浅谈机房专用空调机的冬季制冷运行

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浅谈机房专用空调机的冬季制冷运行

- c& t5 G1 V. c; c—— Atlas机房专用空调机

一、引言

( T4 j) t: R) ^2 ?; F4 _& e3 G能够充分满足计算机房环境条件要求的计算机房专用空调机是在近30年中逐渐发展起来的一个机种。早期的机房使用舒适性空调机时，常常出现由于环境温度、湿度的参数控制不当而造成计算机运算过程受干扰、打印机纸张卡住或粘连、磁头损坏、出现静电等问题。而使用通用的恒温恒湿空调机，虽然可以获得比较稳定的适宜环境，但是运行费用偏高，同时也存在安全性、可靠性以及操作方面的一系列不足。为了适应计算机事业的发展，计算机和空调设计人员相互合作，针对计算机房空调环境特点，专门开发了计算机房专用空调机。在我国，计算机行业的发展也是近30年的事，随着计算机在各行业的普遍应用，我国第一台机房专用空调机于80年代初在天津机房设备厂诞生。这台机房专用空调机所具有的一系列特点，例如：下送风，利用活动地板作为送风风道把冷风直接送入计算机的机柜内、大风量、低焓差、较高的空气过滤效率、配置相互独立的双制冷系统、全年制冷运行。以及加热、加湿等功能。计算机房专用空调机发展至今，无论从制冷能量调节到各种故障报警监测等都有了相当大的提高。

+ j: \9 K% m& ?( A. a二、计算机房专用空调机的主要特点

（一）大风量、小焓差

3 e4 O% L/ m: W5 Q与相同制冷量的舒适空调机相比，机房专用空调机的循环风量约大一倍，相应的焓差只有一半，机房专用空调机运行时通常不需要除湿，循环风量较大将使得机组在空气露点以上运行，不必象舒适性空调机那样为应付湿负荷而不得不使空气冷却到露点以下，故机组可以通过提高制冷剂的蒸发温度提高机组运行的热力效率，从而提高运行的经济性。较大的循环风量将有利于稳定机房的温、湿度指标（一般机房的控制精度在±0.1℃～0.2℃时，换气次数为20次/h～50次/h；循环风量 = 房间容积×换气次数），在制冷量一定的情况下，风量的增大将导致焓差的减小，因而通常机组只能在显热比相当高的工况下运行，这恰恰与机房的负荷特点相适应。此外，在过滤系统效率一定的情况下，较大的风量有利于提高机房的洁净度。

* {; B0 L! u, `2 t `" W* D（二）送、回风方式多样

7 o- Z9 v W) |: H* [7 i' o由于要与计算机的冷却方式相适应，计算机房空调系统的送风、回风方式是多种多样的、有上送风、下送风等、有下回风、上回风、侧回风等，生产企业一般是利用标准化手段开发一系列机型，以满足用户的不同需要。

机房专用空调机送风形式多为上送下回式和上回下送式。机房中铺设防静电活动地板，机房专用空调机采用下送上回式送风，使冷气直接送入活动地板下，这样使地板下形成静压箱，然后通过地板送风口，把冷气均匀地送入机房内，送入计算机柜内。为此，机房专用空调机应有足够的风量把机房中的热量带走。采用这种送风形式可大大提高空调效率，同时还可以大幅度节省过去习惯管道送风的工程费用，降低工程造价，使室内布局美观。这是计算机房理想的送风形式。当然，机房送风形式要与计算机主机散热形式相一致。

8 W2 N2 G+ e8 ^% C5 {3 M- b（三）可靠性较高

5 Q6 Q- S- H5 n/ c: c针对机房空调系统高可靠性的要求，计算机房专用空调机在结构与控制系统设计和制造以及空调系统组成等方面都必须相应采取一系列措施，例如：设置后备机组或后备控制单元，微机控制系统自动对机组运行状态进行诊断，及时对已经出现或将要出现的故障发生警报，自动用后备机组或后备控制单元切换故障机组或故障单元等。众所周知，机房专用空调机的控制系统功能比舒适性空调机要完善得多。

' {! K- e- v: B) l4 O- w（四）全年制冷运行

无论是大、中型计算机，还是程控交换机，都要求空调机全年制冷运行。而冬季的制冷运行要解决稳定冷凝压力和其它相关的问题。多数机房专用空调机能在室外气温降至+15℃时仍能制冷运行。与此形成明显对比的舒适性空调机或常规的恒温、恒湿机，在此种条件下，无法正常制冷工作。

