淺談風(fēng)冷冷水機組低溫環(huán)境下運行的幾種方式

吳 瑾

(泰豪科技股份有限公司)

1 前言[1]

風(fēng)冷冷水機組和水冷冷水機組均是為末端提供冷媒水的空調(diào)設(shè)備。風(fēng)冷冷水機組直接利用外部空氣散熱，安裝使用方便。而相較于風(fēng)冷冷水機組，水冷冷水機組在安裝上就較復(fù)雜，往往要專門為其添加復(fù)雜的冷卻塔、冷卻水泵等一系列配置，且大多需要專用機房，安裝要求也相對嚴格。

在一些特殊環(huán)境，需要空調(diào)設(shè)備一年四季均可提供冷源，此時，風(fēng)冷冷水機組受到室外環(huán)境溫度的影響，冷凝溫度低于蒸發(fā)溫度，壓力不可建，導(dǎo)致機組停機不能正常運行。所以，在這種運用中多采用水冷冷水機組。但對于一些小型機房或者移動數(shù)據(jù)中心，水冷冷水機組機動性差，往往不能滿足要求。

在這種情況下，風(fēng)冷冷水機組在低溫環(huán)境條件下能夠正常運行問題的解決相當(dāng)重要。目前，為了解決風(fēng)冷冷水機組低溫環(huán)境下不能正常運行進行制冷，運行方式較多，下面對幾種運行方式進行闡述。

2 風(fēng)冷冷水機組的低溫運行方式 [2-7]

2.1 單獨運行方式

2.1.1 采用冷凝壓力調(diào)節(jié)閥及冷凝壓力旁通閥，自動調(diào)節(jié)冷凝壓力。

圖一 冷凝壓力調(diào)節(jié)閥及冷凝壓力旁通閥運行方式

如圖一所示，翅片風(fēng)換熱器后安裝冷凝壓力調(diào)節(jié)閥，旁并聯(lián)一冷凝壓力旁通閥。從壓縮機排出的制冷劑經(jīng)過翅片風(fēng)換熱器與外部空氣換熱，冷凝后的制冷劑到達貯液器，經(jīng)膨脹閥節(jié)流后，通過水換熱器換熱，最后回到壓縮機。

在此運行方式中，需要首先設(shè)置冷凝壓力調(diào)節(jié)閥的動作值。在運行過程中，環(huán)境溫度高時，冷凝壓力高于動作值，冷凝壓力旁通閥關(guān)閉，冷凝壓力調(diào)節(jié)閥全開，機組如未安裝此裝置時同樣工作。但，環(huán)境溫度降低時，冷凝壓力也逐漸降低，當(dāng)冷凝壓力低于動作值時，冷凝壓力調(diào)節(jié)閥逐漸調(diào)小，經(jīng)翅片風(fēng)換熱器后流出的制冷劑流量減小，冷凝壓力隨之升高。而當(dāng)冷凝壓力旁通閥前后壓差超過3bar時，旁通閥開啟，制冷劑直接由旁通路流至貯液器，當(dāng)前后壓差減小后，旁通閥再關(guān)閉，如此循環(huán)。

該種運行方式雖然可使得冷凝壓力升高，但，由于冷凝壓力旁通閥的突然開啟和關(guān)閉，導(dǎo)致冷凝壓力波動較大。當(dāng)環(huán)境溫度較低時，冷凝壓力還未上升到正常運行值時，旁通路就已經(jīng)打開了，旁通閥再次關(guān)閉時，冷凝壓力降低，然后再重復(fù)上升，旁通路開啟，冷凝壓力降低的過程，所以最后，機組仍然不能正常運行。另外，由于頻繁的開啟關(guān)閉，冷凝壓力調(diào)節(jié)閥及旁通閥的壽命大大減小，容易損壞。

2.1.2 采集冷凝壓力，調(diào)節(jié)變頻軸流風(fēng)機風(fēng)量

圖二 變頻軸流風(fēng)機調(diào)節(jié)風(fēng)量運行方式

如圖二所示，翅片風(fēng)換熱器換熱采用變頻軸流風(fēng)機抽取空氣進行換熱，翅片風(fēng)換熱器后安裝冷凝壓力傳感器。環(huán)境溫度高時，冷凝壓力正常，軸流風(fēng)機全負荷運行；環(huán)境溫度下降時，冷凝壓力隨環(huán)境溫度下降而下降。冷凝壓力傳感器不斷讀取冷凝壓力值，當(dāng)冷凝壓力值低于控制系統(tǒng)設(shè)定值時，控制系統(tǒng)給出信號，調(diào)小變頻軸流風(fēng)機風(fēng)量。風(fēng)量變小后，冷凝換熱效果降低，冷凝壓力提高?？刂葡到y(tǒng)實時根據(jù)測得的冷凝壓力不間斷控制風(fēng)機電機頻率，保證冷凝壓力不低于系統(tǒng)設(shè)定值，滿足壓縮機的高低壓差建立，正常運行條件。

