自然冷源应用几种方式简要分析.docx
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自然冷源应用几种方式简要分析
自然冷源应用几种方式分析
一、 freecooling冷却方式
这种节能技术原理就是利用室外的自然环境冷源，当室外空气温度低于室内温度一定程度时，通过相应的技术手段将室外冷源引入机房内，把机房的热量带走，达到降低机房温度的目的。
从而减少机房空调的使用时间，达到节约电能的目的。
利用室外冷源的方式主要有五种方式：
1、直接引入式新风系统
直接将室外新风送入机房内，当室外空气温度较低时，可以直接将室外低温空气送至室内，为室内降温。
当室外温度高不足以带走室内热量时，则仍然开启空调工作。
2、热回收式新风换气机新风系统
使用显热或全热交换器利用室外新风的作为冷源带走热量，室外空气并不直接进入室内；而是和室内空气在显热或全热交换器内换热后在排出室外。
3、乙二醇干冷器热交换系统
乙二醇溶液通过干冷器与室外冷空气进行热交换，将其自然冷却获取冷量，再由循环泵把低温乙二醇溶液送入机组内表冷器冷却室内回风空气，最后由送风机将冷却后的空气送入室内。
4、热管技术
热管导热能力很高，为良导热体银、铜的当量导热系数的几百倍甚至几千倍，能在温差极小情况下传递大量热流，故有超导热体之称。
目前，热管技术主要应用于航空、军事和工业导热领域。
热管的基本结构如下图所示，它由外壳容器、吸液芯（也有热管不带吸液芯）和载热工作介质三部分构成。
在轴向分为蒸发、冷凝、绝热三段（通常无绝热段）。
图示一热管原理图
图示二热管系统工作原理图
热管工作时，外部热源使蒸发段受热后毛细吸液芯的工质汽化，由于不断产生蒸汽，因而压力较高，依靠压差使蒸汽经热管中间通道迅速流向冷凝段，冷凝成流体释放出等量的冷凝潜热。
在管芯毛细力作用下流体又回到蒸发段，通过这种反复循环过程传输比一般方法大得多的热流。
热管是可将大量热量通过很小的截面面积高效传输且无需外加动力。
热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。
热管内强的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。
5、水冷板式热交换
大型数据中心应用较多。
1） 直接引入式新风系统
图1为直接利用室外冷空气进行空气处理过程的i-d图.由于机房的空调送风温度不得低于机房空气的露点温度,所以首先要对室外空气进行加热
（及过程①）,使送风温度达到t=10℃;过程②是冬季干燥空气的加湿的过程;过程③是利用送风温差进行吸热（制冷）的过程.
下面对空气处理过程的能耗进行分析.
室外冷空的加热过程可以写成:
Qj=L*G*ρ*（th-tW）---
（1）
注:
Qj-所需加热量（KJ/h）
L-机组风量（m³/h）
G-空气的比热（1.01KJ/KG·℃）
ρ-空气比重（kg/m³）
Th-送风温度（℃）
tW-室外空气计算温度（℃）
空气的加湿量可以写为:
W=L*（dn-dw）/1000---
（2）
注:
W-所需的加湿量（kg/h）
dn-室内空气含湿量（g/kg）
dw-室外空气含湿量（g/kg）
机房专用空调通常使用电极式加湿,电极式加湿器每小时、每千克加湿量耗电0.74KW,所以,电极式加湿器的耗电为:
N=W/0.74=L*（dn-dw）/740---（3）
室外冷空气的有效制冷量为:
Ql=L*G*ρ*（tn-th）---（4）
注:
Ql-有效制冷量（KW）
tn-室内温度（℃）
空气处理过程的能耗分析:
从i-d图中可以知道,tn=10℃、tW=-29℃、ρ=1.2将这些数据代入式⑴、式⑵、式⑶和式⑷可以得到:
Qj=L*1.01*1.2*（10+29）/3600=0.0131L
Ql=L*1.01*1.2*（20-10）/3600=0.00334L
N=L*（6.7-0.3）/740=0086L
由上述计算结果可以得到:
Qj/Ql=0.0131L/0.00334L=3.8
N/Ql=0.0086L/0.00334L=2.5
通过以上计算可以得出如下结论:
在室外气温-29℃,若引入室外冷空气满足交换机房室内的温湿度,虽然利用了自然冷源,但是要花费所节省冷量3.8倍能量去加热冷空气,以保证送风温度不低于露点温度;另外还需要花费所有冷量2.5倍能量保证机房环境湿度的要求.当室外温度随季节从最低温度从最低逐渐升高时,加热所花费的能量逐渐减少,当室外温度达到10℃,不需要加热,但是仍花费的能量去加湿.
综上所述,利用室外丰富冷源对通信机房降温,必须解决对新风的二次加热和加湿问题,否则不会达到节能效果。
因此,采用智能型新风引入节能空调在引入室外空气低于10℃时，将引进的室外冷空气与室内空气混合后在送入室内，同时使用湿膜加湿器对室内空气进行等焓加湿,保证机房环境的温湿度。
由于湿膜加湿器消耗电能极少，可以克服上述论证的引入室外冷空气消耗大量能源进行加热和加湿的问题。
从而在室外环境温度较低时将室外冷空气引入机房降温成为现实，可以部分取代专用空调机,节约大量能源。
这种新风混合配合湿膜加湿器的空调机组,其本身能耗低,在配套使用先进的自动控制系统,提高其可靠和稳定性.在适合的室外条件下,可以作为机房空调的补充.在北京地区可降低机房空调能耗46%以上.这样的空调在技术上是可行的,在条件适合时,完全可以取代机房空调的工作,会给企业带来巨大的经济效益.
