0引言

目前，海瑞思交換機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)，以保證機(jī)房的溫濕度要求，需要消耗大量的電能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，制冷空調(diào)系統(tǒng)全年的耗電量約占海瑞思交換機(jī)房總耗電量的60%以上 [1]。由于機(jī)房主要熱負(fù)荷源于交換機(jī)的散熱，所以即使北方地區(qū)在冬季，海瑞思機(jī)房仍有大量余熱?，F(xiàn)階段，國(guó)家提倡創(chuàng)新發(fā)展模式，將節(jié)能減排作為加快經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，可持續(xù)發(fā)展已成為我國(guó)的基本國(guó)策。在此形勢(shì)背景下，針對(duì)各地區(qū)全年氣候特征，研究海瑞思交換機(jī)房空調(diào)全年運(yùn)行特性，探索最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，對(duì)于降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義。

我國(guó)北方地區(qū)冬季和春、秋季節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，夏季炎熱時(shí)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(shí)間室外氣溫低于18℃，如此之低溫的室外空氣中蘊(yùn)含著大量的自然冷量。因此，寒冷地區(qū)海瑞思機(jī)房利用室外空氣中的自然冷量進(jìn)行空調(diào)降溫具有廣闊的應(yīng)用前景，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的目的[2]。

1海瑞思機(jī)房全年冷負(fù)荷分析

本文選取哈爾濱市某海瑞思機(jī)房為計(jì)算對(duì)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(wú)內(nèi)遮陽(yáng)。（2）建筑內(nèi)無(wú)常駐人員，熒光燈12盞，每盞40W；交換設(shè)備24臺(tái)，平均每臺(tái)設(shè)備的散熱量為2000W。

根據(jù)海瑞思交換機(jī)房對(duì)室內(nèi)溫濕度的要求，取室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度tn＝24~26℃，設(shè)計(jì)相對(duì)濕度為

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

由圖可見(jiàn)：（1）小時(shí)平均冷負(fù)荷最大點(diǎn)出現(xiàn)在第4600h，最大負(fù)荷為43.14kW，小時(shí)平均冷負(fù)荷最小值點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)出現(xiàn)在1月，最小月平均冷負(fù)荷為29.68kW。

（3）由于機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備散熱量大，室外氣溫變化對(duì)機(jī)房冷負(fù)荷變化影響較小，機(jī)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(guò)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(jì)和環(huán)境效益，同時(shí)也因壓縮機(jī)的工作時(shí)間減少，制冷系統(tǒng)的使用壽命得以延長(zhǎng)。此間的關(guān)鍵是利用自然冷源的動(dòng)機(jī)制冷方式的選擇。

2機(jī)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(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)

直接利用室外新風(fēng)的機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組由送風(fēng)機(jī)、過(guò)濾器、調(diào)節(jié)閥門、加熱器、排風(fēng)機(jī)等組成。在室外氣溫低于室內(nèi)設(shè)計(jì)送風(fēng)點(diǎn)溫度時(shí)，利用機(jī)組對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行過(guò)濾潔凈處理，必要時(shí)候還需要進(jìn)行加熱處理。通過(guò)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(jī)組直接利用室外空氣，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本低廉，機(jī)組運(yùn)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(diǎn)時(shí)不能直接利用，需要二次加熱（過(guò)程①），還要對(duì)冬季干燥空氣進(jìn)行家加濕處理（過(guò)程②），過(guò)程③是利用送風(fēng)溫差進(jìn)行制冷的過(guò)程。

直接利用室外冷空氣帶來(lái)了新問(wèn)題：該機(jī)組利用換氣的方法來(lái)消除室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量，會(huì)使機(jī)房?jī)?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(shí)間長(zhǎng)達(dá)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(huì)超過(guò)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(jī)來(lái)制取這部分冷量，由于風(fēng)冷空調(diào)機(jī)的制冷系數(shù)一般都在3左右，其制冷量是壓縮機(jī)功耗的3倍，所以耗電量遠(yuǎn)小于冷風(fēng)機(jī)處理室外空氣的能耗，即使用風(fēng)冷專用空調(diào)機(jī)的能耗也要比直接利用新風(fēng)小。

因此該系統(tǒng)對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)并不是很適用，對(duì)于溫暖地區(qū)，冬季室外氣溫低于0℃時(shí)間不長(zhǎng)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(wèn)題，得到最大的節(jié)能效果和最優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(gè)時(shí)期不使用新風(fēng)而利用制冷機(jī)組，可以避免最不節(jié)能的那一段，但同時(shí)在這段時(shí)間需要通過(guò)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(lái)控制機(jī)組的冷凝壓力[4]；在較寒冷期需耗費(fèi)一定的加熱量以達(dá)到露點(diǎn)后，再與室內(nèi)回風(fēng)混合到送風(fēng)點(diǎn)，而過(guò)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(diǎn)，在這個(gè)過(guò)程可以節(jié)省較多的能量；初夏，室外氣溫低于機(jī)房設(shè)計(jì)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(shí)間都要使用大量新風(fēng)，為了保證機(jī)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(duì)具體機(jī)房進(jìn)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(jī)組；二是利用乙二醇—空氣熱交換機(jī)組。

空氣—空氣熱交換器機(jī)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(duì)較為潔凈的海瑞思機(jī)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(shí)際應(yīng)用，如全熱交換器，但是適用于海瑞思交換機(jī)房的整體機(jī)組還沒(méi)有開發(fā)。

