不同室外温度下机房空调性能研究_方敏.pdf

第2 3卷 第1期2023年1月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G2 8-3 2收稿日期:2 0 2 1-1 1-1 7,修回日期:2 0 2 2-0 7-1 2作者简介:方敏,本科,高级工程师,主要研究方向为制冷空调产品的性能及安全。不同室外温度下机房空调性能研究方敏 李志亮 吴阿明 姚亮 董安乐(合肥通用机械研究院有限公司)摘 要 对风冷式机房空调在不同室外温度下的性能进行试验研究,结果表明:机房空调的蒸发温度和冷凝温度随室外温度的降低而降低;室外温度每降低1,机房空调的制冷量增加1%,功率减小1.5%,C O P增加2.5%。另外,本文利用拟合公式,结合压缩机AHR I c o m p r e s s o rm a p法,并对实际运行工况进行修正,提出一种计算机房空调制冷量的方法,该方法与试验测试的误差在3%以内。关键词 机房空调;制冷量;性能系数;蒸发温度;冷凝温度P e r f o r m a n c eo f c o m p u t e r r o o ma i r-c o n d i t i o n i n gu n d e rv a r i e do u t d o o r t e m p e r a t u r e sF a n gM i n L iZ h i l i a n g WuAm i n g Y a oL i a n g D o n gA n l e(H e f e iG e n e r a lM a c h i n e r yR e s e a r c hI n s t i t u t eC o.,L t d.)A B S T R A C T T h ep e r f o r m a n c eo fa i r-c o o l e dc o m p u t e rr o o ma i r-c o n d i t i o n i n gu n d e rv a r i e do u t d o o r t e m p e r a t u r e s i ss t u d i e db yt e s t.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ee v a p o r a t i n gt e m p e r a t-u r ea n dc o n d e n s i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e w i t ht h ed e c r e a s eo ft h eo u t d o o rt e m p e r a-t u r e.W i t ht h eo u t d o o rt e m p e r a t u r ed e c r e a s i n gb y1,t h er e f r i g e r a t i n gc a p a c i t yo ft h ec o m p u t e rr o o ma i r-c o n d i t i o n i n gi n c r e a s e sb y1%,t h ep o w e rc o n s u m p t i o nd e c r e a s e sb y1.5%,t h eC O Pi n c r e a s e sb y2.5%.I na d d i t i o n,u s i n gt h ef i t t i n gf o r m u l ac o m b i n e dw i t hAHR I c o m p r e s s o rm a pm e t h o d,t h ea c t u a l o p e r a t i n gc o n d i t i o n s i sm o d i f i e d,ac a l c u l a t i o nm e t h o do fr e f r i g e r a t i n gc a p a c i t yo fc o m p u t e rr o o ma i r-c o n d i t i o n i n gi sp r o p o s e d,a n dt h ee r r o rb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h e t e s t i sw i t h i n3%.K E Y WO R D S c o m p u t e rr o o ma i r-c o n d i t i o n i n g;r e f r i g e r a t i n gc a p a c i t y;c o e f f i c i e n to fp e r-f o r m a n c e;e v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e;c o n d e n s i n gt e m p e r a t u r e 机房空调是一种供机房使用的空调,由于机房的发热元件为服务器,需要恒定的温度保证服务器的正常运行,且一年四季均需要制冷1-3。在不同的室外温度下,机房空调的制冷量、功耗和C O P均会发生变化4-5。笔者通过测试不同室外温度下机房空调的性能,分析室外温度对机房空调的蒸发温度、冷凝温度、过冷度、制冷量、功率和C O P的影响,并提出一种计算机房空调制冷量的方法,为机房空调在全年不同室外温度下制冷性能参数的计算提供方法和依据。1 被试机组和试验装置1.1 被试机组采用一台制冷量为5 0kW的风冷式机房空调作为被试机组,该机组由室内机和室外机两部分组成(如图1所示):室内机由压缩机、蒸发器、室内风机、节流装置和电控部件等组成;室外机主要由室外风机、冷凝器和电控部件等组成。