张卓
中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063
摘要：利用家用分体空调的室内机和室外机，搭建了氟泵驱动循环制冷系统实验台，对其运行特性进行了相关研究。实验结果表明：当蒸发器和冷凝器的换热面积和室内外温度一定时，氟泵出口制冷剂压力随氟泵输入频率的减小而减小，而进口制冷剂压力基本不变；氟泵驱动循环的系统制冷量随氟泵输入频率的增加先增加后减小，室外温度为0℃时，系统最大制冷量为2194W；调节室内机的循环风量可以有效地调节氟泵循环系统的制冷量。
关键词：氟泵；自然冷能；能效比；制冷量
1引言
随着计算机和互联网行业的飞速发展，数据中心的数量越来越多，能耗也越来越大。其单位面积能耗高达872 [1][2]。2011年，美国数据中心能耗超过了1000亿kWh[3]，几乎占到美国总能耗的2%[4]。由于数据中心内的设备发热量较大，需要全年供冷来使其空气温度在规定范围内，因此数据中心空调系统能耗巨大。其中空调系统的能耗约占IDC机房总能耗的40%[5-6]，空调系统能耗过高，具有较大的节能空间，降低数据中心空调系统能耗的能耗对于我国社会的节能减排具有重要意义。由于数据中心具有全年供冷的特性，目前关于数据中心空调系统节能的研究热点为自然冷能的利用。本文设计了一种基于自然冷能利用的氟泵驱动循环系统，并对其运行特性进行了相关研究。
2实验台介绍
当室外温度较低时，利用氟泵驱动制冷剂循环，使得液态制冷剂在室内机中吸热蒸发，然后进入到室外机中冷凝放热，从而达到降低室内空气温度的目的。本研究中利用一台1.2匹的家用分体空调室内机和室外机搭建氟泵驱动循环系统实验台，分体空调室内机作为氟泵循环蒸发器，室外机作为氟泵循环冷凝器。实验过程中，对系统各部件的进出口制冷剂参数（温度和压力）和空气侧的参数，以及系统的制冷剂质量流量进行测定。图1给出了试验台的测点布置图。
图1 氟泵驱动循环实验台测点布置图
3实验方案
本文对氟泵驱动循环系统实验研究包括以下两个方面：
（1）室外温度一定时，测定不同制冷剂流量下氟泵驱动系统的制冷量、氟泵耗功以及系统中各处的制冷剂参数的变化。确定系统在不同制冷剂流量下的阻力特性。本组实验在室外温度为0℃的条件下进行。实验过程中，通过调节氟泵的输入频率为15Hz，20Hz、30Hz、40Hz改变系统的制冷剂流量；
（2）室外温度一定时，通过调节室内机的循环风量，测定室内机进出风温差以及室内机制冷量与能效比EER的影响。室内机的风量有高中低三挡，采用风速仪测得低中高三挡的风速分别为5.0m/s，5.6m/s，6.3m/s。室内机的额定循环风量为600m3/h，故而室内机低中高三挡的风量分别为476 m3/h，533m3/h，600 m3/h。进行该组实验的室外温度为-4℃，氟泵运行的频率为20Hz。
4实验结果分析
4.1氟泵输入频率对系统性能的影响
本组实验进行的条件是室外温度为0℃和室内机风量为高档，实验过程中，分别调节氟泵的输入频率为15Hz，20Hz、30Hz、40Hz来改变系统的制冷剂流量。图给出了不同输入频率下，室内机的进出风温差和氟泵的耗功。从图中数据可以看出，氟泵耗功随输入频率的增加而增加，室内机的进出风温差随氟泵频率的增加先增加后减小，当氟泵输入频率为20Hz时，进出风温差达到最大值10.9℃。输入频率的改变会从以下两个方面影响氟泵系统的性能：一是输入频率的变化会改变系统工质流量；二是导致氟泵扬程的变化，从而使得进入室内机的工质压力发生变化，由制冷剂的热力性质可知其蒸发温度也会随之改变。图2给出了不同输入频率下，氟泵进出口工质压力。图中数据显示：当氟泵输入频率改变时，氟泵进口压力为380kPa左右基本保持不变，氟泵出口工质压力随氟泵输入频率的减小而降低。输入频率为40Hz时，氟泵出口工质压力为600kPa，当输入频率降低至15Hz时，出口工质压力约为500kPa，相差100kPa。查阅R22饱和状态下热力性质表可知：当工质压力相差100kPa时，压力对应的饱和温度（即蒸发温度）相差5℃左右。
