后液態制冷劑依次經過干燥過濾器、儲液器、經濟器；再經過電子膨脹閥節流后進入滿液式蒸發器，液態制冷劑蒸發制取冷凍水；蒸發后的汽態制冷劑回到磁懸浮壓縮機的吸氣口。在環境溫度-7℃以下或冷凍水出水溫度-環境溫度＞9℃時，運行氟泵，液態制冷劑從氟泵的出口進入電子膨脹閥，節流后進入滿液式蒸發器，液態制冷劑蒸發制取冷凍水；蒸發后的汽態制冷劑經旁通單向閥進入風冷冷凝器冷凝；冷凝后的液態制冷劑依次經過干燥過濾器、儲液器，再回到氟泵的進口。在低環境溫度-7℃以下時，通過運行氟泵及電子膨脹閥、單向閥的切換，來達到制冷劑系統實現自然冷卻循環的目的。機組采用模塊化設計，可多臺機組進行模塊化組合，每臺機組可各自運行蒸汽壓縮式制冷循環或自然冷卻循環；當自然冷卻制冷量不足時，可部分機組運行自然冷卻循環，部分機組運行蒸汽壓縮式制冷循環。

圖4 氟泵自然冷卻風冷式冷水機組系統原理圖

3 超低環境溫度蒸汽壓縮式制冷循環技術

超低溫環境下采用自然冷卻，使機組的制冷系統和結構更加復雜。而風冷冷水機組在超低溫環境下，制冷運行時存在無法啟動、低壓保護和壓縮機故障等問題，為了解決風冷冷水機組在超低溫環境下制冷啟動、運行的問題，需對制冷系統和結構進行進一步優化。

3.1 在超低環境溫度時風冷冷凝器保溫

將風冷冷凝器及冷凝風機安裝在一個封閉的保溫良好的箱體中，在箱體上風冷冷凝器的進風位置及冷凝風機的出風位置預留進風口及出風口，在進風口及出風口安裝電動風閥。系統原理圖如圖5所示。在風冷冷凝器上安裝兩個冷凝壓力控制器P1、P2，當冷凝壓力控制器P1監測到冷凝壓力低于設計冷凝壓力-2 bar時，冷凝風機停止運行；當冷凝壓力控制器P1監測到冷凝壓力高于設計冷凝壓力-1 bar時，冷凝風機恢復運行；當冷凝壓力控制器P2監測到冷凝壓力低于設計冷凝壓力-4 bar時，關閉進風口及出風口的電動風閥；當冷凝壓力控制器P2監測到冷凝壓力高于設計冷凝壓力-3 bar時，開啟進風口及出風口的電動風閥。通過控制冷凝風機的啟停及電動風閥的開關，來達到風冷冷水機組在超低環境溫度下正常制冷運行的目的。

圖5 低環境溫度風冷冷水機組系統流程圖一

3.2 在超低環境溫度時風冷冷凝器并聯

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

圖6 低環境溫度風冷冷水機組系統流程圖二

4 結論

本文對近年來出現的自然冷卻及低環境溫度風冷式冷水機組進行了分析和總結，重點介紹了節能效果顯著的自然冷卻技術和改善風冷式冷水機組在極低環境溫度下運行的技術要點，相信對工程技術人員研發相關產品有一定的借鑒意義和參考價值。

參考文獻：

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