智能型新风引入节能空调机组采用了变频调速混风、微机智能控制和湿膜加湿等空调领域先进技术研制开发的机电一体化产品。
其原理是：
充分利用室外环境低温时的丰富冷空气与机房内高温空气混合，控制送风温度在露点温度以上，并根据机房发热负荷的变化调节进风量，保证机房内的温度在要求的范围内；同时通过湿膜加湿器等焓加湿对机房内湿度进行控制，取代机房空调耗能高的电极式加湿器。
从而在室外环境温度较低时（低于10℃），可以取代专用空调工作，节约大量能源。
2）热回收式新风换气机新风系统
热回收新风换气机就是将室内污浊空气排到室外的同时，将室外的新鲜空气送入室内，利用室外空气的温度差，将室内的部分冷（热）量进行回收的一种置换式通风换气装置。
精密机房要求恒温恒湿，而机房内由于存在大量的发热设备，所以即使在冬季仍然需要利用空调制冷对机房内的空气进行降温，由此而带来的空调能耗非常大。
如果利用将室外的冷空气直接送入室内、将室内的热空气排出室外的方法给室内降温，势必会使室内的湿度大量流失，同时也影响室内空气的洁净度。
利用热回收换气机的热交换功能可以既保证室内的湿度和洁净度，又能利用室内、外的温差，有效地降低室内的温度，达到节能的目的。
如下图所示，室外的冷空气由室外空气入口进入换气机，经换热器后由排风机排至室外；室内热空气由室内空气入口进入换气机，在经过换热器时被冷却降温后由送风口送入室内，由于其为等湿降温过程，所以，经热交换后送风的温度降低而含湿量不变。
其原理如下图所示：
板式换热器的原理和实物图
3）乙二醇干冷器热交换系统
乙二醇干冷器热交换系统采用间接利用自然冷源的方式，也称其为自然冷却型节能空调。
利用室外干冷器与室外空气换热,在利用乙二醇水溶液作为载冷剂为室内机组节能盘管提供冷源降低机房温度。
该机组采用微电脑控制,当乙二醇回水温度与机房温度相差7℃时,便可以部分利用自然冷源,不足部分由压缩机补充。
当上述温差14℃以上时便可完全取代压缩机制冷,达到节能的目的。
自然冷却型空调是利用乙二醇水溶液冰点低的特性,在冬季用其做载冷剂制冷降温.乙二醇水溶液浓度越高其冰点越低,所以在应用时应根据当地冬季的最低温度调配乙二醇溶液的浓度。
乙二醇水溶液的比热小于水的比热,随着其浓度的增加其比热会进一步降低。
自然冷却型专用空调机组在冬季乙二醇溶液浓度一般为30%,此时其冰点为-28℃,比热为3.412KJ/KG·℃.而在东北地区应用时,乙二醇的配比浓度为50%,此时其冰点为-35℃,比热为2.931KJ/KG·℃。
由此可以看出乙二醇溶液的配比浓度影响其换热能力的大小。
根据传热计算公式可计算出乙二醇溶液和干冷器换热量。
下图所示为自然冷却型节能空调组成示意。
乙二醇溶液的传热量为:
Q1=GCPΔTP
其中Q1为乙二醇水溶液载热量（KW）
G流量（KG/S）
CP比热（KJ/KG·℃）
ΔTP乙二醇与空气间温差
干冷器的散热量为:
Q2=KFΔTP
其中:
Q2为干冷器的散热量（KW）
F为干冷器的散热面积（M²）
从上面的计算公式可以看出,影响乙二醇换热能力的因素有流量和浓度,而干冷器的面积和换热温差是决定机组节能能力的重要因数。
自然冷却型空调,冬季运行时,可以完全停用压缩机,即节能又延长压缩机的使用寿命。
同时,由于采取间接换热方式,运行时不会对机房的洁净度和湿度造成影响。
将乙二醇溶液作为载冷剂，引入室外冷空气中的冷量给内区供冷的方式是一种很节能的空调方式。
只需在室外装设一台板式换热器，运行时，冷水机组关闭，只开启风机和空调机组就能够引入天然冷源给内区供冷，节约了电能，减少了运行费用。
但是，在利用室外冷量给内区供冷的过程中，冷空气要与乙二醇进行热交换，乙二醇再与混合空气进行热交换，经过两次热交换后，冷量损失较大，换热效率不高，一般低于60%.
4） 利用室外冷源的五种方式比较
在利用室外冷源的五种方式中，直接新风引入节能效果最好，但是，机房环境将直接受外界的影响，需要相应的技术措施保证机房的温度、湿度、洁净度满足通信设备运行需要。
另外四种方式均是采用二次热交换的方式利用室外冷源，机房环境不会受外界的影响，而换热器的效率决定节能效果。
五种利用室外冷源方式比较
新风混合
乙二醇干冷器
显（全）热交换
热管换热
水冷板换热交换
机组体积
小
小
大
小
小
洁净度
需控制
不需控制
不需控制
不需控制
不需控制
控制系统
复杂
复杂
简单
简单
复杂
调节手段
引入新风量
流量和风机
新风量
新风量
流量与风机
机组寿命
长
长
短
一般
一般
成本
低
高
低
高
中
节能效果
高
较高
一般
一般
较高
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