海瑞思交換機(jī)房對(duì)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(gè)有關(guān)空調(diào)運(yùn)行能耗的問(wèn)題——在制冷的同時(shí)也在除濕，對(duì)于海瑞思交換機(jī)房來(lái)說(shuō)，在使用機(jī)房專用空調(diào)機(jī)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(diǎn)溫度則會(huì)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(duì)濕度又需要再次加濕，這部分的能源浪費(fèi)往往不為人們所注意，但是其浪費(fèi)量是很大的。

乙二醇—空氣熱交換機(jī)組以乙二醇溶液為載冷劑，有一個(gè)室內(nèi)換熱器與一個(gè)室外冷換熱器，兩個(gè)熱交換器之間由循環(huán)泵來(lái)驅(qū)動(dòng)乙二醇溶液。該機(jī)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(jìn)行熱交換，機(jī)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(shí)現(xiàn)了等濕冷卻，減少了冷卻除濕帶來(lái)的重復(fù)加濕能源浪費(fèi)，總體來(lái)說(shuō)，該機(jī)組利用自然冷源的機(jī)房環(huán)境控制設(shè)備還是較為理想的。

2.3REFNAC式計(jì)算機(jī)房專用空調(diào)機(jī)

REFNAC式專用空調(diào)機(jī)是由室內(nèi)和室外機(jī)組組成，室外機(jī)組換熱器為風(fēng)冷式，該機(jī)組的最大特點(diǎn)是具備一套R(shí)EFNAC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(dòng)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(gè)循環(huán)系統(tǒng)是閉環(huán)式的，除了具有一般壓縮機(jī)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(jī)組的安裝位置高于室內(nèi)機(jī)組，從而利用高差造成自然循環(huán)[6]。

系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）熱移動(dòng)效率高：由于吸熱部和放熱部除位差外沒(méi)有壓力差，故蒸發(fā)溫度約等于冷凝溫度；（2）熱移動(dòng)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(dòng)只能按一個(gè)方向進(jìn)行，如果吸熱對(duì)象的溫度出現(xiàn)逆流，熱移動(dòng)停止，而不會(huì)出現(xiàn)逆移動(dòng)現(xiàn)象，如夏季將室外熱量移入室內(nèi)。（4）節(jié)省動(dòng)力，只用重力循環(huán)，無(wú)需用泵，故而節(jié)能[6]。

因?yàn)檎舭l(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(shí)，熱負(fù)荷較小時(shí)，自然循環(huán)的冬季制冷量相對(duì)較大，并且環(huán)境溫度越低，相差越大，這樣會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)送風(fēng)溫度偏低，嚴(yán)重時(shí)候會(huì)出現(xiàn)送風(fēng)霧區(qū)；反之，當(dāng)室外溫度較高時(shí)，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(shí)，需要壓縮機(jī)循環(huán)系統(tǒng)和自然循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)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(gè)值以下時(shí)，關(guān)閉制冷機(jī)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(jī)的能耗占有極高的比例，如用冷卻塔來(lái)代替制冷機(jī)供冷，將節(jié)省可觀的運(yùn)行費(fèi)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(jī)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(jī)盤管，占用較多的空間，增加機(jī)房屋頂布線的難度。而海瑞思機(jī)房和移動(dòng)基站多為小型獨(dú)立建筑，使用冷水機(jī)組的情況較少，而北方地區(qū)冷卻塔的冬季防凍是一個(gè)大問(wèn)題，在北方尤其是東北地區(qū)，結(jié)冰期很長(zhǎng)。

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(jìn)行；當(dāng)室外氣溫低于10℃時(shí)，壓縮機(jī)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(guò)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(jìn)入冷凝器，在室外風(fēng)扇的作用下冷卻成液體，在流經(jīng)儲(chǔ)液器，回到制冷劑循環(huán)泵，如此循環(huán)進(jìn)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(yùn)行于常規(guī)制冷工況，而且可以實(shí)現(xiàn)冬季制冷工況的節(jié)能運(yùn)行，有效地利用了常規(guī)制冷系統(tǒng)的資源，在機(jī)房空調(diào)以及其它需要冬季制冷運(yùn)行的空調(diào)機(jī)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(shí)轉(zhuǎn)到泵循環(huán)具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）可以充分利用冬季自然冷源實(shí)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(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)溫度過(guò)低導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)露情況，可實(shí)現(xiàn)等濕冷卻，不會(huì)帶來(lái)額外的加濕耗能負(fù)荷；（3）間接利用室外冷空氣，不會(huì)污染室內(nèi)空氣；（4）除在機(jī)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(jiǎn)便，不同溫度采用不同的循環(huán)工況，不會(huì)出現(xiàn)類似REFNAC系統(tǒng)需壓縮機(jī)循環(huán)系統(tǒng)和自然循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。

3結(jié)論

海瑞思機(jī)房對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)冬季制冷目的，實(shí)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(shí)現(xiàn)等濕冷卻，不增加來(lái)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(jì)算機(jī)房專用空調(diào)機(jī)、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(huì)出現(xiàn)冷卻除濕現(xiàn)象，是否節(jié)能需對(duì)使用情況具體分析。

從系統(tǒng)運(yùn)行條件來(lái)看，直接利用新風(fēng)方式和熱交換器系統(tǒng)需要一套獨(dú)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(jī)組制造成本并加大了其外形尺寸，需多占用機(jī)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(jiǎn)單，充分利用常規(guī)制冷系統(tǒng)的換熱器資源，不加大機(jī)組外形不需多占用機(jī)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(wèn)題與海瑞思機(jī)房使用冷水機(jī)組的情況。

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