該種運行方式利用變頻軸流風(fēng)機調(diào)小風(fēng)量，以降低冷凝器換熱效果的方法提升冷凝壓力，但是，由于制冷劑仍然通過翅片風(fēng)換熱器，當(dāng)，環(huán)境溫度較低時，即使，風(fēng)機全部關(guān)閉，但由于自然對流換熱，可能冷凝壓力仍然較低，長時間運行下，機組仍有可能被迫停機。

2.1.3 采集冷凝壓力，調(diào)節(jié)貯液器加熱器加熱量

圖三 貯液器可調(diào)電加熱器運行方式

如圖三所示，翅片風(fēng)換熱器后安裝冷凝壓力傳感器，貯液器內(nèi)部安裝可調(diào)電加熱器，可調(diào)電加熱可對貯液器內(nèi)制冷劑進行加熱，使冷凝壓力提高，由于可調(diào)電加熱加熱量可調(diào)，可實現(xiàn)冷凝壓力的可調(diào)節(jié)。冷凝壓力傳感器不斷讀取冷凝壓力值，當(dāng)冷凝壓力值低于控制系統(tǒng)設(shè)定值時，控制系統(tǒng)給出信號，開啟一組可調(diào)電加熱，當(dāng)仍然低于時，開啟二組，以此類推，反之，冷凝壓力超過設(shè)定值時，關(guān)閉一組電加熱，當(dāng)仍然高于時，關(guān)閉二組，以此類推。冷凝壓力可保持在設(shè)置壓力值附近，使風(fēng)冷冷水機組在低溫環(huán)境下正常運行。

在此種運行方式中，選擇好貯液器的加熱器的加熱量及加熱器的組數(shù)比較重要，當(dāng)加熱量過大時，會造成冷凝壓力上升過高，過快，甚至高壓保護，加熱量過小時，會造成冷凝壓力上升不到設(shè)定值要求，仍然不能保證長期低溫環(huán)境下的正常運行。加熱器組數(shù)的選取也是一樣，若組數(shù)太多，控制復(fù)雜，組數(shù)太少，可能造成冷凝壓力波動大。

2.1.4 采集冷凝壓力，調(diào)節(jié)分段翅片風(fēng)換熱器的段數(shù)，調(diào)節(jié)冷凝器換熱面積

如圖四所示，翅片風(fēng)換熱器后安裝冷凝壓力傳感器，翅片風(fēng)換熱器為分段式設(shè)計，設(shè)計成n段，每段分別由1個電磁閥控制，翅片風(fēng)換熱器分為幾段，則分配幾個電磁閥，另外翅片風(fēng)換熱器旁連接一旁通路，由電磁閥n+1控制。冷凝壓力傳感器不斷讀取冷凝壓力值，當(dāng)冷凝壓力值低于控制系統(tǒng)設(shè)定值時，控制系統(tǒng)給出信號，關(guān)閉一段冷凝器，當(dāng)仍然低于時，關(guān)閉二段，以此類推，當(dāng)所有段冷凝器均關(guān)閉時，開啟電磁閥n+1，開通旁通路，制冷劑不通過冷凝器，直接由旁通路進入貯液器；反之，冷凝壓力超過設(shè)定值時，開啟一段冷凝器，以此類推。

圖四 分段式翅片風(fēng)換熱器調(diào)節(jié)換熱效果運行方式

在此種運行方式中，翅片風(fēng)換熱器采用分段設(shè)計，分段設(shè)計的目的是可以減掉一部分的換熱面積，使得冷凝器換熱效果下降，冷凝壓力提高。分段數(shù)越多，控制越精確，但也越復(fù)雜，所以，同上，選擇好分段數(shù)在這種運行方式中很重要。