（五）设计点对应运行点

6 O9 [4 f: P, K% v如果把舒适空调机用于计算机房空调系统时，由于机房要求其运行点为：冬季20±2℃，夏季23±2℃，而舒适空调机的设计点温度一般为+27℃，所以机组的实际供冷能力一般比样本标明的额定值低10％～25％。此外，运行点偏离设计点时，在一定程度上机组的部分机件性能由于偏离了最佳运行点，从而影响了机组整体的匹配状态，不利于机组性能的充分发挥和高效率运行。然而计算机房专用空调机，由于把运行点作为设计点，因而机组始终处于最佳运行点，这就从根本上避免了这些问题。

三、全年制冷运行的几个条件

, n/ M! f- ?7 ?. ]. J（一）计算机房内全年热负荷

大、中型计算机和程控交换机都属于电阻型设备，在工作时会产生大量热量，并且都是显热。即便在冬季由于机房密封较好也会有大量热负荷，因此要求空调机全年制冷运行。

% g @( K& X2 z: O, R, B1 B9 S（二）水冷型空调机要求提供全年冷却水

水冷型的机房专用空调机要求提供全年冷却水，空调机的冷却水回水管路上装有冷却水量调节阀。通过采集冷凝压力或过冷温度，自动调节冷却水流量，以保证冷凝温度稳定在合理的工况范围内。但是，冬季运行时为防止冷却水结冰，必需采用大量蓄水的中央冷却水处理装置，在单机或少量使用时极不经济。为了解决水冷型的机房专用空调机冬季运行的问题，大部分厂商采用乙二醇水溶液作为冷却介质。利用表面式换热器来冷却乙二醇水溶液，通过管道泵将乙二醇水溶液送入水冷冷凝器中吸热，起到冷凝的作用。

" h6 E3 z/ \+ p2 W& S根据乙二醇水溶液的热物理性质（见表3-1）我们可以看出，乙二醇水溶液的使用温度越低、浓度越高则定压比热越降低、热导率越下降、动力粘度越增大，客观上降低了换热效率；乙二醇水溶液还有少量腐蚀性，重要部件还应选用耐腐蚀的材料，因此乙二醇水溶液作为冷却介质也有一定的局限性。

) J$ h r4 ~4 p/ r$ k

% P U7 j7 s, M" b. {# k4 r9 X表3-1 乙二醇水溶液的热物理性质

q* c% g6 Y! S3 L

. T( p2 a: ?. U2 @2 F: @/ }+ I9 X使用温度

" H( _ T% S! {$ L8 ]& i（℃）

浓度

ξ

; i4 A! z# E6 S& X* X9 f% k6 n（％）

密度

ρ×103

(kg/ m3)

定压比热

3 i. Z* {$ W" Y% f& ~Cp

[kJ/(kg·K)]

热导率

λ

[W/(m·K)]

动力粘度

μ×103

(Pa·S)

凝固点

tj

! h+ Q3 w6 q+ Z1 u6 I(℃)

0

25

1.03

3.834

0.511

3.8

-10.6

-10

35

1.063

3.561

0.4726

7.3

-17.8

-20

45

1.080

3.312

0.441

21

-26.6

-35

55

1.097

2.975

0.3725

90.0

-41.6

（三）风冷型空调机要求能够调节风量

风冷型的机房专用空调机要求能够调节冷凝器风扇的风量，目的在于使空调机能在不同的室外环境温度下正常工作。夏季气温较高时，风量加大，创造良好的散热环境，使制冷剂充分换热冷凝；冬季气温较低时，则减小风量，保证冷凝温度稳定在合理的工况范围内。常用的调节冷凝器风扇风量的方法有：

1 ?) d: ~/ N# V: y, m2 S1、多把风扇调节

; f W$ @ O) s采用多把风扇，根据不同换热条件，利用压力或温度开关使风扇分别投入运转，实现变风量调节。例如：对于R22制冷剂，冷凝压力低于1200KPa(表压)时，风扇不投入运转；当冷凝压力达到1500 KPa (表压)时，第一组风扇投入运转；当冷凝压力达到1800 KPa (表压)时，第二组风扇也投入运转，实现变风量调节。