压缩机为涡旋式压缩机,制冷剂为R 4 1 0 A;蒸发器主要结构参数为:9.5 2mm0.2 6mm内螺纹紫铜管,管排行距为1 9.6 5mm,列距为2 5mm,单管有效长度为0.8 1m,共4排4 2列;翅片为亲水膜开窗翅片,第1期方敏 等:不同室外温度下机房空调性能研究2 9 厚度为0.1 1 5mm,片间距为1.8mm;换热器V形布置,夹 角 为2 4。冷 凝 器 主 要 结 构 参 数 为:9.5 2mm0.2 6mm内螺纹紫铜管,管排行距为1 9.6 5mm,列距为2 5mm,单管有效长度为2.2m,共4排4 8列;翅片为波纹翅片,厚度为0.1 1 5mm,片间距为2.0mm;换热器为平板形布置。图1 被试机房空调系统流程图1.2 试验装置 被试机组性能测试采用室内侧空气焓差法,通过对被试机组的送风参数、回风参数和循环风量进行测量,利用下式计算机组的制冷量:q=Qm(ha 1-ha 2)/V n(1+Wn)(1)式中:q为制冷量(W);Qm为室内侧空气流量(m3/s);ha 1为室内侧回风空气焓值(J/k g干空气);ha 2为室内侧送风空气焓值(J/k g干空气);V n为喷嘴处空气比容(m3/k g);Wn为喷嘴处空气含湿量(k g/k g干空气)。焓差实验室和被试机组布置如图2所示,焓差实验室分为室内侧测试房间和室外侧测试房间,每个测试房间由空气处理机组、空气取样装置、压缩冷凝机组、冷却水系统及样机供风系统等组成。被试机组的室内机和室内机分别安装于焓差实验室的室内侧和室外侧测试房间,室内机的进风口设置有进风温度取样靶,出风口连接室内侧空气流量测量装置,并设置有送风温度取样靶,用于测量被试机组的送风参数、回风参数和循环风量。2 测试结果及分析在室内侧回风温度一定(室内回风干球温度2 4和湿球温度1 7 6)的条件下,分别对室外温度(4 3.01 5.0范围内)间隔2取工况点进行测试。在室内外温度稳定且达到要求、机组运行稳定后采集相关参数,持续2 1m i n(共采集7组数据),取平均值为各参数的测量值。2.1 室外温度对冷凝温度和蒸发温度的影响随着室外温度的降低,机组的冷凝压力降低,冷凝温度降低,如图3所示。一方面,为了确保压缩机稳定运行,根据冷凝图2 焓差实验室测试原理图 3 0 第2 3卷 图3 冷凝温度和蒸发温度随室外温度的变化压力控制室外风机转速,以保证冷凝温度不低于4 0,随着室外温度降低,机组冷凝温度降低速度变缓。另一方面,从冷凝器出来的制冷剂液体节流后进入蒸发器,蒸发压力略有降低,近似线性变化。室外温度从4 3.0降低为1 5.0,冷凝温度从5 4.5降低到4 0.2,蒸发温度由9.5降低到7.6。笔者将冷凝温度随室外温度的变化拟合为二次函数,将蒸发温度随室外温度的变化拟合为线性函数,如式(2)和式(3)所示:tc=4 2.6 5 73 4-0.3 5 83to u t+0.0 1 43 3t2o u t(2)te=6.6 9 31 2+0.0 6 49 3to u t(3)式中:tc为冷凝温度();te为蒸发温度();to u t为室外温度()。由于室外风机具有调速功能,可以调节机组的冷凝温度,对 于 冷 凝 温 度 的 拟 合 公 式 有 以 下说明:当dtcdto u t=0时,即to u t=1 2.5时,tc达到最低值。所以,当to u t1 2.5 时,式(2)适用;当to u t1 2.5,tc=4 0.0。2.2 室外温度对过冷度的影响随着室外温度的降低,机组过冷度的变化如图4所示。室外温度从4 3.0降低为1 5.0,机组图4 过冷度随室外温度的变化过冷度由6.7增大为1 6.5。笔者将过冷度随室外温度的变化拟合为二次函数,如式(4)所示:to c=2 5.2 0 67 9-0.6 5 61 9to u t+0.0 0 52 3t2o u t(4)当dto cdto u t=0时,即to u t=6 2 时,to c达 到 最低值。由于室外风机具有调速功能,结合式(2),式(4)可适用于室外温度to u t在1 2.56 2.0 的温度区间。由于受机房空调压缩机运行范围和实际使用条件的限制,实际运行时室外温度to u t6 2.0。当to u t1 2.5 时,按照to u t=1 2.5,此时to c=1 7.8。2.3 室外温度对制冷量和功率的影响随着室外温度的降低,机组制冷量有所增加,功率逐渐减小,C O P线性增加,如图5和图6所示。室外温度由4 3.0降低为1 5.0,机组制冷量由4 2.0 3kW增加为5 3.5 8kW,功率由1 8.3 4kW降低为1 2.5kW,C O P由2.2 9增加为4.2 9。室外温度每降低1,制冷量增加1.0%,功率减小约1.5%,C O P增加2.5%。图5 制冷量和功率随室外温度的变化图6 C O P随室外温度的变化3 理论计算方法被试机组制冷循环压-焓图如图7所示。41为蒸发器中的蒸发过程,12为压缩机内的压 第1期方敏 等:不同室外温度下机房空调性能研究3 1 缩过程,23为冷凝器中的冷凝过程,34为膨胀阀中的节流过程7-8。图7 机组制冷循环压-焓图机组的单位质量制冷量q0为q0=h1-h3(5)基于被试机组在不同室外温度下的测试结果,笔者提出一种计算机组制冷量的方法:1)根据式(2)式(4),得到冷凝温度tc和蒸发温度te及机组各个运行状态点。由蒸发温度te和过热度ts k得到机组的吸气状态点1的压力和温度,如式(6)和式(7)所示:p1=pe(6)t1=te+ts k(7)以上式中:p1为状态点1的压力(MP a);pe为蒸发压力(MP a);t1为状态点1的温度();ts k为过热度(),由机组设定控制。从而得到状态点1的其他参数,例如状态点1的焓值h1(k J/k g)和熵s1(k J/(k gK)等。由状态点2(状态点2的理想点)的熵s2=s1,状态点2的压力p2=pc,得出状态点2理想状态点2 的其他参数,由状态点2 的焓值h2 及压缩机的等熵效率s,可得出h2=h1+(h2+h1)/s(8)从而得出状态