2.1.5 采集冷凝壓力，調(diào)節(jié)電動三通閥制冷劑流量分配

圖五 三通流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)制冷劑流量運行方式

如圖五所示，壓縮機后安裝三通流量調(diào)節(jié)閥，翅片風(fēng)換熱器后安裝冷凝壓力傳感器。三通流量調(diào)節(jié)閥一頭連接壓縮機，另外兩頭分別連接翅片風(fēng)換熱器和貯液器。從壓縮機排出的制冷劑經(jīng)過三通流量調(diào)節(jié)閥，三通流量調(diào)節(jié)閥將制冷劑分配一部分給翅片風(fēng)換熱器換熱冷凝，另一部分則通過旁通路直接進入貯液器。當(dāng)環(huán)境溫度高時，冷凝壓力高，此時，三通流量調(diào)節(jié)閥將所有制冷劑分配給翅片風(fēng)換熱器，旁通路關(guān)閉。冷凝壓力傳感器不斷讀取冷凝壓力值，當(dāng)冷凝壓力值低于控制系統(tǒng)設(shè)定值時，控制系統(tǒng)給出信號，調(diào)節(jié)三通流量調(diào)節(jié)閥的開啟度，逐漸調(diào)小通往翅片風(fēng)換熱器的制冷劑量，調(diào)大通往旁通路的制冷劑量，反之，冷凝壓力超過設(shè)定值時，逐漸調(diào)大通往風(fēng)換熱器的制冷劑量，調(diào)小通往旁通路的制冷劑量。

在此種運行方式中，采用連續(xù)可調(diào)的三通流量調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)制冷劑流量的方法達到提高冷凝壓力的目的，這種方式與第一種方式較相似，但該方法可達到平滑連續(xù)可調(diào)，且直接由壓力傳感器測得的壓力值來控制調(diào)節(jié)量，較精確，不存在突開突關(guān)的冷凝壓力振蕩問題。

2.2 組合方式

顧明思議，組合方式即，利用前面提到的五種單獨運行方式組合到一起進行運行，彌補某一單獨方式的缺陷，更加完善的解決低溫運行問題，下面闡述幾種常用的組合方式。

2.2.1 采集冷凝壓力，調(diào)節(jié)變頻軸流風(fēng)機風(fēng)量和貯液器電加熱器加熱量

圖六 變頻軸流風(fēng)機+貯液器加熱器運行方式

如圖六所示，翅片風(fēng)換熱器采用變頻軸流風(fēng)機換熱，翅片風(fēng)換熱器后安裝冷凝壓力傳感器，在貯液器內(nèi)部安裝可調(diào)加熱器。利用變頻軸流風(fēng)機調(diào)節(jié)風(fēng)量與制冷劑在貯液器內(nèi)加熱雙重調(diào)節(jié)方式，風(fēng)量調(diào)節(jié)優(yōu)先，貯液器內(nèi)電加熱器調(diào)節(jié)次之。這種調(diào)節(jié)方式，可以彌補風(fēng)量調(diào)節(jié)而遇到的超低溫運行問題，另外，由于同時風(fēng)量調(diào)節(jié)優(yōu)先，在風(fēng)量調(diào)節(jié)遇到問題時，采用貯液器加熱器，所以比單獨配置貯液器加熱器時所需的加熱量少得多，這樣也較易調(diào)節(jié)。

2.2.2 采集冷凝壓力，調(diào)節(jié)變頻軸流風(fēng)機風(fēng)量和分段式翅片風(fēng)換熱器

如圖七所示，翅片風(fēng)換熱器換熱采用變頻軸流風(fēng)機抽取空氣換熱，翅片風(fēng)換熱器后安裝冷凝壓力傳感器，翅片風(fēng)換熱器采用分段式設(shè)計。利用變頻軸流風(fēng)機調(diào)節(jié)風(fēng)量與分段式翅片風(fēng)換熱器的段數(shù)的雙重調(diào)節(jié)方式，風(fēng)量調(diào)節(jié)優(yōu)先，翅片風(fēng)換熱器段數(shù)調(diào)節(jié)次之；這是其中一種調(diào)節(jié)方式，另一種，就是分段式翅片風(fēng)換熱器段數(shù)調(diào)節(jié)優(yōu)先，風(fēng)量調(diào)節(jié)次之；還有一種，可以兩者同時調(diào)節(jié)，但此種調(diào)節(jié)控制邏輯較難完成，如若出錯，可能造成反向效果。

