免費取冷技術在通信機房空調應用中的節能分析

劉婷婷，田 浩

(1.北京京北職業技術學院建筑工程系，北京101400;2.施耐德電氣信息技術(中國)有限公司，北京100000)

通信機房的節能技術非常豐富，針對不同的機房環境及特定情況，理論界提出了諸多節能方法:使用高效空調、機房溫濕度設定值節能控制、更換制冷劑、添加耐磨劑、壓縮機變頻技術、新風節能、送風節能、設置水噴淋裝置、冷凝熱回收利用、冷凝器噴淋降溫節能技術等[2]。本文探討的是免費取冷技術的應用及其節能效果。

1 免費取冷技術節能原理

由于機房專用空調需要每天24 h連續不斷地運行，因此需要消耗大量電能。很多地區冬季以及春秋季節的晚上室外環境溫度比較低，可利用室外冷空氣作為冷源來承擔室內冷負荷，免費取冷技術就是利用這種原理。當室外溫度較低并且足以承擔室內冷負荷時，啟動免費取冷系統，向室內提供冷量，而此時不需要啟動壓縮機，以達到節省電力的目的。

免費取冷系統利用中間介質乙二醇水溶液帶走室內熱量，系統包括室外機組和室內機組，圖1為其工作原理圖。室外機組包括冷凝器(圖1盤管3)和風機等;室內機組包括兩個蒸發盤管(圖1盤管1和盤管2)、一個板式換熱器(圖1中盤管4)、風機和壓縮機等，兩個蒸發盤管中一個是氟蒸發盤管(圖1(a)中盤管2)，管內流動的是制冷劑(R22或R407C)，一個是水蒸發盤管(圖1(a)中盤管1)，管內流動的是乙二醇水溶液。與普通機房空調相比，多設置了板式換熱器和水蒸發盤管，并在板式換熱器與蒸發盤管之間裝有三通閥。

圖1 免費取冷系統原理圖

一般情況下，室外溫度比較高時，機組運行像普通空調機組一樣，利用三通閥將乙二醇水溶液旁通至室外冷凝器，見圖1(a)。此時乙二醇水溶液不流經水蒸發盤管(圖1(a)右上部盤管1)，在室外冷凝器內經空氣冷卻后的乙二醇水溶液直接進入室內機的板式換熱器，在板式換熱器中冷卻制冷劑，然后再回到室外冷凝器，此時壓縮機正常工作。

天氣較涼時，室外空氣溫度較低，在室外冷凝器中的乙二醇水溶液溫度變得比室內溫度低，見圖1(b)。此時，在室外冷凝器內經室外空氣冷卻后的乙二醇水溶液通過三通閥流至室內機的水蒸發盤管(圖1(b)右上部盤管1)，室內空氣流經水蒸發盤管溫度降低，創造了一個免費取冷的效果。此時若免費取冷產生的制冷量不足以承擔室內冷負荷，可以同時啟動壓縮機制冷，對冷量進行補充，在這種情況下減少了壓縮機的啟動次數和時間，達到一定的節能效果。

當室外溫度下降到一定值時(一般情況下低于7℃)，在室外冷凝器中的乙二醇水溶液溫度變得比室內溫度低很多，見圖1(c)。此時，在室外冷凝器內經室外空氣冷卻后的乙二醇水溶液通過三通閥流至室內機的水蒸發盤管(圖1(c)右上部盤管1)，室內空氣流經水蒸發盤管溫度降低，創造了一個免費取冷的效果。此時免費取冷的制冷量完全能承擔室內冷負荷，不需啟動壓縮機制冷。在這種情況下空調機組通過控制三通閥的開度大小來控制進入水蒸發盤管的乙二醇水溶液的流量，從而精確控制機組的制冷量的大小。此時空調機組耗電部件僅為室內風機和室外風機，壓縮機無需啟動，從而大大降低了電力消耗，具有明顯的節能效果。

2 機房空調免費取冷技術節能效果

2.1 在歐洲的節能效果

機房空調廠家針對某一型號的機房空調，對使用了免費取冷技術的節能型機房空調在歐洲眾多地點進行了節能效果測試，測試條件為:穩定負載、室內溫度24℃、相對濕度50%，具體測試結果見表1和圖2。

表1 免費取冷技術在歐洲年節能效果測試結果

表1為空調廠家在歐洲地區進行的節能試驗所得到的數據。從表1和圖2可見，免費取冷技術在歐洲9個地區應用節能效果很明顯。最高節能率達62.5%，發生在斯德哥爾摩;最低節能率也有24.3%，發生在羅馬。

圖2 免費取冷技術在歐洲各地機房空調中應用的節能率比較

2.2 在北京的節能效果分析

北京地區與柏林地區緯度基本相同，因此在北京的節能效果與柏林相差不多，免費取冷技術在柏林的節能率為48.9%。由于北京冬季比較冷，春秋季晚上的溫度也不太高，因此比較適合使用節能型機房專用空調。表2為北京市觀象臺北京市歷史氣象信息(數據來源于北京氣象臺網站)。

表2 北京市觀象臺歷史氣象信息 (單位:℃)

