逆卡諾循環理論在空調能效分析中的應用

劉立賢

（中國移動通信集團廣西有限公司，廣西 南寧 530022）

0 引 言

社會信息化、數字化需求催生了大型數據中心、基礎通信網機房等信息新基建的大規模建設，而龐大的業務承載量造成以服務器設備為代表的高能耗設備裝機量迅速增加，網絡機房面積及設備裝機功率日益增大[1]。與此同時，為機房運行基礎環境提供保障的空調制冷系統的配置容量也隨之同步快速提升[2]。隨著數據中心高功率密度機柜等設備的投入比例越來越大，空調運行電費成為一筆巨大的運營開銷，對企業盈利產生了重要的影響。根據空調制冷系統具有的能效比特性，實際機房空調系統的能耗往往能達到機房總能耗的1/2左右，數據中心電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）較高[3]。從制冷系統的熱力循環理論相關參數入手，分析如何通過優化空調機組運行工況來提升空調系統能效，減少空調運行能耗。

1 逆卡諾循環

一直以來，人們在研究制冷空調系統時都會用到一種理想的熱力循環，即逆卡諾循環。以理想模型作為分析計算基礎可以設計出經濟性較好的制冷系統，也可以通過該模型分析評價制冷系統運行的經濟性，借助逆卡諾循環來分析現實生產中影響空調運行效率的關鍵因素[4]。一個完整的逆卡諾循環如圖1表示。其中，熵是反映制冷劑狀態變化的參數，反映熱量轉換為功的程度。

圖1 逆卡諾循環

根據圖1，1→2→3→4→1這一過程表征一個理想的制冷循環，主要由定溫過程和絕熱過程組成。其中，2→3、4→1線段分別對應在T0等溫線和Tk等溫線，為制冷劑等溫變化過程；1→2、3→4線段分別對應升壓絕熱線和降壓絕熱線，為制冷劑絕熱變化過程。研究逆卡諾循環實際上就是研究制冷劑在整個循環中的相態變化，這一過程實現了將熱量從低溫熱源搬移到高溫熱源。在逆卡諾循環中有3個參數，即制冷劑吸收的熱量q0、制冷劑放出的熱量qk、制冷劑循環消耗的功量Σω（圖中1234連線圍成的面積），可以直接反映整個熱量搬移循環系統的經濟性。它們之間的關系可以用qk=q0+Σω表示，其中Σω等于制冷系統壓縮機消耗功量與膨脹機（閥）得到功量之差。通常一個理想的制冷循環性能指標可以用制冷系數ε來表示，制冷系數ε=q0/Σω。此外，由逆卡諾循環圖還可以得出便于分析循環制冷系數的公式ε=T0/(T1-T0)。影響制冷系數大小的因素主要是制冷劑在兩個定溫變化過程中的平均溫度T0和Tk，T0指被冷卻物質的溫度，Tk指冷卻劑的溫度。被冷卻物質溫度越高、冷卻劑溫度越低，則制冷系數越大、制冷性能越好。由此可見，通過調節這兩個溫度參數值可以控制整個制冷系統的工況，實現高效節能。

2 實際制冷循環系統運行分析

2.1 帶傳熱溫差制冷循環

實現理想逆卡諾循環的一個重要條件是制冷劑與被冷卻物質、制冷劑與冷卻劑之間在無溫差條件下相互傳熱，而現實生產中這些傳熱是在有溫差的情況下進行，否則需要制造出換熱面積無限大的冷凝器和蒸發器[5]。理論上理想逆卡諾循環是最經濟的，但具體實現上基本不可能，真正可以用于生產的是有傳熱溫差的制冷循環。通常一個實際可運行的制冷循環工作流程如圖2所示。

