户外一体化机柜空调低环境温度制冷系统研究_周金声.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 G3 8-4 1收稿日期:2 0 2 1-0 6-1 5,修回日期:2 0 2 1-0 8-0 4作者简介:周金声,主要研究方向为空调制冷系统相关设计与优化。户外一体化机柜空调低环境温度制冷系统研究周金声 陈国豪 熊军 梁志滔 苏培焕(T C L空调器(中山)有限公司)摘 要 针对户外一体化机柜低环境温度制冷的需求,笔者开发了配套机柜空调的低温制冷功能,在不额外增加成本的情况下,通过检测空调室外侧冷凝器出口温度,制定外风机周期性开停控制策略。结合试验测试,如在外侧干球-1 5,内侧干球2 0工况下,在单个外风机开停周期中,外风机关闭时,压缩机底部过热度有出现低于0的情况,最低达-1 2,持续时间约1 1 5s,而外风机开启时,底部过热度快速增大,最高达4 0.5,大于0的持续时间约4 0s。通过观察压缩机底部额外开孔配置的视窗镜可以发现,整个过程中,制冷剂基本来不及沉积,压缩机润滑油位也在合理范围内,因此,压缩机不会缺油。另外,运行过程中,吸气过热度基本大于0,回液风险低。关键词 户外一体化机柜;机柜空调;低温制冷;外风机开停控制;压缩机底部过热度;吸气过热度R e s e a r c ho nl o wa m b i e n t t e m p e r a t u r e r e f r i g e r a t i o ns y s t e mo fo u t d o o r i n t e g r a t e dc a b i n e t a i rc o n d i t i o n e rZ h o uJ i n s h e n g C h e nG u o h a o X i o n gJ u n L i a n gZ h i t a o S uP e i h u a n(T C LA i rC o n d i t i o n e r(Z h o n g s h a n)C o.,L t d.)A B S T R A C T I nv i e wo f t h ed e m a n d f o r l o wa m b i e n t t e m p e r a t u r ec o o l i n go f o u t d o o r i n t e g r a t e dc a b i n e t s,t h e a u t h o r h a s d e v e l o p e d t h e l o w-t e m p e r a t u r e r e f r i g e r a t i o n f u n c t i o no f s u p p o r t i n g c a b i-n e t a i r c o n d i t i o n e r s,a n d f o r m u l a t e d ap e r i o d i c s t a r t-s t o p c o n t r o l s t r a t e g y f o r e x t e r n a l f a n s b yd e-t e c t i n g t h eo u t l e t t e m p e r a t u r eo f t h e c o n d e n s e r o n t h eo u t d o o r s i d eo f t h e a i r c o n d i t i o n e rw i t h o u ta d d i t i o n a l c o s t.C o m b i n e dw i t ht h et e s t,s u c ha s i nt h eo u t e rd r yb u l b-1 5,t h e i n n e rd r yb u l b2 0 w o r k i n gc o n d i t i o n s,i na s i n g l e e x t e r n a l f a ns t a r t-s t o pc y c l e,w h e n t h e e x t e r n a l f a n i sc l o s e d,t h eb o t t o mo ft h ec o m p r e s s o rs u p e r h e a th a sas i t u a t i o no f l e s st h a n0,t h el o w e s t-1 2,t h e d u r a t i o n i s a b o u t 1 1 5s,a n dw h e n t h e e x t e r n a l f a n i s t u r n e do n,t h e b o t t o ms u p e r-h e a t i n c r e a s e sr a p i d l y,u pt o4 0.5,a n dt h ed u r a t i o no fg r e a t e rt h a n0 i sa b o u t4 0s.B yo b s e r v i n gt h ew i n d o w m i r r o rw i t ht h ea d d i t i o n a lo p e n i n ga tt h eb o t t o mo ft h ec o m p r e s s o r,i tc a nb ef o u n dt h a ti nt h ew h o l ep r o c e s s,t h er e f r i g e r a n tb a s i c a l l yh a sn ot i m e t od e p o s i t,a n d t h e c o m p r e s s o r l u b r i c a