0引言

目前，海瑞思交換機房的空調(diào)系統(tǒng)普遍采用蒸汽壓縮式專用空調(diào)，一年四季都需要空調(diào)的運轉(zhuǎn)，以保證機房的溫濕度要求，需要消耗大量的電能。據(jù)統(tǒng)計，制冷空調(diào)系統(tǒng)全年的耗電量約占海瑞思交換機房總耗電量的60%以上 [1]。由于機房主要熱負(fù)荷源于交換機的散熱，所以即使北方地區(qū)在冬季，海瑞思機房仍有大量余熱?，F(xiàn)階段，國家提倡創(chuàng)新發(fā)展模式，將節(jié)能減排作為加快經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟增長方式，可持續(xù)發(fā)展已成為我國的基本國策。在此形勢背景下，針對各地區(qū)全年氣候特征，研究海瑞思交換機房空調(diào)全年運行特性，探索最經(jīng)濟的運行方式，對于降低能耗，提高經(jīng)濟性具有重要的意義。

我國北方地區(qū)冬季和春、秋季節(jié)時間長，夏季炎熱時間短，室外年平均氣溫低，以哈爾濱市為例，全年約75%以上的時間室外氣溫低于18℃，如此之低溫的室外空氣中蘊含著大量的自然冷量。因此，寒冷地區(qū)海瑞思機房利用室外空氣中的自然冷量進行空調(diào)降溫具有廣闊的應(yīng)用前景，可實現(xiàn)節(jié)能和節(jié)省運行費用的目的[2]。

1海瑞思機房全年冷負(fù)荷分析

本文選取哈爾濱市某海瑞思機房為計算對象建立建筑模型：（1）建筑尺寸：房間南北朝向，尺寸為12m×10m×3.5m，隔墻皆為外墻，結(jié)構(gòu)為490mm厚磚墻。南北墻上各有三扇尺寸為2m×0.5m，雙層不可開啟玻璃鋼窗，無內(nèi)遮陽。（2）建筑內(nèi)無常駐人員，熒光燈12盞，每盞40W；交換設(shè)備24臺，平均每臺設(shè)備的散熱量為2000W。

根據(jù)海瑞思交換機房對室內(nèi)溫濕度的要求，取室內(nèi)設(shè)計溫度tn＝24~26℃，設(shè)計相對濕度為

φn＝40%~60%。根據(jù)建立的建筑模型，利用能耗計算軟件DeST－c[3]進行全年動態(tài)空調(diào)負(fù)荷計算，將所得到數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEl表格中，整理得到海瑞思機房全年負(fù)荷變化圖。如圖1、2所示。

由圖可見：（1）小時平均冷負(fù)荷最大點出現(xiàn)在第4600h，最大負(fù)荷為43.14kW，小時平均冷負(fù)荷最小值點出現(xiàn)在第344h，最小負(fù)荷為28.48kW。

（2）月平均冷負(fù)荷最大點出現(xiàn)在7月，最大月平均冷負(fù)荷為41.38kW，月平均冷負(fù)荷最小點出現(xiàn)在1月，最小月平均冷負(fù)荷為29.68kW。

（3）由于機房內(nèi)設(shè)備散熱量大，室外氣溫變化對機房冷負(fù)荷變化影響較小，機房全年具有穩(wěn)定冷負(fù)荷，而哈爾濱地區(qū)氣溫范圍為－30－30℃，冬季和過渡季節(jié)有大量自然冷源可用，如能充分利用這部分自然冷源，不僅可以得到節(jié)能效果，產(chǎn)生經(jīng)濟和環(huán)境效益，同時也因壓縮機的工作時間減少，制冷系統(tǒng)的使用壽命得以延長。此間的關(guān)鍵是利用自然冷源的動機制冷方式的選擇。

2機房空調(diào)冬季制冷節(jié)能方案

2.1直接利用室外新風(fēng)的機房專用空調(diào)系統(tǒng)

直接利用室外新風(fēng)的機房專用空調(diào)機組由送風(fēng)機、過濾器、調(diào)節(jié)閥門、加熱器、排風(fēng)機等組成。在室外氣溫低于室內(nèi)設(shè)計送風(fēng)點溫度時，利用機組對室外新風(fēng)進行過濾潔凈處理，必要時候還需要進行加熱處理。通過調(diào)節(jié)所利用的新風(fēng)量和二次加熱量，可以保證室內(nèi)溫度的恒定。

