數據機房空調系統應用創新

趙曉峰，劉玉民，林武雋

（中國電信北京分公司）

0 引 言

隨著國家對節能減排工作的不斷深入，企業節能的力度也在逐步加大，節能減排在企業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，市場上涌現了許多新產品和新技術，如新風節能空調、冰蓄冷制冷系統、大型水冷空調、變頻制冷空調等，這些產品和技術的節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，節能效果十分顯著。

1 水冷自然冷源空調系統的原理及分類

1.1 水冷自然冷源空調系統的原理

在北方地區，春秋季節和冬季時間較長，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泵為需要冷卻的區域進行冷量供應。水冷自然冷源是在水冷制冷系統上繁衍的一個分支，可充分利用自然界中的冷量，從而實現關閉制冷主機，達到節能的目的，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比普通空調，節能效率提高51%。如圖1所示。

圖1 水冷自然冷源空調系統原理圖

1.2 水冷自然冷源空調系統的分類

水冷自然冷源空調系統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：間接供冷系統和直接供冷系統。

1.2.1 水冷自然冷源間接供冷系統

水冷自然冷源間接供冷系統是指系統中冷卻水環路與冷凍水環路相互獨立，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環路的完整性，確保冷凍水水質不發生變化，減少了排污的水量和加藥處理的環節，最大程度的減少了水資源的浪費。但由于間接供冷系統存在中間板式換熱損失，致使供冷效果有所下降，同時間接供冷系統的投資會比直接供冷系統大。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

水冷自然冷源直接供冷系統是指在原有空調水系統管路中設置旁通管道，將冷凍水環路與冷卻水環路連接在一起的系統，夏季按常規空調水系統運行，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，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冷卻原理來實現降溫的，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的應用概況

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

2.1 水冷自然冷源空調系統的應用分析

2.1.1 水冷自然冷源空調系統的應用計算

水冷自然冷源系統供冷模式取決于室外溫度、節能效果及投資回收期。根據地區歷史溫度記錄可以計算出每年可運行自然冷源系統的時間、節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供冷模式。水冷自然冷源系統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的安裝與運行管理

在直接供冷系統中，冷卻水環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，此時水循環動力由冷卻水泵提供。在自然冷源供冷系統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。

間接供冷系統中換熱器應選擇板式換熱器，因為板式換熱器與傳統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的方法來增加冷卻效果，提高節能指數。

由于水冷自然冷源供冷系統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 水冷自然冷源系統應用實例及節能效果分析

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供冷，通過實際運行，節能效果十分明顯。與技術較成熟的新風節能空調進行對比，其具有很多優越性。新風節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，所以對于環境要求不高的數據機房可以采用，但對于環境要求較高的就無法應用。而采用水冷自然冷源系統供冷時，機房環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 水冷自然冷源系統的運行方案

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

當室外環境溫度低于－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，共節約能耗2 480 000 k W，節約資金約197萬元。如表3所示。

2.2.2 水冷自然冷源系統節能效果分析

經實測數據統計分析，使用水冷自然冷源系統供冷后，日耗能減少18 264 k W，節省運行費用14 472元，每月可節省資金434 160元。在冬季氣溫較低的時間段，水冷自然冷源空調系統運行在最佳工況，日耗能減少27 672 k W，節省運行費用21 926元，每月可節省資金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后，一年可節約資金約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計表

3 結 語

應用水冷自然冷源系統來進行空調節能改造，節能效果顯著，可以在有條件的機房內進行推廣，為企業節省更多資金，為國家能源可持續發展做出貢獻。

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計表（2）