氟泵空調制冷系統節能特性實驗研究

盧浩賢，張世航,賀春輝，宋平

（1.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，珠海 519070；2.廣東省制冷設備節能環保技術企業重點實驗室，珠海 519070）

引言

近年來，我國信息化產業蓬勃發展，基礎服務設施的需求量急劇增，通信機房的建設作為通信行業的基礎被提到了至關重要的位置[1,2]。與傳統建筑空間相比，通信機房單位面積散熱量可達傳統辦公區域的40倍以上，為維持機房設備散熱，機房空調需全年為其提供冷源，并保障負荷需求[3,4]，機房空調能耗巨大。據統計，現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，因此，機房空調的能耗占到整個建筑能耗的近40 %[5]。在機房的熱管理與節能研究中，如何降低其制冷系統能耗是目前研究的熱點問題[6]。

自然冷卻技術是實現數據機房節能減排的重要途徑[7]，在自然新風冷卻方面：Chen 等[8,9]提出了一種通信基站的通風冷卻系統并實現節能49 %；Chang 等[10]設計了一種獨特的自然冷卻結構，實現了數據中心的冷卻。在熱管技術方面：張海南等[11]對以CO2為工質的熱虹吸管進行了實驗和節能效果分析研究，指出采用CO2工質替代R22可顯著提升數據中心全年的熱虹吸自然冷卻時間；錢曉棟等[12]結合數據機房環境的特點，選取R22和R134a為工質，實驗研究了數據機房熱管空調系統的換熱性能和工質的最佳充液率；唐志偉等[13]在小型分離式熱管的實驗研究中發現其最佳灌注量在48~63 %的范圍內。在氟泵技術領域：鄭躍波[14]分析了不同自然冷源的節能空調系統形式優缺點和節能效果，指出氟泵空調制冷系統可充分利用常規制冷系統的換熱器資源，結構緊湊。韓小磊等[15]對氟泵系統的模型進行模擬計算，研究得出在數據中心冷卻應用氟泵自然冷卻機組節能效果明顯。林郁聰等[16]搭建的氟泵增壓機房空調系統研究結果表明，在外環溫度為-5~25 ℃的工況范圍內均可實現100 %以上的額定制冷量，COP 可達3.96~6.25，外環溫度低于-5 ℃ 時，使用單氟泵驅動可滿足額定制冷量，且COP＞19。

自然新風冷卻需要對空調及建筑進行改造且鋪設信管管道等初投資較高；熱管冷卻技術雖然有較好的冷卻性能，但規模化應用還需要經過較長的成果轉化階段；而氟泵系統可與壓縮機系統集為一體組成氟泵空調制冷系統，占地小、成本低、在未來的機房冷卻設備市場方面大有可為。氟泵空調工作模式切換控制策略，系統配置參數等一直是影響氟泵節能效果發揮的重要因素，業內氟泵制冷系統相關的性能量化研究仍較少。本文搭建氟泵空調制冷系統，在寬范圍外環區間下利用焓差法研究了氟泵空調制冷系統性能，并實驗研究了氟泵輸出能力、氟灌注量、內外機連接管管徑等對氟泵空調制冷系統性能的影響。

1 氟泵空調制冷系統及原理

氟泵空調制冷系統集成了氟泵系統和壓縮機系統，除常規制冷空調四大部件外增加了氟泵循環部件：氟泵、儲液罐、電子膨脹閥、電磁閥及配套管路等。氟泵空調制冷系統工作原理如圖1。

圖1 氟泵空調制冷系統示意圖

在外環溫度比較高時，氟泵空調制冷系統運行模式為壓縮機系統模式，圖中壓縮機正常運行，氟泵系統中的氟泵、氟泵電磁閥1、2、電子膨脹閥（氟泵）關閉；在外環的溫度較低時，氟泵空調制冷系統運行模式由壓縮機系統切換到氟泵系統，圖中氟泵運行，壓縮機、電子膨脹閥關閉。氟泵系統模式下，氟氣體在外環機內冷卻變為液體，經閥節流后通過泵壓將氟液體輸至室內蒸發器吸熱變成氣體，然后氟利昂氣體再次回到外環機進行冷卻，形成一個循環。