圖2 制冷循環工作流程

該制冷循環由壓縮機、冷凝器、毛細管（膨脹閥）以及蒸發器組成，由于循環流程中熱量的交換由冷凝器和蒸發器這兩種熱交換設備來完成，這兩種熱交換都存在傳遞溫差，而且隨著熱交換器使用過程性能的變化，溫差變化還會更大。基于溫差的存在，制冷系統中的T0和Tk只能指向制冷劑在蒸發器中的蒸發溫度和在冷凝器中的冷凝溫度，不再指向被冷卻物質的溫度和冷卻劑的溫度。根據ε=T0/(Tk-T0)，蒸發溫度T0越高，冷凝溫度Tk越低，則獲得的制冷系數ε越大。目前，通信機房空調系統中主要采用蒸汽壓縮式制冷系統，根據該類系統的熱力理論來對空調系統運行經濟性和效率問題進行分析。

2.2 蒸汽壓縮式制冷理論循環的熱力分析

熱力學參數中，焓表示單位質量的物質所含有的熱量，在壓力不變的情況下，焓差值等于熱交換的量。在分析逆卡諾理想循環過程時，由于定壓過程吸收的熱量、放出的熱量以及壓縮機消耗的功量都可以用過程始、末的比焓值來計算，因此實際分析制冷循環理論分析時多采用壓焓圖。一個典型蒸汽壓縮式制冷循環用壓焓圖如圖3所示，其中比焓值用h表示、壓力值用對數坐標lgp表示。

圖3 典型蒸汽壓縮式制冷循環用壓焓圖

圖3中，p0表示蒸發等壓線，pk表示冷凝等壓線。制冷循環由1→2→2'→3'→3→4→1循環過程構成，其中1→2為絕熱壓縮過程，即定熵過程；2→3為制冷劑在冷凝器中定壓放熱過程，其中2→2'放出過熱熱量，2'→3'是放出比潛熱，3'→3是再冷卻；3→4為節流過程，節流前后比焓不變；4→1為制冷劑在蒸發器內定壓蒸發吸熱過程。單位質量的制冷劑在蒸發器中的制冷量q0=h1-h2，單位質量的制冷劑在冷凝器中的放熱量qk=h2-h3。節流閥開啟前后，制冷劑的比焓不變，即h3=h4。單位質量的制冷劑在壓縮機中被絕熱壓縮時，壓縮機耗功量wc=qk-q0，這與逆卡諾循環溫熵圖中的分析結論一致。實際制冷循環系統沒有設置膨脹機，而用節流閥來替代，不再考慮膨脹機得到的功量。

冷凝溫度Tk和蒸發溫度T0會影響壓縮機耗功量wc的變化，而壓縮機耗功量的變化會直接影響到制冷系統運行效率及耗電量。冷凝溫度Tk對壓縮機耗功量的影響如圖4所示。

圖4 冷凝溫度Tk對壓縮機耗功量的影響

在蒸發溫度T0不變的情況下，當冷凝溫度從Tk提高到Tk時，表征制冷系統由1→2→3→4→1循環過程變為1→2k→3k→4k→1循環過程，造成制冷劑單位質量制冷能力降低、單位質量制冷壓縮機耗功量增加、壓縮機軸功率增加、電機負載加重以及耗電量增加，同時制冷系統能效比下降，運行經濟性降低。

蒸發溫度T0對壓縮機耗功量的影響如圖5所示。

圖5 蒸發溫度T0對壓縮機耗功量的影響

在冷凝溫度Tk不變的情況下，當蒸發溫度從T0降低到T0z時，表征制冷系統由1→2→3→4→1循環過程變為1z→2z→3→4z→1循環過程，造成制冷劑單位質量制冷能力降低、單位質量制冷壓縮機耗功量增加、壓縮機軸功率增加、電機負載加重以及耗電量增加，同時制冷系統能效比下降，運行經濟性降低。

