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機(jī)房制冷空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

發(fā)布時(shí)間:2019-09-23

1、飽和溫度和飽和壓力
        在密閉容器里,從液體中脫離出來(lái)的分子,不可能擴(kuò)散到其他空間,只能聚集在液體上面的空間。這些分子相互間作用及與容器壁和液體表面碰撞,其中的一部分又回到液體中去。在液體開(kāi)始汽化時(shí),離開(kāi)液面的分子數(shù)大于回到液體里的分子數(shù),這樣,液體上起空間內(nèi)蒸氣的密度就逐漸增大,這時(shí)回到液體里的分子數(shù)也開(kāi)始增多。最后達(dá)到在同一時(shí)間內(nèi),從液體里脫離出來(lái)的分子數(shù)與返回液體里的分子數(shù)相等,這時(shí)液體就和它的蒸氣處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),蒸氣的密度不再改變,達(dá)到了飽和。在這種飽和狀態(tài)下的蒸氣叫作飽和蒸氣,此飽和蒸氣的壓力叫作飽和壓力。飽和蒸氣或飽和液體的溫度稱為飽和溫度。
        動(dòng)態(tài)平衡是有條件的,是建立在一定溫度或壓力條件下的,如條件有所改變,則平面就被破壞,在經(jīng)過(guò)一定的溫度、壓力條件下,又會(huì)出現(xiàn)新條件下的飽和狀態(tài)。對(duì)于不同的制冷劑,在相同飽和壓力下,其飽和溫度各不相同。通常所說(shuō)的沸點(diǎn),就是指飽和溫度。

2、蒸發(fā)、沸騰、冷凝和汽化
        物質(zhì)分子可以聚集成固、液、氣三種狀態(tài),簡(jiǎn)稱物質(zhì)的三相態(tài)。在一定條件下,物質(zhì)可相互轉(zhuǎn)化,稱為物態(tài)變化。
        從液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)的相變過(guò)程,是一個(gè)吸熱過(guò)程。液態(tài)制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器中不斷地定壓汽化,吸收熱量,產(chǎn)生制冷效應(yīng)。根據(jù)汽化過(guò)程的機(jī)理不同,汽化可分為蒸發(fā)和沸騰兩種形式。
        在任何溫度下,液體自然表面發(fā)生汽化的現(xiàn)象叫作蒸發(fā)。例如,水的自然蒸發(fā)、衣服的晾干過(guò)程。在相同的環(huán)境下,液體溫度越高,表面越大,蒸發(fā)進(jìn)行得就越快。
        液體表面和內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行的劇烈汽化的現(xiàn)象叫作沸騰。當(dāng)對(duì)液體加熱,并使該液體達(dá)到一定溫度時(shí)(如水燒開(kāi)時(shí)),液體內(nèi)部便產(chǎn)生大量氣泡,氣泡上升到液面破裂而放出大量蒸氣,即沸騰,此時(shí)的溫度就叫沸點(diǎn)。在沸騰過(guò)程中,液體吸收的熱量全部用于自身的容積膨脹而相變,故氣液兩相溫度不變,制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收了被冷卻物體的熱量后,由液態(tài)汽化為蒸氣,這個(gè)過(guò)程是沸騰。但在制冷技術(shù)中,習(xí)慣上稱為蒸發(fā)溫度。
        物質(zhì)從氣態(tài)變成液態(tài)的過(guò)程叫作冷凝(或凝結(jié)),也稱液化。例如,水蒸氣遇到較冷的物體就會(huì)凝結(jié)成水滴。例如,在制冷系統(tǒng)中,壓縮機(jī)排出高溫、高壓的氣體,在冷凝器中通過(guò)空氣或水冷凝成液體。冷凝時(shí)制冷氣體放出來(lái)的熱量由空氣或水帶走,這就是冷凝過(guò)程。冷凝是汽化的相反過(guò)程,在一定壓力下,蒸氣的冷凝溫度與液體的沸點(diǎn)相等,蒸氣冷凝時(shí)要放熱,1 kg蒸氣冷凝時(shí)放出的熱量,等于同一溫度下液體的汽化潛熱。
        物質(zhì)從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程叫作升華。例如,用二氧化碳加壓制成的干冰,在常溫下,很快就變成二氧化碳?xì)怏w,這就是升華過(guò)程。

