机组的基础设计
大连冰山集团设计研究院 王恕清☆ 卢允庄 张为民
摘要 结合制冷、传热、流体力学等基本原理，详细介绍了机房空调的制冷、气流、控制系统的关键部件的计算、选型及设计方案。
关键词 机房空调 恒温恒湿 基础设计
Fo u n d a ti o n f or d e si g n of c o nst a nt t e m p e r a t ur e
a n d h u mi dit y c l os e c o ntr ol u nits
By Wang Shuqing★,Lu Y unzhuang and Z hang Weimin
Abst r a ct Combined wit h t he basic t heories of ref rigeration,heat t ransf er a nd fluid dyna mics,p rese nts in detail t he calculation selection and f oundational designing sche mes f or key p arts of ref rigeration,airflow
a nd cont rol system in CCU.
Keywor ds close cont rol unit,constant te mperature and humidity,f oundational design ★Bingshan Group Institute of Design&Res earch,Dalian,Liaoning Province,China
0 引言
机房空调是单元式工艺空调的一种。主要用在电脑机房、程控机房、恒温恒湿实验室等对室内温度、湿度、洁净度等参数有严格要求的场合。
笔者主要从实用的角度介绍机房空调基础设计部分内容，由于篇幅所限，省略了很多繁复的计算过程(如蒸发器、冷凝器的传热系数K的计算)及相关制冷、传热基础理论。
为使本文的论述更具针对性、更易于理解，拟用10匹双系统直膨式风冷机房空调机组为范例。该机组配置2台5匹压缩机，使用制冷剂R22，机组型号为J H F32(以下简称J HF32机组)。
1 总体设计说明
首先需确定设计工况与总体技术参数。J H F32机组的设计工况依据文献[1](以下简称《机房空调标准》)确定。
《机房空调标准》中规定其室内侧名义工况为23℃,55%，而一般机房的室内侧工况为24℃,50%，且绝大多数进口机房空调产品都按后者标定各项性能参数。因此,J HF32机组以24℃,50%为室内设计工况。另据《机房空调标准》取35℃作为环境温度设计工况，因机房空调室外机始终为冷凝器，不可能出现湿工况，因此对室外环境的空气相对湿度不作特殊要求，相对湿度取60%。
J HF32机组设计工况以及在该名义工况下制冷系统设计参数的初步取值见表1。
需要说明的是，表1中制冷系统设计参数是根
①☆王恕清，男,1975年8月生，工程硕士，工程师
116033辽宁省大连市沙河口区西南路888号冰山集团设计研究院
(0411)86538239
E2mail:wangshuqing@bingshan
收稿日期:2007-08-21
修回日期:2008-06-02
表1 J HF32机组设计工况及初步设计参数
室内侧干球温度/℃24室内侧相对湿度/%50室外侧干球温度/℃35室外侧相对湿度/%60蒸发温度t e /℃9冷凝温度t c /℃45回气过热度Δt rh /℃5供液过冷度Δt sub /℃
6
据机组整体性能设计目标推算出来的，压缩机、两
器(蒸发器和冷凝器)以及风机设计选型确定后需重新校核，校核过程从略。图1是J HF32机组的制冷循环lg p 2h 图
。
图1 J HF32机组制冷循环lg p 2h 示意图
可用Refrigeratio n Utilities 蒸气压缩式制冷
循环计算软件(开发者为M.J.Skuvrup ,H.J.H.Knudsen 和
H.V.Holm ,Dep of Energy
Engineering ,Dt u )对J H F32机组的技术指标进行初步计算(须再估算绝热效率、两器、各管路的压
