逆卡诺循环理论在空调能效分析中的应用

2023-01-31刘立贤

通信电源技术 2022年20期

刘立贤

（中国移动通信集团广西有限公司，广西南宁 530022）

0 引言

社会信息化、数字化需求催生了大型数据中心、基础通信网机房等信息新基建的大规模建设，而庞大的业务承载量造成以服务器设备为代表的高能耗设备装机量迅速增加，网络机房面积及设备装机功率日益增大[1]。与此同时，为机房运行基础环境提供保障的空调制冷系统的配置容量也随之同步快速提升[2]。随着数据中心高功率密度机柜等设备的投入比例越来越大，空调运行电费成为一笔巨大的运营开销，对企业盈利产生了重要的影响。根据空调制冷系统具有的能效比特性，实际机房空调系统的能耗往往能达到机房总能耗的1/2左右，数据中心电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）较高[3]。从制冷系统的热力循环理论相关参数入手，分析如何通过优化空调机组运行工况来提升空调系统能效，减少空调运行能耗。

1 逆卡诺循环

一直以来，人们在研究制冷空调系统时都会用到一种理想的热力循环，即逆卡诺循环。以理想模型作为分析计算基础可以设计出经济性较好的制冷系统，也可以通过该模型分析评价制冷系统运行的经济性，借助逆卡诺循环来分析现实生产中影响空调运行效率的关键因素[4]。一个完整的逆卡诺循环如图1表示。其中，熵是反映制冷剂状态变化的参数，反映热量转换为功的程度。

图1 逆卡诺循环

根据图1，1→2→3→4→1这一过程表征一个理想的制冷循环，主要由定温过程和绝热过程组成。其中，2→3、4→1线段分别对应在T0等温线和Tk等温线，为制冷剂等温变化过程；1→2、3→4线段分别对应升压绝热线和降压绝热线，为制冷剂绝热变化过程。研究逆卡诺循环实际上就是研究制冷剂在整个循环中的相态变化，这一过程实现了将热量从低温热源搬移到高温热源。在逆卡诺循环中有3个参数，即制冷剂吸收的热量q0、制冷剂放出的热量qk、制冷剂循环消耗的功量Σω（图中1234连线围成的面积），可以直接反映整个热量搬移循环系统的经济性。它们之间的关系可以用qk=q0+Σω表示，其中Σω等于制冷系统压缩机消耗功量与膨胀机（阀）得到功量之差。通常一个理想的制冷循环性能指标可以用制冷系数ε来表示，制冷系数ε=q0/Σω。此外，由逆卡诺循环图还可以得出便于分析循环制冷系数的公式ε=T0/(T1-T0)。影响制冷系数大小的因素主要是制冷剂在两个定温变化过程中的平均温度T0和Tk，T0指被冷却物质的温度，Tk指冷却剂的温度。被冷却物质温度越高、冷却剂温度越低，则制冷系数越大、制冷性能越好。由此可见，通过调节这两个温度参数值可以控制整个制冷系统的工况，实现高效节能。

2 实际制冷循环系统运行分析

2.1 带传热温差制冷循环

实现理想逆卡诺循环的一个重要条件是制冷剂与被冷却物质、制冷剂与冷却剂之间在无温差条件下相互传热，而现实生产中这些传热是在有温差的情况下进行，否则需要制造出换热面积无限大的冷凝器和蒸发器[5]。理论上理想逆卡诺循环是最经济的，但具体实现上基本不可能，真正可以用于生产的是有传热温差的制冷循环。通常一个实际可运行的制冷循环工作流程如图2所示。

图2 制冷循环工作流程

该制冷循环由压缩机、冷凝器、毛细管（膨胀阀）以及蒸发器组成，由于循环流程中热量的交换由冷凝器和蒸发器这两种热交换设备来完成，这两种热交换都存在传递温差，而且随着热交换器使用过程性能的变化，温差变化还会更大。基于温差的存在，制冷系统中的T0和Tk只能指向制冷剂在蒸发器中的蒸发温度和在冷凝器中的冷凝温度，不再指向被冷却物质的温度和冷却剂的温度。根据ε=T0/(Tk-T0)，蒸发温度T0越高，冷凝温度Tk越低，则获得的制冷系数ε越大。目前，通信机房空调系统中主要采用蒸汽压缩式制冷系统，根据该类系统的热力理论来对空调系统运行经济性和效率问题进行分析。

2.2 蒸汽压缩式制冷理论循环的热力分析

热力学参数中，焓表示单位质量的物质所含有的热量，在压力不变的情况下，焓差值等于热交换的量。在分析逆卡诺理想循环过程时，由于定压过程吸收的热量、放出的热量以及压缩机消耗的功量都可以用过程始、末的比焓值来计算，因此实际分析制冷循环理论分析时多采用压焓图。一个典型蒸汽压缩式制冷循环用压焓图如图3所示，其中比焓值用h表示、压力值用对数坐标lgp表示。