3、顯熱與潛熱
        顯熱是指一種物質(zhì)在吸熱或放熱的過(guò)程中,只改變溫度而不改變物質(zhì)形狀的熱量。人們可以用“顯”這個(gè)字來(lái)形容熱,是因?yàn)檫@種熱可以用手感覺(jué)出來(lái),也可用溫度計(jì)測(cè)量出來(lái)。例如,水壺中的水加熱,在未沸騰前,水溫升高時(shí)所吸收的熱量,即為顯熱;又如,在夏天將剛洗好的衣服掛在衣架上,衣服受熱空氣加熱而干了,但衣服未發(fā)生形態(tài)變化,這種熱也為顯熱。人們使用空調(diào)器使室內(nèi)溫度下降,這也是一種明顯的顯熱變化。
        潛熱是指一種物質(zhì)在吸熱或放熱的過(guò)程中,只改變物質(zhì)形狀而不改變溫度的熱量。這種熱不能用手感覺(jué)出來(lái)也不能用溫度計(jì)測(cè)量出來(lái),由于人們感覺(jué)不到,好似隱藏的熱,因此用“潛”字來(lái)形容它為潛熱。例如,在常壓下,把水加熱到沸點(diǎn)100℃,這時(shí)水吸收的熱即為潛熱。在加熱過(guò)程中,雖然水吸收熱量后溫度不變,但是物質(zhì)卻發(fā)生了變化,由液體變成了水蒸氣。
        根據(jù)物質(zhì)的吸熱或放熱過(guò)程,有兩種潛熱區(qū)別:一種是由液體變?yōu)闅怏w的稱為汽化潛熱,如水加熱變成水蒸氣,汽化潛熱為2.26MJ/kg(540 kcal/kg);另一種是由固體變成液體的稱為溶解潛熱,如冰加熱變?yōu)橐后w,溶解潛熱為0.335MJ/kg(80kcal/kg)。

4、制冷量
        空調(diào)器上有一個(gè)重要的指標(biāo),就是“制冷量”。它就是空調(diào)器的“大小”,就像電視機(jī)講的屏幕尺寸大小一樣,空調(diào)器也有大小的區(qū)別,除了外觀可能有的大小不同以外,實(shí)際上唯一重要的“大小”指標(biāo),就是指這個(gè)“制冷量”。制冷量是指空調(diào)器在進(jìn)行制冷運(yùn)行時(shí),單位時(shí)間內(nèi)從密閉空間、房間或區(qū)域內(nèi)去除的熱量總和。制冷量大的空調(diào)器適用于面積比較大的房間,且制冷速度較快。以15㎡的居室面積為例,使用額定制冷量為2500W右的空調(diào)器比較合適。

5、能效比
        空調(diào)能效,通常是家用空調(diào)器制冷能效比(EER)的代稱,是額定制冷量與額定功耗的比值。此外,冷暖式家用空調(diào)器還包含制熱能效比(COP)這個(gè)概念,指的是額定制熱量與額定功率的比值。但是,就我國(guó)絕大多數(shù)地域的空調(diào)使用習(xí)慣而言,空調(diào)制熱只是冬季取暖的一種輔助手段,其主要功能仍然是夏季制冷,所以,我們一般所稱的空調(diào)能效通常指的是制冷能效比(EER),國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也以此為劃定能效等級(jí)的依據(jù)。
        EER是空調(diào)器的制冷性能系數(shù),也稱能效比,表示空調(diào)器的單位功率制冷量,數(shù)學(xué)表達(dá)式為

EER=制冷量/制冷消耗功率

        通俗地說(shuō),空調(diào)能效就是消耗同樣多的電能所產(chǎn)生的冷氣/暖氣有多少,能效越高的空調(diào)器越省電。所以,空調(diào)能效是衡量空調(diào)器性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。
2005年,我國(guó)頒布了空調(diào)產(chǎn)品能效比的標(biāo)準(zhǔn),將普通定速空調(diào)器的能效比分為五個(gè)等級(jí)。2010年6月1日,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布 《房間空氣調(diào)節(jié)器能效國(guó)家標(biāo)示準(zhǔn)》,將原有空調(diào)能效的五個(gè)等級(jí)變更為三個(gè)等級(jí)。

6、數(shù)據(jù)中心能源利用率
        目前就職于微軟數(shù)據(jù)中心的最有影響力的專家 Christian Belady在2006年提出數(shù)據(jù)中心能源利用率(PUE)的概念,如今,PUE已發(fā)展成為一個(gè)全球性的數(shù)據(jù)中心能耗標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)中心的PUE的值等于數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗的比值,比值越小,表示數(shù)據(jù)中心的能源利用率越高,該數(shù)據(jù)中心越符合低碳、節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。
        以前國(guó)內(nèi)一些小線模的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心,PUE值可能高達(dá)3左右,這意味著IT設(shè)備每消耗1w電能,數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施便需要消耗2W電能。目前,在建的機(jī)房都是按照PUE值等于1.5的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃的。就目前來(lái)看,全球最節(jié)能的五個(gè)數(shù)據(jù)中心分別如下。