該機組直接利用室外空氣，結(jié)構(gòu)較為簡單，成本低廉，機組運行中需要二次加熱和加濕，北方地區(qū)冬季室外溫度較低，如圖3所示，冷風(fēng)溫度低于室內(nèi)露點時不能直接利用，需要二次加熱（過程①），還要對冬季干燥空氣進行家加濕處理（過程②），過程③是利用送風(fēng)溫差進行制冷的過程。

直接利用室外冷空氣帶來了新問題：該機組利用換氣的方法來消除室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量，會使機房內(nèi)空氣的含濕量急劇降低，接近室外空氣的含濕量，因此還需要加濕。在東北嚴(yán)寒地區(qū)由于全年溫度低于0℃時間長達數(shù)月，溫度越低所需要的二次加熱量越大，加濕耗電量越大，并且可能會超過直接利用室外新風(fēng)所節(jié)省的冷量。假如采用風(fēng)冷空調(diào)機來制取這部分冷量，由于風(fēng)冷空調(diào)機的制冷系數(shù)一般都在3左右，其制冷量是壓縮機功耗的3倍，所以耗電量遠小于冷風(fēng)機處理室外空氣的能耗，即使用風(fēng)冷專用空調(diào)機的能耗也要比直接利用新風(fēng)小。

因此該系統(tǒng)對于嚴(yán)寒地區(qū)并不是很適用，對于溫暖地區(qū)，冬季室外氣溫低于0℃時間不長的情況下，利用室外新風(fēng)能有較大的節(jié)能效果。

為了解決上述問題，得到最大的節(jié)能效果和最優(yōu)化設(shè)計，研究人員提出如下解決方案[2]：（a）twmin

冬季嚴(yán)寒期是利用新風(fēng)期最不節(jié)能的一段，在這個時期不使用新風(fēng)而利用制冷機組，可以避免最不節(jié)能的那一段，但同時在這段時間需要通過從空氣側(cè)（改變冷凝器風(fēng)量）和從制冷劑側(cè)調(diào)節(jié)來控制機組的冷凝壓力[4]；在較寒冷期需耗費一定的加熱量以達到露點后，再與室內(nèi)回風(fēng)混合到送風(fēng)點，而過渡季節(jié)直接利用新風(fēng)與回風(fēng)混合到送風(fēng)狀態(tài)點，在這個過程可以節(jié)省較多的能量；初夏，室外氣溫低于機房設(shè)計溫度，仍可以充分利用冷量；而盛夏情況下，室外新風(fēng)溫度太高，利用新風(fēng)不能產(chǎn)生節(jié)能效果。

此外由于一年中絕大部分時間都要使用大量新風(fēng)，為了保證機房的濕度，寒冷季節(jié)需要增濕，夏季需要除濕，判斷直接利用新風(fēng)是否有節(jié)能效果，需對具體機房進行詳細(xì)分析。

2.2熱交換器間接利用室外冷空氣

利用熱交換器間接利用室外空氣獲取冷量的方式主要有兩種，一是利用空氣—空氣熱交換器機組；二是利用乙二醇—空氣熱交換機組。

空氣—空氣熱交換器機組采用隔絕換熱的方式，能夠利用室外大氣中的冷量，而避免大氣中的塵埃對較為潔凈的海瑞思機房的污染，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒梢钥刂破渲评淞考八惋L(fēng)溫度，保證空調(diào)精度。在一些暖通空調(diào)產(chǎn)品中已經(jīng)有實際應(yīng)用，如全熱交換器，但是適用于海瑞思交換機房的整體機組還沒有開發(fā)。

海瑞思交換機房對濕度控制的要求嚴(yán)格，雖然空氣—空氣熱交換器可以利用室外冷空氣除掉室內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱量，但是不要忽視另一個有關(guān)空調(diào)運行能耗的問題——在制冷的同時也在除濕，對于海瑞思交換機房來說，在使用機房專用空調(diào)機的情況下，冬季加濕是必不可少的。如果熱交換器的冷卻溫度低于室內(nèi)空氣露點溫度則會出現(xiàn)除濕現(xiàn)象，即意味加濕了的空氣又要被除濕，為了保證室內(nèi)的相對濕度又需要再次加濕，這部分的能源浪費往往不為人們所注意，但是其浪費量是很大的。