由表2可以看出，北京市每年1月、2月、3月、11月和12月的日平均氣溫均低于7℃，這5個月中絕大部分時間壓縮機不需開啟，只有在氣溫高于7℃時壓縮機才開啟，而春秋季節氣溫低于7℃時壓縮機也不需開啟。假設1月、2月、3月、11月和12月中氣溫高于7℃的時間與春秋季節氣溫低于7°C的時間相等，則可以近似認為每年北京市氣溫低于7℃的時間約3 600 h(5×30×24=3 600)。

以型號為TUER2842的節能型機房專用空調為例，其制冷量為100.7 kW，壓縮機輸入功率為22.4 kW，整機滿負荷輸入功率為42.27 kW。

若無免費取冷功能，全年均為壓縮機制冷，僅當室內溫度達到設定溫度后壓縮機才停止運行。一般來說，一年內大約有20% ～25%的時間壓縮機停止運行。若取25%，則全年耗電量為:

若有免費取冷功能，一年有3 600 h啟動免費取冷，其余時間均為壓縮機制冷，則全年耗電量為:

可見，采用免費取冷技術年節省電量為:

節能率為:

若電費按照1元/kWh計算，每年節省電費為:

節能型機房專用空調機組的初投資會高于普通機房專用空調，普通機房專用空調價格為23萬元，節能型機房專用空調價格為31.5萬元。但結合上述電費的節省情況看，一年就能將多出的投資節省回來，大約3年時間節省的電費就可以購買一臺全新的節能型機房專用空調機組。

3 免費取冷技術的應用實例

3.1 改造方案

唐山聯通高開區IDC通信機房面積為311 m2，原有5 p舒適性空調5臺，總制冷量為62.5 kW。現在機房內有108個服務器機架，每架功率為3 kW，所需制冷量為:

式中:95%為服務器同時使用系數;0.15為照明及圍護結構產生的單位面積冷負荷，kW/m2。

原有空調已經遠遠不能滿足機房制冷量要求，導致機房設備無法正常工作。改造后，高開區IDC機房空調主機采用2臺型號為TUER2842的節能型機房專用空調和2臺型號為TUAR2842普通機房專用空調，單臺制冷量均為100.7 kW。機組于2008年10月投入使用。

3.2 節能測試

唐山聯通分公司于2010年1月30日至3月30日在唐山高開區IDC機房做了節能型機房專用空調實時用電量測量，兩臺空調分別掛D862電流表，60倍電流互感器，得出數據見表3。

由表3可以看出，這兩臺節能型機房空調在2月(室外平均氣溫為－2℃)日用電量為782 kWh，3月(室外平均氣溫為4℃)日用電量為906 kWh，隨著室外氣溫逐步升高，空調用電量也隨著遞升。實測數據證明該空調在室外溫度低于等于7℃時，啟動免費取冷系統，向室內提供冷量，而此時不需要啟動壓縮機，節省了電能。在2月和3月節能率分別達47%和40%。

表3 中國聯通唐山分公司高開區IDC機房空調節能測試對照表

需要說明的是，測試時間為2月和3月，不是全年最低溫度點，因此其工作狀態也不是全年最佳工作狀態。

3.3 節能效果分析

節能型機房專用空調的節能原理本質為縮短壓縮機全年開啟的時間，從而達到降低能耗的目的。通過對比壓縮機的全年開啟時間就可以非常直觀地對比節能型機房專用空調機組與普通機房專用空調機組的節能效果。

從節能型機房專用空調機組控制器中查出，壓縮機從2008年10月至2010年3月共18個月期間總開啟時間為5 677 h。

普通機房空調壓縮機全年制冷，只有當室內溫度達到設定溫度后壓縮機停止運行，18個月壓縮機運行時間:

可見，在這18個月(其中包括兩個冬季)中免費取冷型機房專用空調壓縮機運行時間為普通機房空調的58%，壓縮機開啟時間節約了42%。

4 結論

具有免費取冷技術的機房專用空調在歐洲已經得到了推廣，在斯德哥爾摩其節能率高達62.5%。保守估算，在北京使用免費取冷技術的機房專用空調，年節能率可達41%。如果使用型號為TUER2842的節能型機房空調，制冷量為100.7 kW，每臺每年可以節約電費114 129元。從中國聯通唐山分公司高開區IDC機房空調的實測數據可看出，2月和3月節能率分別達47%和40%，從2008年10月至2010年3月共18個月內壓縮機開啟時間節約了42%。

節約能源是中國經濟和社會發展的一項戰略任務，建設節能型社會、促進經濟可持續發展，是實現全面建設小康社會的宏偉目標，是構建和諧社會的重要基礎保障。如果免費取冷技術在機房空調中得到廣泛利用，節能效果將十分可觀，免費取冷技術是一項值得在我國北方地區機房空調中推廣的技術。

[1]桑永禮.通信機房空調優化節能方案探討[OL].http://wenku.baidu.com/view/5872a794dd88d0d233d46a9f.html，2010－11－3

[2]李文杰.冷凝器噴淋降溫技術在通信機房空調節能中的應用[OL].http://www.studa.net/dianzijixie/100614/15442396.html，2010－06－14