1.雅虎“雞窩”式數(shù)據(jù)中心(PUE=1.08)
        雅虎在組約洛克波特的數(shù)據(jù)中心,位于紐約州北部不遠(yuǎn)的尼亞加拉大瀑布,每幢建筑看上去就像一個(gè)巨大的雞窩,該建筑本身就是一個(gè)空氣處理程序,整個(gè)建筑是為了更好地“呼吸”,由一個(gè)很大的天窗和阻尼器來(lái)控制氣流。

2.Facebook數(shù)據(jù)中心(PUE=1.15)
         Facebook的數(shù)據(jù)中心采用新的配電設(shè)計(jì),免除了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心不間斷電源(UPS)和配電單元(PDUs),把數(shù)據(jù)中心的UPS和電池備份功能轉(zhuǎn)移到機(jī)柜,每個(gè)服務(wù)器電力供應(yīng)增加了一個(gè)12V的電池。同時(shí) Facebook也在使用新鮮空氣進(jìn)行自然冷卻。

3.Google比利時(shí)數(shù)據(jù)中心(PUE=1.16)
         Google比利時(shí)數(shù)據(jù)中心竟然沒(méi)有空調(diào)器。根據(jù)谷歌公司工程師的說(shuō)法,比利時(shí)的氣候幾乎可以全年支持免費(fèi)的冷卻,平均每年只有7天氣溫不符合免費(fèi)冷卻系統(tǒng)的要求。夏季布魯塞爾最高氣溫達(dá)到66-71℉(19~22℃),然而谷歌數(shù)據(jù)中心的溫度超過(guò)80℉(27℃)。

4.急晉英國(guó)溫耶德數(shù)據(jù)中心(PUE=1.16)
         惠普英國(guó)溫耶德數(shù)據(jù)中心利用來(lái)自北海的涼爽海風(fēng)進(jìn)行冷卻。

5.微軟都柏林?jǐn)?shù)據(jù)中心(PUE=1.25)
        微軟愛(ài)爾蘭都柏林?jǐn)?shù)據(jù)中心,采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的“免費(fèi)冷卻”系統(tǒng)和熱通道控制機(jī)柜,使其PUE值遠(yuǎn)低于微軟其他數(shù)據(jù)中心的1.6。
        由此可以看出,降低PUE最有效的措施是采用免費(fèi)自然制冷措施和替代傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)。對(duì)于數(shù)據(jù)中心,其能耗一般由IT設(shè)備能源消耗、UPS轉(zhuǎn)化能源消耗、制冷系統(tǒng)能源消耗、照明系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗及門禁、消防、閉路電視監(jiān)控等弱電系統(tǒng)能源消耗五部分組成。如果需要降低PUE的值,就需要從以下四個(gè)方面采取措施。
(1)采用轉(zhuǎn)換效率高的UPS系統(tǒng)。目前,新一代數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)基本采用新型的高頻(IGNT技術(shù))UPS系統(tǒng),電源轉(zhuǎn)換效率和功率因數(shù)與傳統(tǒng)的工頻(品閘管技術(shù))UPS系統(tǒng)相比都有非常大的提升,而且質(zhì)量輕和體積小。由于UPS的電源轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載率成正向關(guān)系,因此在設(shè)計(jì)和運(yùn)維時(shí)要盡可能提高UPS的負(fù)載率。目前,國(guó)內(nèi)電信和聯(lián)通都在提倡使用高壓直流UPS系統(tǒng),取消了傳統(tǒng)意義上UPS的逆變功能,不僅電源轉(zhuǎn)換效率提高3%-5%而且可靠性大大提高。例如,,Google和 Facebook干脆在數(shù)據(jù)中心取消了傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng),把電池和服務(wù)器的電源相結(jié)合,在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)完全沒(méi)有額外的能源消耗。
(2)采用高效節(jié)能的綠色制冷系統(tǒng)。主要是采用水冷空調(diào)器和自然制冷措施。
(3)采用LED綠色節(jié)能光源取代或部分取代傳統(tǒng)光源,據(jù)了解,日前在某些數(shù)據(jù)中心的部分機(jī)柜上已經(jīng)安裝LED光源。另外就是運(yùn)維管理,做到人走燈關(guān),根據(jù)人員情況確定新風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和風(fēng)量。
(4)弱電系統(tǒng)總的能源消耗很小,一般不需要過(guò)多關(guān)注。但是如果有可能的話,最好采用集中的高效直流供電系統(tǒng),因?yàn)橐话惴植际降男⌒椭绷麟娫聪到y(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低,功率因數(shù)也低。


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