通信機房空調系統利用自然冷卻換熱技術的節能研究

鄒 艷，武 巖

(1.北京京北職業技術學院，北京 101400;2.北京市懷柔區政府信息中心，北京 101400)

通信機房是保障通信設備可靠運行的重要場所，對溫濕度和潔凈度等內部環境參數要求較高。由于通信機房內的各類設備散熱量大且穩定，即使在冬季也可能需要空調系統提供冷量來維持通信設備正常運行所需的環境要求。根據電信相關資料統計，通信機房耗電量占到了整個電信企業用電的90%以上，而機房空調耗電占到了整個機房設備耗電量的40%以上［1］。通信機房節能潛力巨大，而降低空調能耗是機房節能的關鍵。

鄧晨冕、秦紅［2］針對通信機房空調系統耗電量大的問題，介紹了一些節能降耗技術:室外大氣冷源的利用;變頻技術;機房空調機組自適應控制技術等。在室外空氣溫度較低的過渡季節和冬季，利用室外新風作為自然冷源對通信機房空氣進行冷卻換熱是降低空調能耗的有效措施。尹貞勤、錢康、董峰、Wang Shengwei、Omar M.Al－Rabghi［3－7］等都提出合理充分地利用室外新風作為冷源可以提高空調系統的能效，達到節能的目的。文獻［8］的節能測試結果表明，新風系統比隔離換熱系統的節能效果好，但會將灰塵引入機房，從而造成設備積塵，不利于設備安全運行，因此要根據實際情況選擇節能系統。

本研究以北京地區通信機房空調系統為研究對象，采用自然冷卻換熱技術，利用北京地區過渡季及冬季的室外低溫空氣為通信機房提供天然冷源，分析其節能效果。

1 可行性分析

1.1 通信機房環境要求

《中國電信數據中心機房電源、空調環境設計規范(暫行)》［9］對通信機房環境參數的基本要求是:

(1) AA 級、A 級機房溫度為21～25℃，B 級、C 級機房溫度為18～28℃;

(2) 相對濕度40%～70%，溫度變化率小于5℃/h，且不結露;

(3) 直徑大于0.5μm 的灰塵粒子濃度不大于18000粒/L，直徑大于5μm 的灰塵粒子濃度不大于300 粒/L。

1.2 北京地區室外氣象特點

北京地區屬于氣象分區中的寒冷地區，根據北京地區標準氣象年干球溫度年變化規律(如圖1 所示)，全年約有9個月的時間室外空氣日平均溫度低于25 ℃，其中低于15 ℃的時間長達4867 h 之多，占全年總小時數的55.6 %。可見，良好的自然氣候條件為自然冷卻換熱技術在通信機房空調系統中的應用提供了有力保證，利用室外自然冷源為機房空調提供冷量具有巨大潛力。

圖1 北京地區標準氣象年干球溫度年變動曲線和溫度頻數

2 自然冷卻換熱系統及節能效益分析

2.1 自然冷卻換熱系統基本原理

通信機房空調用自然冷卻換熱系統即是將換熱技術與自然冷卻通風技術相結合。鑒于通信設備對工作環境潔凈度要求的嚴格性，并結合北京地區室外空氣潔凈度的具體情況，筆者考慮采用間接換熱的方式，即室外低溫空氣與室內空氣不直接接觸，通過換熱器間接顯熱換熱，從而充分利用北京地區過渡季及冬季的室外低溫空氣為通信機房提供天然冷源，減少通信機房空調系統電能消耗，達到節能減排的目的。基本原理見圖2。

圖2 熱管換熱器原理

換熱器顯熱效率η可表達為式(1)。顯熱效率η 是換熱器換熱性能的體現，當通信機房室內溫度較穩定時，室外空氣溫度(或室內外溫差)是影響換熱器顯熱效率η 的重要因素。另外，自然冷卻換熱系統在獲取室外天然冷量的同時，必須借助風機設備為室內外空氣提供流動動力，是以消耗一定的電能為代價的，即存在投入與產出，筆者借用能效比EER 的概念來評價其投入產出比，如式(2)。