通過對以上2種情況的分析，冷凝溫度升高或蒸發溫度降低都會增加壓縮機耗能，同時制冷能力下降。除此之外，冷凝溫度升高的影響比蒸發溫度影響更大，制冷能力下降更多。

3 提升機房空調系統運行效率和降低能耗的方式

運用理想熱力循環理論和實際制冷系統循環理論對空調制冷系統循環運行能耗變化進行了比較詳細的分析，得出影響系統運行能耗的兩個重要參數，即冷凝溫度和蒸發溫度。制冷劑在冷凝器中的平均溫度即是冷凝溫度，制冷劑在蒸發器內平均溫度即是蒸發溫度。制冷空調系統在機房運行中是一個熱量搬運系統，搬運系統的動力源于壓縮機運轉，而承擔熱量收集和交換的則是蒸發器和冷凝器。從上述分析可知，降低冷凝溫度或提高蒸發溫度都可以降低壓縮機運行耗能。

科學安裝風冷冷凝器機組，加大進風面、排風面與周邊圍擋的間距，確保通過冷凝器散熱面的對流氣流順暢，消除排風氣流受阻返回進風側造成進排風氣流短路的現象。部分空調室外冷凝器安裝不當，造成排風氣流回流進風側，進排氣流短路情況突出。經過測量，進風側空氣溫度明顯高于正常的環境空氣溫度，整機輸入電流相對正常運行的機組偏大，能耗升高，特別是在天氣較熱的季節極易出現壓縮機高壓保護。通過對這些空調的安裝位置進行調整，確保了進出冷凝器的氣流順暢，明顯改善了機組運行工況。此外，避免冷凝器過度集中安放，消除運行環境區域的熱島效應，同時還可以減少冷凝器進風負壓效應導致的高熱排風氣流返流現象。

風冷冷凝器散熱片表面灰塵較多將會導致外界空氣與管路內循環制冷劑進行熱交換的效率降低，使得冷凝溫度升高，壓縮機能耗上升。針對該問題，可以縮短冷凝器日常沖洗清潔的周期，增加頻次，使冷凝器始終保持良好的換熱性能。此外，在冷凝器安裝較為集中的區域或大面積陽光暴曬的冷凝器旁加裝經過水質軟化處理的自動噴淋裝置，在天氣炎熱時通過冷凝壓力信號控制水噴淋裝置工作，將水霧化后分別通過噴頭噴淋在冷凝器散熱片上，從而達到降低系統冷凝溫度的目的。

對于有條件的地方可以將風冷冷凝器改造為冷卻水水冷冷凝器，不但可以改善冷凝器換熱效率，而且還可以平滑環境溫度變化對冷凝溫度的影響。冷卻水殼管冷凝器的水路管壁水垢積多同樣會降低換熱性能，導致冷凝溫度升高，影響制冷能效，增加了能耗。基于此，需要定期開展冷凝器管路除垢工作，確保冷凝器良好換熱效率。優先選用閉式冷卻水系統，并配置完善的電子自動加藥及軟化水裝置，減少管路內壁水垢生成。

在冷凍水空調系統中，冷卻塔可選用具有預蒸發冷卻功能的冷卻塔，通過預先蒸發冷卻實現冷媒在冷卻塔側的預冷凝，進一步降低系統冷凝溫度，從而降低壓縮機運行能耗。此外，提升室內機房環境溫度規定值，在同樣的室外環境溫度下，減少室內外換熱溫差。例如在冷凍水空調系統中，將數據機房設備環境溫度標準要求由23 ℃提升到25 ℃或27 ℃，相當于升高了蒸發溫度，顯然可以提升制冷能效。此外，通過提高冷凍水出水溫度來提升制冷系統運行于自然換熱模式的節能效果，進一步降低全年運行能耗。

4 結 論

綜上所述，從制冷系統熱力學逆卡諾循環理論分析入手，詳細論述了影響空調制冷系統運行能效及能耗的一些重要參數，提出了改善空調運行能效和降低能耗的途徑。通過對相關問題和解決方案的分析，為通信機樓及數據中心機房空調系統的工程設計及運行維護提供借鑒。