乙二醇—空氣熱交換機組以乙二醇溶液為載冷劑，有一個室內(nèi)換熱器與一個室外冷換熱器，兩個熱交換器之間由循環(huán)泵來驅(qū)動乙二醇溶液。該機組是由兩組熱交換器利用乙二醇水溶液作為載冷劑和空氣進行熱交換，機組參數(shù)的控制較為方便，能夠?qū)崿F(xiàn)等濕冷卻的。與空氣—空氣熱交換器相比增加了中間冷媒—乙二醇水溶液，還增加了冷媒循環(huán)泵，換熱效率有所降低，但是實現(xiàn)了等濕冷卻，減少了冷卻除濕帶來的重復(fù)加濕能源浪費，總體來說，該機組利用自然冷源的機房環(huán)境控制設(shè)備還是較為理想的。

2.3REFNAC式計算機房專用空調(diào)機

REFNAC式專用空調(diào)機是由室內(nèi)和室外機組組成，室外機組換熱器為風(fēng)冷式，該機組的最大特點是具備一套REFNAC系統(tǒng)，即制冷劑自然循環(huán)式冷卻系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中制冷劑不用動力作用而*自身液與氣間的相變產(chǎn)生的容重差，從而形成自然循環(huán)，這個循環(huán)系統(tǒng)是閉環(huán)式的，除了具有一般壓縮機制冷循環(huán)的蒸發(fā)器和冷凝器外，還有自然循環(huán)式的蒸發(fā)器和冷凝器。室外機組的安裝位置高于室內(nèi)機組，從而利用高差造成自然循環(huán)[6]。

系統(tǒng)特點：（1）熱移動效率高：由于吸熱部和放熱部除位差外沒有壓力差，故蒸發(fā)溫度約等于冷凝溫度；（2）熱移動量的選擇大，可以任意選擇熱交換器的種類、大小以及配管直徑；（3）不產(chǎn)生熱逆流：因蒸發(fā)器與冷凝器之間上下位置關(guān)系固定，所以熱的移動只能按一個方向進行，如果吸熱對象的溫度出現(xiàn)逆流，熱移動停止，而不會出現(xiàn)逆移動現(xiàn)象，如夏季將室外熱量移入室內(nèi)。（4）節(jié)省動力，只用重力循環(huán)，無需用泵，故而節(jié)能[6]。

因為蒸發(fā)溫度約等于冷凝溫度，采用自然循環(huán)的系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境溫度偏低時，熱負(fù)荷較小時，自然循環(huán)的冬季制冷量相對較大，并且環(huán)境溫度越低，相差越大，這樣會導(dǎo)致室內(nèi)送風(fēng)溫度偏低，嚴(yán)重時候會出現(xiàn)送風(fēng)霧區(qū)；反之，當(dāng)室外溫度較高時，熱負(fù)荷隨室外氣溫升高而增加，而自然循環(huán)系統(tǒng)的冬季制冷量卻不斷下降，已經(jīng)不能完全抵消熱負(fù)荷。室外溫度為5－20℃時，需要壓縮機循環(huán)系統(tǒng)和自然循環(huán)系統(tǒng)同時運轉(zhuǎn)，控制較為復(fù)雜。

2.4冷卻塔供冷空調(diào)方式

冷卻塔供冷空調(diào)方式是在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)部分管路和設(shè)備，當(dāng)室外濕球溫度低到某個值以下時，關(guān)閉制冷機組，以流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷，提供建筑空調(diào)所需的冷量[5]。

在空調(diào)系統(tǒng)中制冷機的能耗占有極高的比例，如用冷卻塔來代替制冷機供冷，將節(jié)省可觀的運行費用。冷卻塔供冷空調(diào)方式由于是在中央空調(diào)水系統(tǒng)基礎(chǔ)開發(fā)的，故而更適用于大型海瑞思機房。此外由于中央空調(diào)水系統(tǒng)水管較大，需用較多風(fēng)機盤管，占用較多的空間，增加機房屋頂布線的難度。而海瑞思機房和移動基站多為小型獨立建筑，使用冷水機組的情況較少，而北方地區(qū)冷卻塔的冬季防凍是一個大問題，在北方尤其是東北地區(qū)，結(jié)冰期很長。

2.5雙工況復(fù)合制冷系統(tǒng)