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

圖2 氟泵、壓縮氟P-h圖

2 實驗系統及設備

在140HP焓差實驗室內搭建氟泵空調制冷系統并進行實驗研究。實驗室滿足GB/T 17758《單元式空氣調節機》、GB/T 19413《計算機和數據處理機房用單元空氣調節機》的要求。測試范圍： 10~350 kW；室內外環溫范圍：-30～60 ℃；濕度范圍：25～98 %，實驗測量裝置及精度見表1。氟泵空調制冷系統的額定制冷量為100 kW，包含1臺內機、2臺外機。實驗測試示意圖、現場圖如圖3所示。

表1 測量裝置的范圍和精度

圖3 試驗系統現場圖

在不同外環溫度下分別測試氟泵系統模式和壓縮機系統模式機組性能，通過調整室內、外機風機轉速、電子膨脹閥步數在各工況點使得系統性能參數最優，測試方案見表2。

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

表2 外環溫度對系統性能影響的實驗方案

表3 氟泵性能影響因素實驗

3 結果和分析

3.1 氟泵系統與壓縮機系統的性能

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

圖4 氟泵、壓縮機系統性能參數

圖5 氟泵系統與壓縮機系統的制冷能力和COP

對比氟泵系統與壓縮機系統性能參數，在外環較低時，COP氟泵＞COP壓縮；隨著外環溫度的升高，COP氟泵降低，且制冷能力下降；當外環溫度降低至接近室內溫度時，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，此時氟泵系統的制冷能力位于N點（12.6，40 000）。因此，在外環比室內溫度低11.4 ℃時，近似處理為10~12 ℃，氟泵系統與壓縮機系統COP相當，但氟泵系統的制冷能力僅能達到壓縮機系統制冷能力的40 %。為更好地實現系統節能，在室內外環溫溫差＞10~12 ℃時，宜使用氟泵系統，在室內外環溫溫差在10~12 ℃時，使用氟泵系統或是壓縮機系統均可，在室內外環溫溫差＜10~12 ℃時，宜使用壓縮機系統；當氟泵系統制冷能力不滿足負荷要求時，再行切換為壓縮機系統。

3.2 全年能效比

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

式中：

EER35~ EER-5：分別為外環為35、25、15、5和-5℃時的系統能效比。數據對比見表4。

表4 系統AEER對比

對比壓縮機系統、氟泵系統的AEER，氟泵空調制冷系統綜合運行AEER最高，其綜合能效是單壓縮機系統的1.93倍，是單氟泵系統的1.24倍，設備使用區域越靠近寒冷地區，其室內外溫差越大，氟泵系統在氟泵空調制冷系統中可開啟的時間占比就越大，系統節能優勢越明顯。因此，本文建議在夏熱冬冷或嚴寒氣候地區大力推廣氟泵空調制冷系統作為機房冷卻設備，這將為我國二氧化碳排放2030年前達到峰值、2060年前實現碳中和貢獻重要力量。

3.3 氟泵制冷性能影響因素

在-5 ℃外環時，研究了氟泵系統泵檔位、氟灌注量、內機與外機連接管管徑等對其性能影響，研究結果見圖6。

圖6 各因素對氟泵系統性能的影響

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

系統氟灌注量一定程度上可以影響氟循環量，由氟泵制冷制冷量公式可得qm越大，其制冷能力越強，在本實驗系統中，系統氟灌注量較少時（系統1、2均為45 kg時），氟泵制冷能力、能效較低；系統氟灌注量適中時（系統1、2均為60 kg時），氟泵制冷能力、能效較高；系統氟灌注量較高時（系統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并不能發揮其循環制冷的效果，故一味增加氟灌注量將對制冷量、能效提升無明顯促進作用，合理匹配氟灌注量對氟泵空調制冷系統性能提升有利。

對比不同內機與外機連接管實驗，使用大規格管徑對氟泵系統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，氟循環量增加，從而使得系統制冷量及能效提升。在系統配置不變的情況下優化系統管路結構，合理匹配系統灌注量，降低氟流程阻力將大大提升制冷能力及能效。

4 結論

本文搭建了氟泵空調制冷系統，并在寬外環區間下利用焓差法研究了氟泵空調制冷系統性能，結論如下：

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

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

3）在氟泵系統中，氟泵運行檔位影響系統氟循環量，對系統性能參數影響較大，配置合理規格的氟泵將對整個制冷設備節能運行有積極作用；系統氟灌注量較少時，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作用；內機與外機連接管使用大規格管徑對氟泵系統制冷量及能效均有明顯提升；在系統配置不變的情況下優化系統管路結構，減少流程阻力，合理控制氟灌注量將是提升氟泵系統能力及能效的主要手段。