低环境温度制冷技术应用研究

2018-05-07王银艳

机电工程技术 2018年3期

王银艳

（广州番禺速能冷暖设备有限公司，广东广州 511480）

0 引言

现代化的高密度、大容量程控交换机和计算机等各种数据处理设备，它们在工作时所消耗的电能会最终转化成为热量，因此，需要制冷机组全年运行，对数据设备进行冷却，以保证数据设备的正常运行；化工、食品、医药等一些工业生产过程会产生热量，生产工艺需要制冷机组全年运行，对生产过程进行工艺冷却；电子工业厂房、电子或石化产品存储仓库、手术室等一些场合，需要对环境进行温湿度和洁净度进行控制，需要制冷机组全年运行，对环境温度和湿度进行调节和控制[1-5]。核电厂空气处理机组、单元式冷却机组和以冷冻水为冷却介质的工艺设备，需要制冷机组全年提供冷冻水[6]。由于制冷机组全年不间断地运行，高效制冷设备的研发和应用是实现节能减排的关键之一。对于夏季制冷运行，普通的冷水机组均可满足要求；对于冬季制冷运行主要采用自然冷却技术及低环境温度蒸气压缩式制冷循环技术[5-8]。

1 载冷剂自然冷却技术

在数据中心等领域，为维持恒定的室内温度需要全年为之降温，由此带来了巨额的耗电量和电费。在节能减排和降低运营成本的双重压力下，迫使人们不断地研发新的节能技术和产品。机房空调一年四季都需要制冷，过渡季节室外温度低于室内温度时，自然界存在着丰富的冷源，如何利用大自然的冷源进行冷却是机房空调节能减排的重点问题。

在表1中可见，在我国华北、西北及东北等地区，室外气温低于10℃的天数占全年的百分比相当可观，冷水机组利用自然冷源进行制冷的解决方案主要涉及风冷冷水机组和水冷冷水机组。春秋过渡季节和晚上，当环境温度达到比冷冻水回水温度低5℃或以上时，开启自然冷却模块制冷，无压缩机功耗，自然冷却不够的部分，再由压缩制冷接力达到需求冷量。随着室外环境温度降低，自然冷却部分占的比例越来越大，直至达到100%，完全自然冷却制冷，无压缩机功耗。

表1 全国主要城市月平均气温（℃）统计

1.1 带载冷剂自然冷却盘管的风冷式冷水机组

自然冷却制冷模块适用于全年会出现较长的环境温度低于需求的冷水温度5℃以上的地区，它和风冷式冷水机组模块组成一个高度节能的系统。机组的电脑控制器检测环境温度，当环境温度比机组回水温度低5℃（直接式）或8℃（间接式）时，则自动启动自然冷却制冷模块的运行。自然冷却制冷模块运行时，冷冻水首先进入自然冷却制冷模块，通过自然冷却盘管，由环境的低温空气对冷冻水进行第一次冷却，提供部分系统所需求的制冷量。如果自然冷却模块的出水温度高于机组设定的冷冻水出水控制温度，风冷式冷水机组模块根据差额制冷量，投入适当数量的模块单元制冷运行，补充自然冷却制冷模块制冷量的不足。当环境温度足够低，所需的制冷量100%由环境获得。自然冷却制冷模块根据模块的出水温度控制风扇、水泵、三通阀的运行。自然冷却制冷模块分为两种类型，一种为直接式的自然冷却制冷型号，系统原理图如图1所示；另一种为间接式的自然冷却制冷型号，系统原理图如图2所示。

1.1.1 直接式的自然制冷模块

如图1所示，空调用冷冻水直接进入水-风换热器内，可以最大限度获取自然冷量，但需要使用适当浓度的乙二醇溶液作为循环水。

图1 直接式自然制冷模块系统原理图

1.1.2 间接式自然制冷模块

如图2所示，具有一个分离的一次系统和二次系统。一次系统为自然冷却盘管、水泵、水-乙二醇换热器等。在一次系统中循环的是乙二醇防冻液。环境温度较低时，环境空气先对一次侧的乙二醇防冻液进行降温，然后乙二醇防冻液在水-乙二醇换热器中和二次侧的空调冷冻水进行热交换，把环境冷量传递给冷冻水。它具有更加高的可靠性。

自然冷却盘管可以根据需要设计成一个独立的机组模块，自然冷却盘管也可以和制冷剂冷凝盘管放在一起，共用高静压冷却风机。

图2 间接式自然制冷模块系统原理图

1.2 带载冷剂自然冷却功能的水冷式冷水机组

在我国北方地区，冬季室外温度较低，利用水侧自然冷却系统，冬季无需开启机械制冷机组，通过冷却塔与板式换热器“免费”制取冷源，减少数据中心运行能耗。水侧自然冷却系统原理图如图3所示，是在原有冷冻水系统之上，增加了一组板式换热器及相关切换阀组，高温天气时仍采用冷水机组机械制冷，在低温季节将冷却塔制备的低温冷却水与高温冷冻水进行热交换，在过渡季节则将较低温的冷却水与较高温的冷冻水进行预冷却后再进入冷水机组，也可以达到降低冷水机组负荷及运行时间的目的。需要使用适当浓度的乙二醇溶液作为冷却塔循环水。

