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1、飽和溫度和飽和壓力
在密閉容器里,從液體中脫離出來的分子,不可能擴散到其他空間,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。在液體開始汽化時,離開液面的分子數大于回到液體里的分子數,這樣,液體上起空間內蒸氣的密度就逐漸增大,這時回到液體里的分子數也開始增多。最后達到在同一時間內,從液體里脫離出來的分子數與返回液體里的分子數相等,這時液體就和它的蒸氣處于動態平衡狀態,蒸氣的密度不再改變,達到了飽和。在這種飽和狀態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。
動態平衡是有條件的,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,在經過一定的溫度、壓力條件下,又會出現新條件下的飽和狀態。對于不同的制冷劑,在相同飽和壓力下,其飽和溫度各不相同。通常所說的沸點,就是指飽和溫度。
2、蒸發、沸騰、冷凝和汽化
物質分子可以聚集成固、液、氣三種狀態,簡稱物質的三相態。在一定條件下,物質可相互轉化,稱為物態變化。
從液態轉變成氣態的相變過程,是一個吸熱過程。液態制冷工質在蒸發器中不斷地定壓汽化,吸收熱量,產生制冷效應。根據汽化過程的機理不同,汽化可分為蒸發和沸騰兩種形式。
在任何溫度下,液體自然表面發生汽化的現象叫作蒸發。例如,水的自然蒸發、衣服的晾干過程。在相同的環境下,液體溫度越高,表面越大,蒸發進行得就越快。
液體表面和內部同時進行的劇烈汽化的現象叫作沸騰。當對液體加熱,并使該液體達到一定溫度時(如水燒開時),液體內部便產生大量氣泡,氣泡上升到液面破裂而放出大量蒸氣,即沸騰,此時的溫度就叫沸點。在沸騰過程中,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,制冷劑在蒸發器內吸收了被冷卻物體的熱量后,由液態汽化為蒸氣,這個過程是沸騰。但在制冷技術中,習慣上稱為蒸發溫度。
物質從氣態變成液態的過程叫作冷凝(或凝結),也稱液化。例如,水蒸氣遇到較冷的物體就會凝結成水滴。例如,在制冷系統中,壓縮機排出高溫、高壓的氣體,在冷凝器中通過空氣或水冷凝成液體。冷凝時制冷氣體放出來的熱量由空氣或水帶走,這就是冷凝過程。冷凝是汽化的相反過程,在一定壓力下,蒸氣的冷凝溫度與液體的沸點相等,蒸氣冷凝時要放熱,1 kg蒸氣冷凝時放出的熱量,等于同一溫度下液體的汽化潛熱。
物質從固態直接轉變為氣態的過程叫作升華。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氣體,這就是升華過程。
3、顯熱與潛熱
顯熱是指一種物質在吸熱或放熱的過程中,只改變溫度而不改變物質形狀的熱量。人們可以用“顯”這個字來形容熱,是因為這種熱可以用手感覺出來,也可用溫度計測量出來。例如,水壺中的水加熱,在未沸騰前,水溫升高時所吸收的熱量,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,但衣服未發生形態變化,這種熱也為顯熱。人們使用空調器使室內溫度下降,這也是一種明顯的顯熱變化。
潛熱是指一種物質在吸熱或放熱的過程中,只改變物質形狀而不改變溫度的熱量。這種熱不能用手感覺出來也不能用溫度計測量出來,由于人們感覺不到,好似隱藏的熱,因此用“潛”字來形容它為潛熱。例如,在常壓下,把水加熱到沸點100℃,這時水吸收的熱即為潛熱。在加熱過程中,雖然水吸收熱量后溫度不變,但是物質卻發生了變化,由液體變成了水蒸氣。
根據物質的吸熱或放熱過程,有兩種潛熱區別:一種是由液體變為氣體的稱為汽化潛熱,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,如冰加熱變為液體,溶解潛熱為0.335MJ/kg(80kcal/kg)。
4、制冷量
空調器上有一個重要的指標,就是“制冷量”。它就是空調器的“大小”,就像電視機講的屏幕尺寸大小一樣,空調器也有大小的區別,除了外觀可能有的大小不同以外,實際上唯一重要的“大小”指標,就是指這個“制冷量”。制冷量是指空調器在進行制冷運行時,單位時間內從密閉空間、房間或區域內去除的熱量總和。制冷量大的空調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右的空調器比較合適。
5、能效比