图2不同输入频率下室内机进出风温差和氟泵耗功
4.2室内机循环风量对系统性能的影响
本组实验在室外温度为-4℃、氟泵输入频率为20Hz的条件下进行。室内机的额定风量为600m3/h，额定风速为6.3m/s。图给出了不同送风速度下室内机的进出风温度及其差值。从图中数据可以看出，当室内机风速降低时，室内机的出风温度也随之降低，当其风量为高档时，其出风温度为12.5℃，风量为低档时，出风温度为11.5℃，相差1.0℃。室内机出风温度的降低是由于当氟泵循环制冷剂流量一定时，可以近似认为进入室内机的液态制冷剂的制冷能力不变，当风量减小时，根据能量守恒原理可知室内机的出风温度会有所降低，故而调节室内机的送风量可以很好地调节室内机的出风温度。
图3不同输入频率下氟泵系统的制冷量和能效比
图4不同送风速度条件下蒸发器进出风温度
表1给出了不同室内机风速条件下，室内机的进出风温差、系统制冷量、系统能效比EER。从表中数据可知，随着送风速度的增加，室内机的进出风温差降低，但是室内机的制冷量也随之增加，当送风速度为5m/s时，系统制冷量为2217W，当送风速度增加到6.3m/s时，系统的制冷量增加了17%，同时也表明：在其它参数不变的条件下，当室内机的风量改变时，风量对制冷量的影响程度要高于进出风温差对制冷量的影响程度，通过对室内机风量的调节可以很好地调节氟泵驱动系统的制冷量。对比三种条件下氟泵的耗功率可发现：氟泵的耗功不受送风速度的影响，三种送风速度条件下，氟泵的耗功率均为67W左右。通过对氟泵驱动系统的能效比计算发现：虽然风机耗功随送风速度的增加而增加，但是系统的能效比从20.30增加到21.82。
结论
本文研究了氟泵输入频率和室内机风量对氟泵循环系统性能的影响，得出如下结论：
（1）氟泵驱动系统制冷量随氟泵输入电源频率的增加先增加后降低，室外温度为0℃时，当氟泵输入频率为20Hz时，系统的制冷量达到最大为2194W，能效比EER达到18.76，
（2）氟泵驱动模式下，系统制冷量随室内机风量的增加而增加，当室内机风量增加26%时，系统制冷量增加17%；
本文的研究为设计氟泵驱动循环系统选择氟泵的流量和扬尘提供了一定的理论依据。
参考文献：
[1] Taiwan Green Productivity Foundation，Energy Audit Annual Report for Non-manufacturing Industries，2011.
[2] Lee K P，Chen H L. Analysis of energy saving potential of air-side free cooling for data centers in worldwide climate zones[J]. Energy and Buildings，2013，64：103-112.
[3] EPA. Report to congress on server and data center energy efficiency public law，US Environmental Protection Agency；2007. p. 109-431.
[4] Koomey JG. Growth in Data Center Electricity Use 2005–2010.Oakland，CA：Analytics Press；2011.
[5] 钱晓栋，李震. 数据中心空调系统节能研究[J]. 暖通空调，2012，42（3）：91-96.
[6] 李智. 下一代通信机房及 IDC 数据中心能源成本战略[J]. 第十届中国科协年会信息化与社会发展学术讨论会分会场论文集，2008：458-462.
论文作者:张卓
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/23
标签：室内论文; 风量论文; 制冷剂论文; 频率论文; 温度论文; 系统论文; 工质论文; 《建筑模拟》2019年第5期论文;