式中:η為換熱器顯熱效率;tW，tW'分別為室外空氣進、出顯熱換熱器時的溫度;tN，tN'分別為室內空氣進、出顯熱換熱器時的溫度;EER為系統能效比;GN，GW分別為室內、室外側空氣質量流量;Q’為系統換熱量;N1，N2分別為室內、室外側風機電機功率;Cp為空氣比熱。

筆者擬通過實驗研究，把握室外溫度(或室內外溫差)對自然冷卻換熱系統傳熱特性及能效比的影響規律。

2.2 系統節能效益分析

2.2.1 通信機房冷負荷

通信機房冷負荷Q 計算(如式(3))，是進行空調及換熱器選型的主要依據。

式中:Q1為圍護結構冷負荷;Q2為通信機房設備發熱量;Q3為機房工作人員散熱量;Q4為機房照明散熱量。

由于室外溫度變化對冷負荷以及換熱器換熱量有較大影響，因此，采用動態仿真模擬將大大提高計算準確度。

2.2.2 空調系統運行能耗

當采用自然冷卻換熱無法滿足通信機房所需冷量時，空調系統運行以維持機房環境要求，空調系統運行折算時間H可表示為式(4)，進而由式(5)、式(6)計算空調系統耗電量W。

2.2.3 節能效益分析

(1)節電率

采用自然冷卻換熱技術后，通信機房空調系統運行時間減少，與采用空調系統單獨運行方式相比較，其節電率為(式(7)):

(2)投資回收期

投資回收期是對節能技術的經濟性評價，只有技術上可行、經濟上合理的節能技術才有廣泛的推廣價值。

［10］的建議，節能設計工程投資回收期宜控制在5 a 以內，當熱回收裝置回收期在3 a 以內時應予以采用。

3 工程應用

3.1 工程概況

基于以上分析，本研究以北京地區某通信機房為研究對象，設計了一套自然冷卻換熱系統。此機房建筑面積145 m2，層高3.4 m，僅東墻為外墻，并設三面外窗;通信設備布置密度大，設備發熱量約為551.7 W/m2，安裝有兩臺機房專用空調，單臺制冷量為80.3 kW，額定功率為26.81 kW;采用地板送風，頂回風的氣流組織形式。該機房室內環境控制溫度為24℃，高溫和低溫報警溫度分別為28℃和14℃，相對濕度為55 %±10 %。由于機房建筑空間有限且潔凈度要求較高，故選用結構較為緊湊的隔離型熱管換熱器，室內與室外側風系統通過熱管換熱器間接換熱(圖2)。

3.2 通信機房冷負荷計算

采用能耗分析軟件DeST可得該通信機房全年逐時冷負荷，從而計算得到月平均冷負荷。由于通信機房無人員長期值守，故人員散熱量Q3可忽略。通信機房冷負荷計算結果見表1。

表1 通信機房冷負荷

續表1

根據計算得到的通信機房冷負荷，選擇設置兩臺同型號熱管換熱器，每臺換熱器額定風量為18000 m3/h，額定功率為8 kW，換熱量為45 kW。

3.3 換熱器性能實驗

為掌握北京地區室外溫度(或室內外溫差)變化對自然冷卻換熱系統傳熱特性及能效比的影響規律，利用實驗方法，在室內、室外側風系統進、出口上設置四個溫度測點，采用Pt100 熱電阻(量程為－50～150℃，精度為±3 %)測量溫度值，待溫度值穩定后讀數，對溫度數據進行采集(如圖2 所示)。利用式(1)和式(2)計算熱管換熱器顯熱效率η 和換熱系統能效比EER，實測結果如圖3 所示。

圖3 顯熱效率和能效比隨室內外溫差的變化

由圖3可知，熱管換熱器顯熱效率η 隨室內外溫差Δt增大而降低，當室內側溫度較穩定時，隨室外側溫度的下降而降低。室內外溫差Δt 在5～30℃之間時，顯熱效率在較高的范圍變動，為63.6 %～44.1 %。小溫差條件下顯熱效率較高，5℃溫差(室外溫度tW=19℃)時，顯熱效率η可達63.6 %;溫差Δt 大于10℃(室外溫度tW＜14℃)后，顯熱效率η 低于60 %。經擬合得到熱管換熱器顯熱效率η 與室內外溫差Δt(室外溫度tW)的關系曲線(式(9)):