圖七 變頻軸流風(fēng)機+分段式翅片風(fēng)換熱器運行方式

2.2.3 采集冷凝壓力，調(diào)節(jié)變頻軸流風(fēng)機風(fēng)量和電動三通閥制冷劑流量分配

如圖八所示，翅片風(fēng)換熱器換熱采用變頻軸流風(fēng)機抽送空氣進行換熱，翅片風(fēng)換熱器后安裝冷凝壓力傳感器，翅片風(fēng)換熱器前安裝電動三通流量調(diào)節(jié)閥。利用變頻軸流風(fēng)機調(diào)節(jié)風(fēng)量與電動三通流量調(diào)節(jié)閥制冷劑流量調(diào)節(jié)的雙重調(diào)節(jié)方式。風(fēng)量調(diào)節(jié)和三通流量調(diào)節(jié)閥的制冷劑流量調(diào)節(jié)都是連續(xù)平滑的，若調(diào)節(jié)控制完成的好，此種調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)精度最好，但若調(diào)節(jié)控制未做好，則可能造成反向效果。

圖八 變頻軸流風(fēng)機+三通流量調(diào)節(jié)閥運行方式

3 結(jié)論

上述提到的方法，有的直接調(diào)節(jié)通過翅片風(fēng)換熱器制冷劑流量，有的減小翅片風(fēng)換熱器的實際使用換熱面積，有的減小風(fēng)量以降低翅片風(fēng)換熱器換熱效率，有的則對冷凝后制冷劑加熱以提高冷凝壓力，各種方式的最終目的是使得低溫環(huán)境下本應(yīng)較低的冷凝壓力得以提高，滿足壓縮機工作條件，使得即使低溫條件下，壓縮機也能正常啟動工作。

但各種方法均有其利弊。如：采用機械式冷凝壓力調(diào)節(jié)閥和冷凝壓力旁通閥方式，會造成冷凝壓力振蕩，在較低溫環(huán)境下，不能夠長期運行，且閥動作頻繁導(dǎo)致容易損壞，需經(jīng)常更換；而采用貯液器加熱器的方式雖提高冷凝壓力明顯，但不好掌握加熱量，容易造成冷凝壓力超高，較危險，且控制復(fù)雜；用變頻風(fēng)機風(fēng)量調(diào)節(jié)方式較安全，但在較低溫環(huán)境中，由于自然換熱，仍然不能保證一定正常工作；用分段式冷凝器的方式，可以使得換熱面積減小，但分段數(shù)太少，則作用不大，分段數(shù)較多，則電磁閥組多，控制復(fù)雜不說，制作方面也較復(fù)雜；利用三通流量調(diào)節(jié)閥的方法可以解決分段式冷凝器的問題，連續(xù)平滑調(diào)節(jié)通過翅片風(fēng)換熱器制冷劑流量，但由于三通流量調(diào)節(jié)閥的自身特點，它的調(diào)節(jié)曲線并非線性，而是曲線，在某個點的調(diào)節(jié)時，可能造成制冷劑的突然增大或者減小，調(diào)節(jié)并不完全能如控制所愿；組合式方法可以有效地解決單一方式所帶來的問題，但是，仍然會有控制方面的優(yōu)先級別問題，熱量匹配問題等等。所以考慮運行方式時，可根據(jù)自己的使用環(huán)境特點來選擇，若使用地區(qū)低溫環(huán)境溫度并不是太低，則可選擇單一方式即可，若使用地區(qū)溫度較低，則應(yīng)該選擇組合方式。另外，控制系統(tǒng)的設(shè)計在機組運行上也至關(guān)重要，選擇運行方式時，最好能多做試驗，了解實際運行情況的規(guī)律，以便匹配最好的控制設(shè)計。

[1]張華俊，等.小型風(fēng)冷式冷熱水機組的現(xiàn)狀和發(fā)展，建筑節(jié)能，2003.5.

[2]彥啟森.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù).2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[3]尉遲斌主編，實用制冷與空調(diào)工程手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2001.9.

[4]丁國良，伏龍.全年供冷的風(fēng)冷冷水式機組問題分析與解決，建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004年，第23卷第2期.

[5]郎鐵軍，潘翠玉，等.一種可全年供冷的節(jié)能型風(fēng)冷冷水機組的研制.

[6]郎鐵軍.風(fēng)冷冷水機組全年供冷方案的比較，制冷空調(diào)與電力機械，2003.03.

[7]吳瑾.一種可低溫環(huán)境下運行的風(fēng)冷冷水機組，CN101738029A.