降等经验数据)，计算结果如图2所示，此结果有一定误差，仅供设计选型参考之用
。
图2 J HF32机组理论计算结果
2 压缩机的选型计算
目前广泛应用于机房空调中的压缩机主要有
两种：美国某公司的空调热泵机组专用ZR 系列压缩机，目前约有90%的机房空调采用该压缩机；丹麦某公司的Performer (百福马)压缩机。
ZR 系列压缩机采用柔性涡旋设计，耐杂质、
液击，可适应各种恶劣工况，但噪声较大;Performer 压缩机则不采用柔性涡旋设计，因此涡
盘间隙更小，制冷剂泄漏较少，容积效率更高，噪声更低，价位约比ZR 系列低5%。本文中的J HF32机组选用ZR 系列压缩机。
由于J H F32机组采用围绕压缩机进行系统匹配的设计思路，因此，压缩机型号直接确定为
ZR61KC 2TFD (5匹)，数量2台。
压缩机选择完毕，随之而来的问题是：压缩机的输出冷量及功耗是多少?冷量与功耗是两器及风机设
计选型所必需的关键参数。
本文介绍两种比较简易的压缩机冷量计算方法。
1)经验估算法
对于普通空调来说，平均1匹压缩机输出的冷量约为2300～2500W ；而机房空调由于两器、风量的配置都比较大，压缩机的输出冷量也相对较大，一般1匹压缩机的输出冷量为2600～3200
W ，本文取3200W 。当然，一般要经过试验测试
结果来校验冷量的估算值是否准确，这种方法对设计者经验要求较高，而且误差较大，估算结果仅供参考。
2)性能曲线法
压缩机厂家提供的技术参数中包括压缩机在不同的蒸发温度、冷凝温度、过热度、过冷度下的冷量变化，美国公司将上述数据集成到压缩机选型计算软件中，使用方便。
理财产品风险等级将第1章确定的参数:t e =9℃,t c =45℃,Δt rh =5℃,Δt sub =6℃输入压缩机性能计算软件中，计算结果如图3所示。
图3 ZR61压缩机技术参数计算结果
在压缩机的选型计算软件中可查到在选定工况下压缩机的冷量、消耗功率、电流、质量流量、能效比、绝热效率等技术参数。
由图3可知:1台ZR61(5匹)压缩机输出冷量Q ys=16.3kW；消耗功率P yx=3.7kW。
考虑部分冷量损失,2台ZR61KC压缩机所输出的总冷量Q′0=2×Q ys≈32kW;2台压缩机消耗功率P tyx=7.4kW。
针对具体的压缩机，上述数据比理论计算值准确。
需特别强调的是，对常规的送风机电动机置于室内机柜中的机房空调而言，机组的总冷量为压缩机输出的总冷量扣除因送风机耗功转化为热量所抵消的冷量,J H F32机组送风机的功耗约2 kW，因此,J HF32机组的总冷量Q0=30kW。
3 送风机的选型与相关计算
3.1 送风机简介
机房空调中送风机的作用是把压缩机经蒸发器释放出来的冷量输送到空调环境中，并使气流在空调环境中吸收热量，温度升高后经过过滤器回流至蒸发器，实现以机房空调为核心的气流循环流动，达到调节环境温度、湿度、洁净度的目标。
送风机的合理选型至关重要，主要原因是:
1)送风机是机房空调机组运行期间所有工作部件中唯一需要连续运转的部件。一旦送风机不能正常送风，机房空调就无法实现其功能。
2)送风机的功耗虽然只有压缩机功耗的30%左右，但其运行时间却是压缩机的5倍以上!因此，风机的运行电耗绝对不能忽视，选型过大，将大大增加机房空调的运行费用。
3)机房空调室内机的最大噪声源不是压缩机而是送风机。而《机房空调标准》对冷量在28kW 以上的空调室内机A声级噪声限值为71dB，而在有的公司招标文件中规定空调制冷时室内机的风量小于28000m3/h时A声级噪声应低于60dB。即使考虑到机柜的隔声作用，风机本身的噪声也不应超过噪声限值的15%，否则，将造成机房空调的结构设计困难或机组噪声超标。
机房空调中常用的送风机均为离心风机，主要有皮带传动式和外转子直联式两类。皮带传动式离心风机可灵活配置电动机和叶轮，以适应不同环境的风量、阻力要求，但风机体积较大，且传动装置故障
率较高；而外转子离心风机则由于电动机与转子直联，运行可靠性较高，对不同运行环境的适应性问题已有成熟的解决方案，并且这种风机体积小，在空调机柜内布置方便，因此在机房空调中得到越来越多的应用。外转子直联式离心风机主要分双侧进风前向离心有涡壳风机和单侧进风后向离心无涡壳风机两类。