t i n go i l l e v e l i s a l s ow i t h i na r e a s o n a b l e r a n g e,s ot h ec o m p r e s s o rw i l ln o tb es h o r to fo i l.I na d d i t i o n,d u r i n go p e r a t i o n,t h es u c t i o ns u-p e r h e a t i sb a s i c a l l yg r e a t e r t h a n0,a n dt h er i s ko f l i q u i dr e t u r n i s l o w.K E Y WO R D S o u t d o o ri n t e g r a t e dc a b i n e t;c a b i n e ta i rc o n d i t i o n i n g;l o wt e m p e r a t u r er e-f r i g e r a t i o n;e x t e r n a l f a ns t a r t-s t o pc o n t r o l;s u p e r h e a ta t t h eb o t t o mo f t h ec o m p r e s s o r;i n-h a l a t i o ns u p e r h e a t 2 0 1 9年6月,工业和信息化部正式发放5 G商用牌照后,5 G正式进入建设高峰期,我国基站建设与资本开支大幅提升。据工业和信息化部发布的信息,全国未来需建设6 0 0万个5 G基站,总成 第1期周金声 等:户外一体化机柜空调低环境温度制冷系统研究3 9 本在1.2万亿元至1.5万亿元,5 G网络覆盖还需要67年1。随着户外基站的快速建设,一体化机柜得到应用,配套的机柜空调装机数量也逐渐增多。考虑到中国的国土幅员辽阔,气候特征多样,不同地域的环境条件也有较大的差异,因此有必要结合地区环境,因地制宜地开展户外智能控制柜的环境适应性研究2。有关研究表明,在我国华北、西北及东北等地区,室外气温低于1 0 的天数占全年的百分比相当可观3,此类地区有对机柜空调有低温制冷的需求。由于机柜内部空间密闭,围护结构保温较好,但内部电子设备发热量大,仍需要配套温控设备对机柜内部进行制冷控温。笔者所在公司开发了一款采用交流供电,15 0 0W额定冷量的机柜空调,可实现对配套的户外智能控制柜内部进行控温的目的。行业标准Y D T2 7 6 82 0 1 4 通信户外机房用温控设备 第1部分:嵌入式温控设备4,并未对此类温控设备在低环境温度下运行有特殊要求,该类产品在低环境温度制冷的相关研究较少,赖志豪5将机柜空调与热管结合,设计空调热管一体机,在环境温度为2 7时,实现节能率4 2%7 5%,但未涉及低温制冷的研究。机房空调行业往往通过采用制冷剂旁通、减少冷凝风机运行台数、加装氟泵等方式来实现更低环境温度下的制冷需求。上述方案涉及到更改管路,增加配件,控制复杂,成本增加较多。因此,笔者拟参考常规空调的常用方案,即降低冷凝风机转速,降低风量的方法。如:王铭坤等6、孙静等7通过降低冷凝风机的转速,提高冷凝温度,从而使提升冷凝压力,保持冷凝压力在合理的范围内。马勇8通过自动调节导风装置的导风条角度,从而控制冷凝风机的风量,实现自适应的低温环境下制冷需求,都可以较好地实现低环境温度制冷的目的。本文对低环境温度下机柜空调的制冷系统进行研究,为进一步提高产品低温制冷能力及可靠性提供参考。1 机柜空调产品介绍1.1 产品形式如图1所示,产品为门装嵌入一体机形式,为满足各空调厂商替换供货,以及后期基站节能改造,采 用 行 业 通 用 尺 寸。其 中,外 观 尺 寸 为 高7 4 6mm,宽4 4 6mm,深2 2 0mm。如图2所示,经过安装及调试,产品可为机柜提供正常温控需求。图1 产品外观图图2 机柜空调产品及安装示意图1.2 产品配置如图3所示,空调关键器件由压缩机、冷凝器、外风机、毛细管、蒸发器、内风机组成。产品满足行业标准Y D T2 7 6 82 0 1 4 通信户外机房用温控设备 第1部分:嵌入式温控设备 要求,额定制冷量达15 0 0W,E E R在2.6以上。图3 制冷系统示意图样机配置如表1所示。表1 样机配置项目配置参数压缩机某品牌定频压缩机,排量2.1 6m3/h蒸发器两排7mm,9根U管内风机风量4 2 0m3/h冷凝器微通道换热器外风机风量5 0 0m3/h毛细管1.6mm8 0 0mm制冷剂及灌注量R 1 3 4 a2 5 0g 4 0 第2 3卷 2 低温分析及设计思路2.1 低温制冷分析低温环境下,冷凝压力变低,大部分制冷剂会聚集在冷凝器中,蒸发器中的制冷剂减少,蒸发压力变低,蒸发器温度过低而结霜5,可能会出现制冷能力不足、制冷剂流量减小,压缩机排气温度升高,压缩机油碳化,压缩机抱死等问题,导致空调不能正常工作。解决这些问题关键在于降低冷凝器的换热能力,提高冷凝温度,保证冷凝压力在合理的范围内。2.2 设计思路降低冷凝器的换热能力的方法有:减少冷凝风机运行台数、降低风机的转速、增加冷凝器风侧阻力、减少冷凝器换热面积、制冷剂旁通等6。本文采用降低风机转速,冷凝风机开停控制,降低通风量的方案来降低冷凝器的换热能力。在低环境温度制冷运行中,系统需要维持一定的冷凝压力,保证一定的制冷剂循环量。当外风机开启时,冷凝压力会因为冷凝器的换热能力太好而快速下降。外风机停止时则相反,冷凝压力会因为冷凝器的换热能力变差而上升。冷凝压力与冷凝温度存在对应关系,因此,在冷凝器出口设置感温包,设置检测温度为T外盘,通过温度值来控制外风机开停,以维持系统压力在合理范围内,具体逻辑如下:当检测到T外盘大于T冷凝风机开启温度,开启冷凝风机;当检测到T外盘不大于T冷凝风机关闭温度,关闭冷凝风机。其中,T冷凝风机开启温度