數據機房空調系統(tǒng)應用創(chuàng)新

趙曉峰，劉玉民，林武雋

（中國電信北京分公司）

0 引 言

隨著國家對節(jié)能減排工作的不斷深入，企業(yè)節(jié)能的力度也在逐步加大，節(jié)能減排在企業(yè)管理中已經占據了至關重要的地位。調查顯示，通信數據機房的運行能耗中，空調耗能達50%左右。為降低數據機房空調耗能，市場上涌現(xiàn)了許多新產品和新技術，如新風節(jié)能空調、冰蓄冷制冷系統(tǒng)、大型水冷空調、變頻制冷空調等，這些產品和技術的節(jié)能效果在實際應用中都得到了驗證。北京電信根據數據機房運維管理經驗，結合北方地區(qū)固有的氣溫變化特征，首次應用水冷自然冷源空調技術來降低數據機房的能耗，經實踐運行，節(jié)能效果十分顯著。

1 水冷自然冷源空調系統(tǒng)的原理及分類

1.1 水冷自然冷源空調系統(tǒng)的原理

在北方地區(qū)，春秋季節(jié)和冬季時間較長，室外氣溫較低，利用這一點，把室外的低溫自然風與冷卻水進行熱交換，冷卻水水溫降至10℃以下，再通過冷卻水循環(huán)泵、板式換熱器與冷凍水進行換熱，把冷量傳給冷凍水，這樣冷凍水就可通過冷凍水循環(huán)泵為需要冷卻的區(qū)域進行冷量供應。水冷自然冷源是在水冷制冷系統(tǒng)上繁衍的一個分支，可充分利用自然界中的冷量，從而實現(xiàn)關閉制冷主機，達到節(jié)能的目的，應用簡單，投資回報高。通過實際運行能耗比對，水冷自然冷源空調系統(tǒng)比普通空調，節(jié)能效率提高51%。如圖1所示。

圖1 水冷自然冷源空調系統(tǒng)原理圖

1.2 水冷自然冷源空調系統(tǒng)的分類

水冷自然冷源空調系統(tǒng)根據低溫冷卻水是否直接送入空調末端設備，劃分成為兩大類：間接供冷系統(tǒng)和直接供冷系統(tǒng)。

1.2.1 水冷自然冷源間接供冷系統(tǒng)

水冷自然冷源間接供冷系統(tǒng)是指系統(tǒng)中冷卻水環(huán)路與冷凍水環(huán)路相互獨立，不相互連接，能量傳遞主要依靠中間板式換熱設備來進行熱交換，這可以保證冷凍水系統(tǒng)環(huán)路的完整性，確保冷凍水水質不發(fā)生變化，減少了排污的水量和加藥處理的環(huán)節(jié)，最大程度的減少了水資源的浪費。但由于間接供冷系統(tǒng)存在中間板式換熱損失，致使供冷效果有所下降，同時間接供冷系統(tǒng)的投資會比直接供冷系統(tǒng)大。在使用自然冷源間接供冷時，將制冷機組關閉，將冷卻水與冷凍水在板式換熱器內進行熱交換，實現(xiàn)間接換熱，冷凍水吸收冷卻水的冷量，而冷凍水的熱負荷由冷卻水帶走，經冷卻塔與室外空氣對流換熱后溫度降低，再經此板式換熱器和冷凍水進行熱交換，周而復始，實現(xiàn)了自然冷源間接供冷。如圖2、圖3所示。

圖2 自然冷源冷卻塔

圖3 水冷自然冷源板式換熱器

1.2.2 水冷自然冷源直接供冷系統(tǒng)

水冷自然冷源直接供冷系統(tǒng)是指在原有空調水系統(tǒng)管路中設置旁通管道，將冷凍水環(huán)路與冷卻水環(huán)路連接在一起的系統(tǒng)，夏季按常規(guī)空調水系統(tǒng)運行，轉入冬季水冷自然冷源直接供冷時，將制冷機組關閉，打開冷凍水旁通閥門，使冷卻水直接進入機房空調進行制冷，其冷卻塔開式閉式均可。采用開式冷卻塔時，冷卻水與外界空氣直接接觸易被污染，隨著冷卻水的循環(huán)，污染物易進入機房空調水管路和表冷器，從而造成表冷器阻塞，所以開式冷卻塔在自然冷源直接供冷系統(tǒng)中應用很少。而采用閉式冷卻塔雖可滿足水質要求，但由于閉式冷卻塔是通過間接蒸發(fā)冷卻原理來實現(xiàn)降溫的，因而傳熱效果受到影響，同時在北方－12℃以下時，其換熱管極容易凍裂，維修非常困難，因此閉式冷卻塔在國內應用的也比較少。

2 水冷自然冷源空調系統(tǒng)的應用概況

目前水冷自然冷源空調系統(tǒng)在國際空調制冷領域上是一項比較創(chuàng)新的制冷方式，但在國內外應用較少，尚處于發(fā)展初期，可廣泛應用在數據機房、食品儲藏、制藥企業(yè)、實驗室等場所，因此發(fā)展前景廣闊。