图3 典型蒸汽压缩式制冷循环用压焓图

图3中，p0表示蒸发等压线，pk表示冷凝等压线。制冷循环由1→2→2'→3'→3→4→1循环过程构成，其中1→2为绝热压缩过程，即定熵过程；2→3为制冷剂在冷凝器中定压放热过程，其中2→2'放出过热热量，2'→3'是放出比潜热，3'→3是再冷却；3→4为节流过程，节流前后比焓不变；4→1为制冷剂在蒸发器内定压蒸发吸热过程。单位质量的制冷剂在蒸发器中的制冷量q0=h1-h2，单位质量的制冷剂在冷凝器中的放热量qk=h2-h3。节流阀开启前后，制冷剂的比焓不变，即h3=h4。单位质量的制冷剂在压缩机中被绝热压缩时，压缩机耗功量wc=qk-q0，这与逆卡诺循环温熵图中的分析结论一致。实际制冷循环系统没有设置膨胀机，而用节流阀来替代，不再考虑膨胀机得到的功量。

冷凝温度Tk和蒸发温度T0会影响压缩机耗功量wc的变化，而压缩机耗功量的变化会直接影响到制冷系统运行效率及耗电量。冷凝温度Tk对压缩机耗功量的影响如图4所示。

图4 冷凝温度Tk对压缩机耗功量的影响

在蒸发温度T0不变的情况下，当冷凝温度从Tk提高到Tk时，表征制冷系统由1→2→3→4→1循环过程变为1→2k→3k→4k→1循环过程，造成制冷剂单位质量制冷能力降低、单位质量制冷压缩机耗功量增加、压缩机轴功率增加、电机负载加重以及耗电量增加，同时制冷系统能效比下降，运行经济性降低。

蒸发温度T0对压缩机耗功量的影响如图5所示。

图5 蒸发温度T0对压缩机耗功量的影响

在冷凝温度Tk不变的情况下，当蒸发温度从T0降低到T0z时，表征制冷系统由1→2→3→4→1循环过程变为1z→2z→3→4z→1循环过程，造成制冷剂单位质量制冷能力降低、单位质量制冷压缩机耗功量增加、压缩机轴功率增加、电机负载加重以及耗电量增加，同时制冷系统能效比下降，运行经济性降低。

通过对以上2种情况的分析，冷凝温度升高或蒸发温度降低都会增加压缩机耗能，同时制冷能力下降。除此之外，冷凝温度升高的影响比蒸发温度影响更大，制冷能力下降更多。

3 提升机房空调系统运行效率和降低能耗的方式

运用理想热力循环理论和实际制冷系统循环理论对空调制冷系统循环运行能耗变化进行了比较详细的分析，得出影响系统运行能耗的两个重要参数，即冷凝温度和蒸发温度。制冷剂在冷凝器中的平均温度即是冷凝温度，制冷剂在蒸发器内平均温度即是蒸发温度。制冷空调系统在机房运行中是一个热量搬运系统，搬运系统的动力源于压缩机运转，而承担热量收集和交换的则是蒸发器和冷凝器。从上述分析可知，降低冷凝温度或提高蒸发温度都可以降低压缩机运行耗能。

科学安装风冷冷凝器机组，加大进风面、排风面与周边围挡的间距，确保通过冷凝器散热面的对流气流顺畅，消除排风气流受阻返回进风侧造成进排风气流短路的现象。部分空调室外冷凝器安装不当，造成排风气流回流进风侧，进排气流短路情况突出。经过测量，进风侧空气温度明显高于正常的环境空气温度，整机输入电流相对正常运行的机组偏大，能耗升高，特别是在天气较热的季节极易出现压缩机高压保护。通过对这些空调的安装位置进行调整，确保了进出冷凝器的气流顺畅，明显改善了机组运行工况。此外，避免冷凝器过度集中安放，消除运行环境区域的热岛效应，同时还可以减少冷凝器进风负压效应导致的高热排风气流返流现象。

风冷冷凝器散热片表面灰尘较多将会导致外界空气与管路内循环制冷剂进行热交换的效率降低，使得冷凝温度升高，压缩机能耗上升。针对该问题，可以缩短冷凝器日常冲洗清洁的周期，增加频次，使冷凝器始终保持良好的换热性能。此外，在冷凝器安装较为集中的区域或大面积阳光暴晒的冷凝器旁加装经过水质软化处理的自动喷淋装置，在天气炎热时通过冷凝压力信号控制水喷淋装置工作，将水雾化后分别通过喷头喷淋在冷凝器散热片上，从而达到降低系统冷凝温度的目的。

对于有条件的地方可以将风冷冷凝器改造为冷却水水冷冷凝器，不但可以改善冷凝器换热效率，而且还可以平滑环境温度变化对冷凝温度的影响。冷却水壳管冷凝器的水路管壁水垢积多同样会降低换热性能，导致冷凝温度升高，影响制冷能效，增加了能耗。基于此，需要定期开展冷凝器管路除垢工作，确保冷凝器良好换热效率。优先选用闭式冷却水系统，并配置完善的电子自动加药及软化水装置，减少管路内壁水垢生成。

在冷冻水空调系统中，冷却塔可选用具有预蒸发冷却功能的冷却塔，通过预先蒸发冷却实现冷媒在冷却塔侧的预冷凝，进一步降低系统冷凝温度，从而降低压缩机运行能耗。此外，提升室内机房环境温度规定值，在同样的室外环境温度下，减少室内外换热温差。例如在冷冻水空调系统中，将数据机房设备环境温度标准要求由23 ℃提升到25 ℃或27 ℃，相当于升高了蒸发温度，显然可以提升制冷能效。此外，通过提高冷冻水出水温度来提升制冷系统运行于自然换热模式的节能效果，进一步降低全年运行能耗。