2、多抽头电动机调节

采用多抽头电动机，根据不同换热条件，利用压力或温度开关自动增减风扇转速，实现变风量调节。

3、自动风阀调节

9 e) b; F8 g9 j; M采用自动风阀调节，通过采集冷凝压力或过冷温度，使控制风阀的电动机转动，来调整风阀的开度，实现变风量调节。

- S. g7 G, ]. ?/ R' i* M% m4、变频技术调节

采用变频技术，通过采集冷凝压力或过冷温度，自动调节风扇电动机的供电频率，控制转速变化，实现变风量调节。

- ?) E" g/ Z% e6 V! A2 ^5、风扇调速器

采用风扇调速器控制，根据不同换热条件，通过采集冷凝压力自动调节风扇电动机的供电电压，控制转速变化，实现变风量调节。

四、Atlas机房专用空调机的风冷冷凝器

澳大利亚阿特拉斯Atlas机房专用空调机的风冷冷凝器（见图4-1）,采用花铝板外壳，内螺纹翅片管式表面换热器；冷凝风扇为单相异步电动机驱动，能根据冷凝压力变化通过风扇调速器控制进行无极调速。可在室外环境温度-15℃ ～＋45℃时正常运行，充分适应机房专用空调机的全年制冷运行。

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图4-1 Atlas机房专用空调机的风冷冷凝器

1、可调速冷凝风扇

; j1 {7 u+ u6 r6 b7 T风冷冷凝器是空气强迫对流来实现热交换的，使制冷剂蒸汽放热冷凝，因此冷凝风扇是最主要的部件。Atlas风冷冷凝器的冷凝风扇为单相异步电动机驱动，它是通过改变输入电压的不同来改变转速的。在空调运转初期，冷凝压力还没有建立起来，输入电压为零，风扇不工作；随着空调运转逐渐正常，输入的电压也逐渐升高，风扇随着电压的升高，转速从低到高无极变化；风扇转速加快后，制冷剂冷凝放热，冷凝温度慢慢下降，冷凝压力也随之降低，输入电压相应减小，风扇转速变慢；经过几次冷凝温度的上下波动，风扇会保持在一个相对稳定的转速上；随着负荷变化或室外环境温度变化，风扇能及时的变速，总之使冷凝温度稳定在合理的工况范围内。

) J2 B: z, ? q) C, f2、风扇调速器

风扇调速器均安装在室外冷凝器上，可以同时控制三把风扇，它通过直接感应制冷系统内的压力变化，来调节风扇电动机的供电电压（0V ～ 220V）。压力传感器直接安装在制冷剂高压汽管上，通过与相连的电路板控制供给风扇的电压。当环境温度高时，风扇电机在供电电压220V下运行，当环境温度低时，输出电压可能为100V左右。风扇调速器的调节范围对应冷凝工况，冷凝压力在 1200 KPa～1600 KPa之间，输出电压在0V ～ 220V之间变化，最大风扇转速一定设置在正常运行压力下。

（三）改变系统结构使冷凝器能在-40℃的低温下运行

[$ h; ^& ]( p6 ?+ p众所周知我国的北方地区冬季寒冷，特别是东北、西北地区最低温度可达-40℃，标准的机房空调机根本无法在此温度下正常运行。

2003年12月，笔者接到一个项目：乌鲁木齐市国家税务局购置两台澳大利亚阿特拉斯Atlas机房专用空调机，机组型号为：PEC253FA；单台制冷量54.7KW；循环风量16200 M3/h；每台均有相互独立的制冷系统，制冷压缩机采用美国Copeland的涡旋式压缩机，冷凝器采用AFS40型风冷冷凝器；要求空调机能在-30℃的低温下运行。

乌鲁木齐市冬季最低温度可达-27℃，空调机如不加以改装，冬季就无法正常使用。如果安装两个冷凝器，夏季使用标准冷凝器、冬季使用小型号冷凝器，那么，就失去了全自动控制的先进性；并且，人工调换也无法适应随时的气温变化。笔者凭着多年调试、检测各种形式的氟利昂制冷机的经验，认为根据换热学原理对冷凝器进行合理改造，可以实现一台冷凝器冬、夏自动转换有效冷凝面积，达到低温下制冷运行的目的。

1、理论依据：

冷凝器换热量的大小是和换热面积、传热温差密切相关的。当换热量一定时，换热面积越大，所需传热温差就越小；反之，传热温差越大，所需换热面积就越小。乌鲁木齐市冬季寒冷，冷凝器的传热温差很大。若按冷凝温度+55℃,环境温度-27℃计算，则Δt = +55℃-(-27℃) = 82℃。PEC253FA机房专用空调机每套制冷系统的制冷量为22.6KW，排热量为35.35KW；低温下制冷运行的冷凝换热面积可根据公式F = Qk/K×Δt（式中K为传热系数，取0.3 KW/㎡）得出：F = 35.35÷(0.3×82) =1.44㎡,比标准冷凝换热面积11.78㎡小很多。