2.1 水冷自然冷源空調系統(tǒng)的應用分析

2.1.1 水冷自然冷源空調系統(tǒng)的應用計算

水冷自然冷源系統(tǒng)供冷模式取決于室外溫度、節(jié)能效果及投資回收期。根據地區(qū)歷史溫度記錄可以計算出每年可運行自然冷源系統(tǒng)的時間、節(jié)約的資金和投資回收期。假設數據機房空調制冷所需供水水溫為7℃，考慮冷卻塔冷幅度、管路及板式換熱器等熱損失使水溫溫升2.5℃，則可得出：當室外濕球溫度等于或低于10℃時，即可切換為自然冷源系統(tǒng)供冷模式。水冷自然冷源系統(tǒng)中冷卻塔應以夏季冷負荷及夏季室外計算濕球溫度來進行選型，同時還應對自然冷源系統(tǒng)供冷模式下的供冷能力進行校核，計算方法可以用焓濕圖計算，也可以采用簡單的概算法。

2.1.2 水冷自然冷源空調系統(tǒng)的安裝與運行管理

在直接供冷系統(tǒng)中，冷卻水環(huán)路應與冷凍水管道旁通相連，使用自然冷源供冷模式時關閉冷凍水泵，打開冷凍水旁通閥門，此時水循環(huán)動力由冷卻水泵提供。在自然冷源供冷系統(tǒng)設計時要考慮轉換供冷專用泵和水路的平衡，還應注重冷卻水的除菌過濾，防止阻塞空調換熱管道和表冷器。

間接供冷系統(tǒng)中換熱器應選擇板式換熱器，因為板式換熱器與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，換熱效率較高。

考慮到在特定室外濕球溫度和建筑負荷下，冷卻塔冷幅（冷卻塔出水溫度與室外濕球溫度之差）隨冷卻填料尺寸的增大而減小，我們可采用多套冷卻塔串聯(lián)的方法來增加冷卻效果，提高節(jié)能指數。

由于水冷自然冷源供冷系統(tǒng)主要在春秋季和冬季運行，在設計時應考慮北方較低的氣溫，在冷卻水系統(tǒng)中設置防凍設施，如設置化冰噴淋管、增設蒸汽除冰器等。

2.2 水冷自然冷源系統(tǒng)應用實例及節(jié)能效果分析

中國電信北京公司永豐數據中心，首次成功應用水冷自然冷源系統(tǒng)供冷，通過實際運行，節(jié)能效果十分明顯。與技術較成熟的新風節(jié)能空調進行對比，其具有很多優(yōu)越性。新風節(jié)能空調是通過直接引入室外新風來對機房進行降溫的，但新風經過過濾后仍有較多的細塵進入機房，影響機房環(huán)境，再者新風過濾所必需的高效、中效、初效過濾網更換比較頻繁，運行維護費用較大，所以對于環(huán)境要求不高的數據機房可以采用，但對于環(huán)境要求較高的就無法應用。而采用水冷自然冷源系統(tǒng)供冷時，機房環(huán)境不受外界空氣因素的影響，可大大降低維護費用。如表1所示。

2.2.1 水冷自然冷源系統(tǒng)的運行方案

當室外環(huán)境溫度在10℃～－2℃之間時，運行水冷自然冷源系統(tǒng)，制冷主機停止運行，這樣機房空調系統(tǒng)耗能每天可節(jié)約18 264 k W，其運行時間為3月份和11月份，歷時49天，總耗能共節(jié)約890 000 k W，節(jié)省資金約70萬元。如表2所示。

當室外環(huán)境溫度低于－2℃時，關閉2臺水泵、運行2臺冷卻塔風機，日耗能節(jié)約27 672 k W，其運行周期為3個月，分別為12月、1月、2月，歷時90天，共節(jié)約能耗2 480 000 k W，節(jié)約資金約197萬元。如表3所示。

2.2.2 水冷自然冷源系統(tǒng)節(jié)能效果分析

經實測數據統(tǒng)計分析，使用水冷自然冷源系統(tǒng)供冷后，日耗能減少18 264 k W，節(jié)省運行費用14 472元，每月可節(jié)省資金434 160元。在冬季氣溫較低的時間段，水冷自然冷源空調系統(tǒng)運行在最佳工況，日耗能減少27 672 k W，節(jié)省運行費用21 926元，每月可節(jié)省資金657 780元。通過運行及數據分析，永豐數據中心機房空調制冷采用水冷自然冷源系統(tǒng)后，一年可節(jié)約資金約267萬元。

表1 北京電信永豐數據中心制冷機組供冷模式耗能統(tǒng)計表

3 結 語

應用水冷自然冷源系統(tǒng)來進行空調節(jié)能改造，節(jié)能效果顯著，可以在有條件的機房內進行推廣，為企業(yè)節(jié)省更多資金，為國家能源可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

表2 北京電信永豐數據中心機房水冷自然冷源供冷模式耗能統(tǒng)計表（1）

表3 北京電信永豐數據中心機房水冷自然冷源供冷最佳模式耗能統(tǒng)計表（2）