图3 水冷式冷水机组自然冷却系统原理图

水侧自然冷却系统适用于全年会出现较长的环境温度低于需求的冷水温度5℃以上的地区，它和蒸气压缩式制冷循环系统组成一个高度节能的系统。机组的电脑控制器检测环境温度，当环境温度比机组回水温度低5℃时，则自动启动水侧自然冷却系统的运行。水侧自然冷却系统运行时，冷冻水首先进入板式换热器，通过板式换热器，冷却塔制备的低温冷却水对冷冻水进行第一次冷却，提供部分系统所需求的制冷量。如果水侧自然冷却系统的出水温度高于机组设定的冷冻水出水控制温度，水冷式冷水机组根据差额制冷量，投入适当负荷的制冷运行，补充水侧自然冷却系统制冷量的不足。当环境温度足够低，系统所需求的制冷量100%由低温环境获得，机组处于最节能的状态。

2 氟泵自然冷却风冷式冷水机组

带自然冷却盘管的风冷式冷水机组需要增加自然冷却盘管以及载冷剂循环系统，会使机组结构复杂，占地面积增大。可以直接利用蒸汽压缩式制冷循环的蒸发器和冷却器，再加上氟泵，来实现自然冷却过程，可以大大简化机组结构，系统原理图如图4所示。

在环境温度-7℃以上或冷冻水出水温度-环境温度＜7℃时，磁悬浮压缩机的排气进入风冷冷凝器冷凝；然后液态制冷剂依次经过干燥过滤器、储液器、经济器；再经过电子膨胀阀节流后进入满液式蒸发器，液态制冷剂蒸发制取冷冻水；蒸发后的汽态制冷剂回到磁悬浮压缩机的吸气口。在环境温度-7℃以下或冷冻水出水温度-环境温度＞9℃时，运行氟泵，液态制冷剂从氟泵的出口进入电子膨胀阀，节流后进入满液式蒸发器，液态制冷剂蒸发制取冷冻水；蒸发后的汽态制冷剂经旁通单向阀进入风冷冷凝器冷凝；冷凝后的液态制冷剂依次经过干燥过滤器、储液器，再回到氟泵的进口。在低环境温度-7℃以下时，通过运行氟泵及电子膨胀阀、单向阀的切换，来达到制冷剂系统实现自然冷却循环的目的。机组采用模块化设计，可多台机组进行模块化组合，每台机组可各自运行蒸汽压缩式制冷循环或自然冷却循环；当自然冷却制冷量不足时，可部分机组运行自然冷却循环，部分机组运行蒸汽压缩式制冷循环。

图4 氟泵自然冷却风冷式冷水机组系统原理图

3 超低环境温度蒸汽压缩式制冷循环技术

超低温环境下采用自然冷却，使机组的制冷系统和结构更加复杂。而风冷冷水机组在超低温环境下，制冷运行时存在无法启动、低压保护和压缩机故障等问题，为了解决风冷冷水机组在超低温环境下制冷启动、运行的问题，需对制冷系统和结构进行进一步优化。

3.1 在超低环境温度时风冷冷凝器保温

将风冷冷凝器及冷凝风机安装在一个封闭的保温良好的箱体中，在箱体上风冷冷凝器的进风位置及冷凝风机的出风位置预留进风口及出风口，在进风口及出风口安装电动风阀。系统原理图如图5所示。在风冷冷凝器上安装两个冷凝压力控制器P1、P2，当冷凝压力控制器P1监测到冷凝压力低于设计冷凝压力-2 bar时，冷凝风机停止运行；当冷凝压力控制器P1监测到冷凝压力高于设计冷凝压力-1 bar时，冷凝风机恢复运行；当冷凝压力控制器P2监测到冷凝压力低于设计冷凝压力-4 bar时，关闭进风口及出风口的电动风阀；当冷凝压力控制器P2监测到冷凝压力高于设计冷凝压力-3 bar时，开启进风口及出风口的电动风阀。通过控制冷凝风机的启停及电动风阀的开关，来达到风冷冷水机组在超低环境温度下正常制冷运行的目的。

图5 低环境温度风冷冷水机组系统流程图一

3.2 在超低环境温度时风冷冷凝器并联

冷凝器为多个相互并联、机组通过与冷凝器相连接的电磁阀控制对应冷凝器的启、停，以及根据冷凝压力调节设置于冷凝器外壳的风机电机的输出功率、冷凝压力总体逐渐上升时，启动风机并调节风机电机频率直至满频，根据冷凝压力变化范围增加冷凝器并联的数量、冷凝压力总体逐渐下降时，启动风机并调节风机电机频率直至最低频，根据冷凝压力的变化范围减少冷凝器并联的数量以及风机电机的启停。系统原理图如图6所示。采用冷凝器换热面积调节与通过风机电机变频调节风量，即根据工况的变化，通过冷凝压力的控制来调节冷凝器的换热面积与风量，保证机组处在一个安全可靠的状态下运行。