! F n3 }, r2 @3 i% B! O' [在原有的标准风冷冷凝器上安装一个换热面积为1.5㎡的翅片管式表面换热器，再安装一个储液器。冬季运行时，使用压力调节阀对离开主冷凝器的液态制冷剂进行流量控制，并通过改变冷凝盘管内的储液量来改变有效冷凝面积，最终保持一定的冷凝温度及冷凝压力。通过压差阀（减压阀）将制冷压缩机的排气管与储液器相连，保持储液器内的压力低于冷凝压力大约150KPa。从储液器出来的液态制冷剂先通过小冷凝盘管冷却，最后进入制冷系统液态管线参与下一步制冷循环（见图4-2）。

当冬季最寒冷气候时，主冷凝器内完全被液态制冷剂占据，失去了换热作用，只有靠小冷凝盘管换热冷凝。夏季运行时，压力调节阀的流量开大，液态制冷剂存入储液器和小冷凝盘管内，主冷凝器恢复有效换热面积。从而实现了一台冷凝器，冬、夏自动转换有效冷凝面积，达到低温下制冷运行的目的。

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2、零部件选配

a、小冷凝盘管由原北京冷冻机厂加工；

6 x. R; C" `5 {; @9 F% X) q0 ub、选用德国比泽尔20L容积的储液器（主冷凝器可容10L左右液态制冷剂）；

0 ]6 Z% U2 w" w ` s5 Cc、选用丹佛思KVR压力调节阀和NRD压差阀；

d、选用铜基银焊条和助焊剂；

& a6 P, @$ q' l3 H$ G- D. c3、整体装配、保压试漏

冷凝器一定要水平安装，保证冷凝风扇垂直向上排风。储液器安装在冷凝器汇管的下部，进口在左侧。小冷凝盘管安装在主冷凝器的翅片下，进口和出口均在右侧。组装各种管道及部件，保证KVR阀和NRD阀位置方向正确。在焊接时，要用湿布将阀件包住，以免过热造成损坏。将整个制冷系统连接完毕后，向系统充入2000KPa干燥氮气保压试漏，保证安装无误。

4、充注制冷剂、开机调试

% I! h! u+ F( Ya、取下KVR压力调节阀上的保护帽，用专用扳手伸进凹孔内，反时针旋转调节螺丝，直到手感螺丝旋转无力时止；将制冷系统的所有阀门全开。对系统进行抽真空，真空应达到400Pa以下。

b、向储液器充注制冷剂，使液面处于储液器中部。

c、开启空调的制冷系统，缓慢地向低压侧充注制冷剂蒸气；当室内温度为22℃左右时，应充灌到吸气压力为500KPa。必要时，可将部分冷凝器遮盖住，以提高冷凝压力来达到这个目的。

$ D- [$ k5 |4 g; [d、检查热力膨胀阀和蒸发器是否工作正常。

e、逐渐地将冷凝器盘管表面遮盖住，直到在KVR压力调节阀处测量冷凝压力为1500KPa 止。此时，离开冷凝器的液态制冷剂温度为42℃。

f、保持凝压力为1500KPa，继续充注制冷剂，直到液态制冷剂温度减少到38℃～40℃为止（ 2℃～4℃的过冷度），此时，储液器内全部为液态制冷剂。

- n- v& ?% C: z/ O! ]g、用专用扳手顺时针调节KVR阀，直到冷凝压力刚刚开始上升时止，然后将冷凝盘管上的遮盖除去。

h、微调KVR阀，使冷凝压力保持在1500KPa～1600KPa之间。

i、检查整个制冷系统，包括热力膨胀阀的过热度调节，确保冷凝压力稳定。

; ^( ?# G; {9 B9 }: |7 x4 fj、拆去压力表，将KVR阀的阀帽重新盖好，检查所有阀帽，不能有渗漏现象。

8 X9 m" W* X+ ^: T五、总结

' B. F& C' m% v# e) I! f此次冷凝器改造工程，是我从事制冷空调行业以来，第一次遇到的具有挑战性的革新项目。正常的制冷系统，不希望液态制冷剂过多的占据冷凝面积，而此项目恰恰相反，必须让制冷剂液体存入冷凝器。在充注制冷剂时，必须严格控制加氟量，一定要在最寒冷、接近设计工况下进行。一旦制冷剂不足，将造成冷凝压力过低，蒸发温度低于0℃, 蒸发器结冰，制冷系统瘫痪，严重时导致制冷压缩机损坏。