換熱系統能效比EER 則隨室內外溫差Δt 增大而增加，室內外溫差Δt 在5～30℃之間變化時，能效比EER可達2.83～5.17。根據GB/T 19576－2004《單元式空氣調節機能效限定值及能源效率等級》［11］的規定，空調機的節能評價值為能效比EER=2.70。可見，熱管換熱器應用于北京地區通信機房具有較高能效比，滿足節能要求。

3.4 節能性評估

3.4.1 熱管換熱器運行方案的確定

當通信機房冷負荷可完全由熱管換熱器承擔時，換熱器替代空調運行，此時有:

將式(9)代入式(10)，tN為機房室內溫度24℃，計算得到tW≤12℃時，換熱器可完全替代空調運行。

綜合考慮北京地區室外氣象條件以及熱管換熱器性能，為簡化運行控制方案，室外空氣溫度tW≥12℃時空調單獨運行，tW≤12℃時換熱器單獨運行。

3.4.2 節電率和投資回收期計算

3.4.2.1 換熱器節能計算

該通信機房空調系統性能系數COP=2.9，兩臺熱管換熱器總功率為16 kW，采用自然冷卻換熱技術后，根據通信機房空調及熱管換熱器運行方案，tW≤12℃的不同室外溫度條件下熱管換熱器系統節省電功率(空調耗功率－換熱器耗功率)計算見表2。

表2 換熱器運行節省電功率

由表2 數據可知，隨著室外空氣溫度的下降，換熱器替代空調運行凈節省電功率占空調耗功率的比例不斷增加。室外溫度tW=12℃時，換熱器節省電功率為空調耗功率的59%;tW=0℃時，換熱器節省電功率為空調耗功率的78.8 %;當tW=－12℃時，這一數值上升至85.7 %。

3.4.2.2節電率計算

根據式(4)～式(7)，對通信機房采用自然冷卻換熱系統前后，僅使用空調系統制冷與空調系統聯合熱管換熱器提供冷量全年運行能耗進行計算，結果見表3。

表3 制冷系統年運行能耗

3.4.2.3 投資回收期計算

熱管換熱器為11 萬元/臺，管道投資及安裝費用共3 萬元，總投資為25 萬元，北京地區電費按0.8 元/kWh 計算，根據式(8)并利用表3 的計算數據，該自然冷卻換熱系統的投資回收期為3.88年。

4 結論

(1)北京地區良好的氣候條件是自然冷卻換熱技術應用于通信機房空調系統的有利條件。熱管換熱器應用于通信機房空調系統，顯熱效率η 在63.6 %～44.1 %的較高范圍;系統能效比EER可達2.83～5.17，高于空調機節能評價值，具有良好的節能性。

(2)熱管換熱器應用于通信機房替代空調系統運行時，其凈節省電功率占空調耗功率的比例超過50 %，并隨室外溫度下降而增加。當室外溫度tW由12℃降至－12℃時，這一數值由59 %提高到85.7 %。

(3)熱管換熱器應用于北京地區通信機房空調系統的案例表明，全年運行期間可節電30.4 %，投資回收期為3.88 a，具有良好的經濟和社會效益。

參考文獻

［1］胡偉，何杞鑫，俞震.通信機房節能平臺及其應用［J］.電源技術應用，2008(5):50－56

［2］鄧晨冕，秦紅.通信機房空調系統節能技術［J］.廣東工業大學學報，2009，26(4):45－49

［3］尹貞勤.程控交換機房空調設計探討［J］.安徽建筑，1999(4):29－31

［4］錢康.建筑空調系統節能技術措施探討［J］.制冷空調，2002，23(3):58－59

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［6］Wang Shengwei，Xu Xinhua.Optimal and robust control of outdoor ventilation airflow rate for improving energy efficiency and IAQ［J］.Building and Environment，2004，39:763－773

［7］Omar M Al－Rabghi，Moha mmed M Akyurt.A survey o f energy efficient strategies for effective air conditioning［J］.Energy Conversion and Management，2004，45:1643－1645

［8］肖斌.移動通信基站節能實施建議［J］.硅谷，2009(1):97

［9］ASHRAE.Air－to－air energy recovery［G］.ASHRAE 2000 HVAC Systems and Equipment，2000

［10］GB/T 19576－2004 單元式空氣調節機能效限定值及能源效率等級［S］