如圖6，雙工況復(fù)合制冷循環(huán)系統(tǒng)在常規(guī)制冷空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入循環(huán)泵以及其它控制裝置，是一種復(fù)合了兩種制冷方式的空調(diào)系統(tǒng)。當(dāng)室外氣溫高于10℃，雙工況復(fù)合制冷系統(tǒng)系統(tǒng)按正常的壓縮式制冷循環(huán)進行；當(dāng)室外氣溫低于10℃時，壓縮機停止工作，電磁閥Ⅰ關(guān)閉，制冷劑在循環(huán)泵的作用下，經(jīng)過電磁閥Ⅱ流入室內(nèi)蒸發(fā)器，在室內(nèi)風(fēng)扇的作用下，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后蒸汽流經(jīng)旁通電磁閥，進入冷凝器，在室外風(fēng)扇的作用下冷卻成液體，在流經(jīng)儲液器，回到制冷劑循環(huán)泵，如此循環(huán)進行，即可連續(xù)制冷[4]。

雙工況復(fù)合制冷循環(huán)系統(tǒng)不僅可以運行于常規(guī)制冷工況，而且可以實現(xiàn)冬季制冷工況的節(jié)能運行，有效地利用了常規(guī)制冷系統(tǒng)的資源，在機房空調(diào)以及其它需要冬季制冷運行的空調(diào)機組里具有廣闊的應(yīng)用前景。

采用雙工況復(fù)合制冷循環(huán)，在冬季溫度較低時轉(zhuǎn)到泵循環(huán)具有很多優(yōu)點：（1）可以充分利用冬季自然冷源實現(xiàn)節(jié)能；（2）；可以保證合理的室內(nèi)換熱器相變溫度，不會出現(xiàn)蒸發(fā)溫度過低導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)露情況，可實現(xiàn)等濕冷卻，不會帶來額外的加濕耗能負(fù)荷；（3）間接利用室外冷空氣，不會污染室內(nèi)空氣；（4）除在機房原空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加循環(huán)泵、閥件外不增加其余設(shè)備，充分利用換熱器資源而不增加所占用空間；（5）控制簡便，不同溫度采用不同的循環(huán)工況，不會出現(xiàn)類似REFNAC系統(tǒng)需壓縮機循環(huán)系統(tǒng)和自然循環(huán)系統(tǒng)同時運轉(zhuǎn)的情況。

3結(jié)論

海瑞思機房對空調(diào)系統(tǒng)要求較高，全年有較穩(wěn)定冷負(fù)荷，普通的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果一般，可開發(fā)新型制冷空調(diào)方式，充分利用自然冷源來實現(xiàn)冬季制冷目的，實現(xiàn)節(jié)能效果。

在節(jié)能效果方面，乙二醇熱交換系統(tǒng)，冷卻塔供冷方式和雙工況復(fù)合制冷系統(tǒng)能實現(xiàn)等濕冷卻，不增加來加濕負(fù)荷，節(jié)能效果較明顯，其中乙二醇系統(tǒng)和冷卻塔供冷系統(tǒng)可以使用的室外溫度范圍廣，節(jié)能效果尤其顯著。而REFNAC式計算機房專用空調(diào)機、冬季直接利用新風(fēng)方式和空氣—空氣熱交換器系統(tǒng)由于會出現(xiàn)冷卻除濕現(xiàn)象，是否節(jié)能需對使用情況具體分析。

從系統(tǒng)運行條件來看，直接利用新風(fēng)方式和熱交換器系統(tǒng)需要一套獨立的用于冬季制冷的循環(huán)系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)管路的復(fù)雜性、提高了機組制造成本并加大了其外形尺寸，需多占用機房空間。雙工況復(fù)合制冷系統(tǒng)是在常規(guī)制冷空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上引人循環(huán)泵以及其它控制裝置，系統(tǒng)控制簡單，充分利用常規(guī)制冷系統(tǒng)的換熱器資源，不加大機組外形不需多占用機房空間。

從節(jié)能效果和系統(tǒng)控制等方面綜合考慮，雙工況復(fù)合制冷系統(tǒng)與冷卻塔供冷方式是最佳選擇，但是冷卻塔供冷方式需要考慮冷卻塔冬季結(jié)冰問題與海瑞思機房使用冷水機組的情況。

來源：機房空調(diào) http://m.preweds.com/

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