空調能效,通常是家用空調器制冷能效比(EER)的代稱,是額定制冷量與額定功耗的比值。此外,冷暖式家用空調器還包含制熱能效比(COP)這個概念,指的是額定制熱量與額定功率的比值。但是,就我國絕大多數地域的空調使用習慣而言,空調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能效通常指的是制冷能效比(EER),國家的相關標準也以此為劃定能效等級的依據。
EER是空調器的制冷性能系數,也稱能效比,表示空調器的單位功率制冷量,數學表達式為
EER=制冷量/制冷消耗功率
通俗地說,空調能效就是消耗同樣多的電能所產生的冷氣/暖氣有多少,能效越高的空調器越省電。所以,空調能效是衡量空調器性能優劣的重要參數。
2005年,我國頒布了空調產品能效比的標準,將普通定速空調器的能效比分為五個等級。2010年6月1日,國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會發布 《房間空氣調節器能效國家標示準》,將原有空調能效的五個等級變更為三個等級。
6、數據中心能源利用率
目前就職于微軟數據中心的最有影響力的專家 Christian Belady在2006年提出數據中心能源利用率(PUE)的概念,如今,PUE已發展成為一個全球性的數據中心能耗標準。數據中心的PUE的值等于數據中心總能耗與IT設備能耗的比值,比值越小,表示數據中心的能源利用率越高,該數據中心越符合低碳、節能的標準。
以前國內一些小線模的傳統數據中心,PUE值可能高達3左右,這意味著IT設備每消耗1w電能,數據中心基礎設施便需要消耗2W電能。目前,在建的機房都是按照PUE值等于1.5的標準進行規劃的。就目前來看,全球最節能的五個數據中心分別如下。
1.雅虎“雞窩”式數據中心(PUE=1.08)
雅虎在組約洛克波特的數據中心,位于紐約州北部不遠的尼亞加拉大瀑布,每幢建筑看上去就像一個巨大的雞窩,該建筑本身就是一個空氣處理程序,整個建筑是為了更好地“呼吸”,由一個很大的天窗和阻尼器來控制氣流。
2.Facebook數據中心(PUE=1.15)
Facebook的數據中心采用新的配電設計,免除了傳統的數據中心不間斷電源(UPS)和配電單元(PDUs),把數據中心的UPS和電池備份功能轉移到機柜,每個服務器電力供應增加了一個12V的電池。同時 Facebook也在使用新鮮空氣進行自然冷卻。
3.Google比利時數據中心(PUE=1.16)
Google比利時數據中心竟然沒有空調器。根據谷歌公司工程師的說法,比利時的氣候幾乎可以全年支持免費的冷卻,平均每年只有7天氣溫不符合免費冷卻系統的要求。夏季布魯塞爾最高氣溫達到66-71℉(19~22℃),然而谷歌數據中心的溫度超過80℉(27℃)。
4.急晉英國溫耶德數據中心(PUE=1.16)
惠普英國溫耶德數據中心利用來自北海的涼爽海風進行冷卻。
5.微軟都柏林數據中心(PUE=1.25)
微軟愛爾蘭都柏林數據中心,采用創新設計的“免費冷卻”系統和熱通道控制機柜,使其PUE值遠低于微軟其他數據中心的1.6。
由此可以看出,降低PUE最有效的措施是采用免費自然制冷措施和替代傳統的UPS系統。對于數據中心,其能耗一般由IT設備能源消耗、UPS轉化能源消耗、制冷系統能源消耗、照明系統和新風系統的能源消耗及門禁、消防、閉路電視監控等弱電系統能源消耗五部分組成。如果需要降低PUE的值,就需要從以下四個方面采取措施。
(1)采用轉換效率高的UPS系統。目前,新一代數據中心的設計基本采用新型的高頻(IGNT技術)UPS系統,電源轉換效率和功率因數與傳統的工頻(品閘管技術)UPS系統相比都有非常大的提升,而且質量輕和體積小。由于UPS的電源轉換效率和負載率成正向關系,因此在設計和運維時要盡可能提高UPS的負載率。目前,國內電信和聯通都在提倡使用高壓直流UPS系統,取消了傳統意義上UPS的逆變功能,不僅電源轉換效率提高3%-5%而且可靠性大大提高。例如,,Google和 Facebook干脆在數據中心取消了傳統的UPS系統,把電池和服務器的電源相結合,在正常運營時完全沒有額外的能源消耗。
(2)采用高效節能的綠色制冷系統。主要是采用水冷空調器和自然制冷措施。
(3)采用LED綠色節能光源取代或部分取代傳統光源,據了解,日前在某些數據中心的部分機柜上已經安裝LED光源。另外就是運維管理,做到人走燈關,根據人員情況確定新風系統的運行時間和風量。
(4)弱電系統總的能源消耗很小,一般不需要過多關注。但是如果有可能的話,最好采用集中的高效直流供電系統,因為一般分布式的小型直流電源系統轉換效率低,功率因數也低。
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