3.2 送风机的选型
要确定风机型号，首先应确定风机风量和压头。
通过对多个机房空调运行情况的分析，笔者认为机房空调的合理冷风比应在Ψ=3～4W/ (m3/h)左右(此值与国标推荐值稍有差异)，这里取Ψ=3.0W/(m3/h)。
则风机的送风量V s=Q0÷Ψ=30000W÷3.0W/(m3/h)=10000m3/h。
送风机的压头计算见表2。
表2 J HF32机组送风机压头计算
湿工况下每排肋片压降/Pa1)35～40
电影演员潘虹干工况下每排肋片压降/Pa1)30～35
蒸发器的肋片排数4
蒸发器的最大压降Δp z/Pa160
G4级粗效过滤器压降Δp G/Pa100
机外余压Δp jw/Pa1002)
送风机总压头(静压)p s/Pa3603)
1)表中数据为通过对多种同型号机房空调的现场测量而得到
的统计值;
2)机外余压用以克服送回风管道阻力，表中机外余压取值依据
《机房空调标准》;
3)p s=Δp z+Δp G+Δp jw。
确定送风机风量和压头后，可进行送风机的选型。J H F32机组选择某品牌后向离心无涡壳风机。J H
F32机组的室内机厚度为796mm，查该风机的技术参数表可知，若选择单台风机，要满足机组送风量要求，风机叶轮直径已达630mm左右，与机箱内壁的距离太小，会严重影响风机的工作效率。因此，采用2台小风量风机并联的配置方案。而根据Rosenberg的技术手册可知，只要结构设计得当，保证2台风机出风气流进入风道前不发生干扰，则并联后总风量不会发生衰减，并联后压头等于单台风机压头。由此可确定，单台风机在压头(静压)为360Pa左右时的风量应为5000m3/h。
查该风机的技术参数曲线，可知型号为D KHR45024SW132的风机能够满足设计要求，该风机的性能曲线见图4，在J HF32机组中的大致
图4 某后向离心无涡壳风机性能曲线
工作点用圆圈在图中标出。
魔兽秘籍3.3 送风相关参数的计算
与送风相关的传热计算公式为
Q0=1000cmΔt(1)式中 c为空气的比定压热容，约为1.03kJ/ (kg・℃)，计算过程从略;m为送风的质量流量，约为3.3kg/s，计算过程从略;Δt为送风温度t s与回风温度t h之差,J HF32机组的设计回风温度为t h=24℃;
经计算，得Δt=9.4℃；则送风温度t s=t h-Δt=14.6℃。
4 蒸发器的设计计算
机房空调蒸发器一般为铜管绕铝肋片型。早期较多采用平肋片套紫铜光管的形式，现大多已被传热效率更高的波纹铝肋片套内螺纹紫铜管取代。传热效率更高的波纹条缝肋片也有应用。
J HF32机组蒸发器采用波纹肋片套内螺纹铜管的形式，肋片二次翻边。蒸发器面积的计算采用国内通用的二次面法———以肋片的外表面积为基准。
4.1 蒸发器基本参数的确定
机房空调蒸发器的肋片片距一般取S f=2～2.5mm。一般说来，蒸发器片距越大，气流阻力越小、传热效率越高，但制取相同冷量需要的蒸发器体积也越大(导致整机尺寸也随之增大)、材料成本越高。J HF32机组蒸发器肋片片距取S f=2 mm，片厚取δf=0.115mm。
沈冰近况J HF32机组蒸发器内螺纹紫铜管(Φ10mm×0.35mm)的排列采用等边三角形叉排，管间距S1=25.4mm，列间距S2=22mm。紫铜管的选型排列需要作技术经济分析，是兼顾成本与效率的折衷方案。4.2 蒸发器面积的计算
传热计算公式为
Q′0=KF zθme(2)式中 Q′0为压缩机通过蒸发器所释放的冷量,W;
K为蒸发器的传热系数,W/(m2・℃);F z为蒸发器的总面积,m2;θme为传热温差，取平均蒸发温度与进出蒸发器气流温度的对数温差,℃。
K值可参考文献[2]计算获得，具体计算过程从略。经过实测修正,J HF32机组蒸发器的传热系数K≈35W/(m2・℃)。
蒸发器对数传热温差的计算式为
θ
me=
(t h-t e)-(t s-t e)
ln t h-t e
t s-t e
(3)
由第1章的假设，蒸发温度t e=9℃，过热段在蒸发器中所占比例很小，故本计算采用集总参数法处理，将包含过热段的蒸发过程作为整体考虑。
把第3.3节的计算结果代入式(3)得
θ
me=
(24℃-9℃)-(14.6℃-9℃)
ln24
℃-9℃
14.6℃-9℃
≈9.5℃。
由式(2)可得蒸发器面积
F z=
Q′0
Kθme
=
32000W
35W/(m2・℃)×9.5℃
=96.2m2。
信托投资有风险吗4.3 蒸发器的结构设计
根据第4.1节提供的蒸发器的基本参数和4.2节提供的蒸发器面积数据，可以确定蒸发器的迎风面铜管的数量(即确定蒸发器的高度h z)和平行于气流方向的铜管数量(即确定蒸发器的厚度d z)，并确定铜管的长度(即蒸发器的有效长度l z)。
蒸发器的高度h z和厚度d z以及蒸发器的有效长度l z的确定是一个反复迭代、校核、寻优的过程，本文不作详细分析。
一般认为蒸发器的铜管排数以3～6排为宜，铜管排数太少，蒸发器长度或高度就会增加，造成蒸发器在机柜内布置困难；铜管排数太多，会造成气流经过蒸发器的阻力过大，降低送风量，影响蒸发器的换热效果。
蒸发器的迎风面铜管数量一般以32～40列为宜。若迎风面铜管数量太少，则会使蒸发器长度
增加，从而导致机组长度增加；若迎风面铜管数量太多，蒸发器高度太大，则因重力影响而导致的蒸发器各回路分液不均现象会更加明显，另外蒸发器迎风面的风速不均匀问题会更突出，从而导致蒸发器各回路的换热不均，降低蒸发压力，从而影响机组效率。
结合理论分析与实践经验，并考虑到机组的具体结构,J HF32机组的蒸发器确定为40列4排管。这样蒸发器的高度h z=S1×40=25.4mm×40=1.016m，蒸发器的厚度d z=S2×4=22 mm×4=0.088m。
蒸发器面积的近似算式
F z=h z d z×2l z
S f
(4)
该算式可描述为：蒸发器的面积是单张肋片的两面面积再乘以肋片数量。该算式的结果与蒸发器面积的准确算式相比偏小，偏差约在3%以内，可在计算后加以修正。该算式计算简便，比较实用。
根据式(4)可得
l z=
F z S f
2h z d z
=
96.2m2×0.002m 1.016m×0.088m×2
=1.076m≈1.1m。
至此，蒸发器的整体结构参数完全确定。蒸发器每个制冷回路的铜管布置以及进液回气集管的设计细节，笔者将在另文中详细介绍。
上述烦琐的计算也可以作成可视化计算软件。不过也不能完全依赖计算软件而忽略了对基本设计计算方法的理解与掌握。图5是肖学林编写的一个蒸发器计算软件的计算界面①。
5 机房空调室外机的设计
机房空调室外机包括3部分：冷凝风机、冷凝器、钣金框架。本章主要讨论冷凝风机和冷凝器的选型与设计计算。需要说明的是,J H F32机组为双系统机房空调，所以配置2台完全相同的室外机。
5.1 冷凝器基本参数的确定
机房空调风冷冷凝器与蒸发器都采用铝肋片套铜管形式，结构上有很多相似之处。本章将采用与第4
章蒸发器相类似的方法来讨论冷凝器的
图5 蒸发器设计计算软件界面
设计、计算。
由于冷凝器所处的室外环境空气洁净度不高，灰尘易在肋片上聚集。若冷凝器肋片间距较小，空调运行一段时间，就会由于积灰导致肋片间的气流通道变窄，从而导致冷凝风机风量减少，冷凝器传热效果变差，冷凝温度升高，压缩机功耗增加，在夏季温度较高时易导致机组高压报警。为尽量避免出现这种故障，机房空调冷凝器的肋片片距一般都比蒸发器稍大。J H F32机组冷凝器肋片间距取S f=2.2mm，片厚δf=0.115mm。
J HF32机组冷凝器的其余参数(内螺纹紫铜管、管间距、列间距)与蒸发器基本相同。
5.2 冷凝风机选型与相关热工参数计算
机房空调室外冷凝器所用风机多选轴流风机。这种风机的特点是风量大、压头低，适用于气流阻力比较小的场合。也有少数机房空调的冷凝器在室内，由于冷凝器的进出风通道较长，因此仍需要配置离心风机，本文对此不展开讨论。
为方便生产组织、降低库存成本,J HF系列机组所有室外机均采用一种型号的冷凝风机，通过风机的不同数量组合来满足不同的室外机排
①肖学林.翅片式R22空气蒸发器计算.南京五洲制冷集团公
我们结婚了李弘基藤井美菜司,2006
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