客專調(diào)度樓精密空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的思考與對策

張鴻強 上海鐵路局辦公室

客專調(diào)度樓精密空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的思考與對策

張鴻強 上海鐵路局辦公室

通過對路局客專調(diào)度樓精密空調(diào)系統(tǒng)目前運行現(xiàn)狀的分析，針對產(chǎn)生高能源消耗的問題點，提出節(jié)能改造的技術設想和管理措施，以實現(xiàn)節(jié)能減排和降低運營成本的目的。

調(diào)度樓；精密空調(diào)；節(jié)能降耗；技術改造；管理

1 引言

路局客專調(diào)度樓現(xiàn)有各類專用機房33處、面積4 266 m2，精密空調(diào)101臺。精密空調(diào)系統(tǒng)消耗的電能，占到整個客專調(diào)度樓電力消耗的50%，去年的電費支出達1 310.26萬元。因此，有針對性地提出精密空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗措施，對解決目前路局客專調(diào)度樓的能源成本日益增高及電費開支偏大等問題具有較強的現(xiàn)實意義。

2 精密空調(diào)系統(tǒng)概述

機房精密空調(diào)是能夠充分滿足機房環(huán)境條件要求的機房專用精密空調(diào)機，它不但可以控制機房溫度，也可以同時控制濕度，因此也稱為恒溫恒濕空調(diào)。客專調(diào)度樓共有101臺精密空調(diào)機組，均為四川依米康空調(diào)，其中風冷單體空調(diào)3臺，安裝在地下二層，水冷機組98臺，安裝在1至7層。樓頂有16只冷卻塔，主要作用是對空調(diào)機組的循環(huán)水進行冷卻。4臺55 kW的臥式循環(huán)水泵，為水循環(huán)系統(tǒng)提供動力。

3 產(chǎn)生高能耗的現(xiàn)狀分析及節(jié)能降耗的思考與對策

借助于對當前客專調(diào)度樓精密空調(diào)系統(tǒng)的運行分析，找出產(chǎn)生高能耗的問題點，有針對性地進行思考和分析，提出對策措施，向管理維護、技術改造要效益，做到科學節(jié)能、有效節(jié)能。

3.1 外循環(huán)水質(zhì)偏差，導致熱交換效率偏低

循環(huán)水在使用過程中，隨著時間的推移，水質(zhì)將逐漸惡化。如果不進行水質(zhì)處理，將在熱交換器的壁上沉積生成活動污垢，使得熱交換效果降低，造成機組高壓逐漸升高，輕則高壓運行增加耗電，重則高壓停機、中斷運行。

3.1.1 能耗現(xiàn)狀分析

現(xiàn)客專調(diào)度樓16只閉式冷卻塔的外循環(huán)噴淋水采用城市自來水，未經(jīng)過水處理。其噴淋水的水量與開式冷卻塔相比要少，蒸發(fā)引起的濃縮周期較短，并且與大氣接觸水質(zhì)容易惡化。由于水溫高，夏季還孳生大量藻類，這不僅大大降低了冷卻塔的換熱效果，還增加了電力能耗，并對整個系統(tǒng)產(chǎn)生安全隱患。根據(jù)理論及實踐經(jīng)驗證明:外循環(huán)冷卻塔的污垢達 0.1 mm，散熱效率將降低5～10%，機組耗電量則增加8%。

3.1.2 對策措施

除目前添加藥劑、定期排放及除垢等措施外，建議安裝自動水處理裝置—高頻脈沖水處理機（見圖1）。該設備根據(jù)目前國內(nèi)及國際上“以電治水”的最新理念，采用電化學方法對循環(huán)水進行水處理，通過特殊的高頻電流方式徹底改變水質(zhì)，使循環(huán)水變成具有殺菌、除垢、除銹、防垢、防銹的小分子團還原水（見圖2）。安裝時將該水處理機置于冷卻塔的積水盤，無需拆卸、改變原有設備及管道結(jié)構(gòu)，安裝方便，在線清洗。提高循環(huán)水的利用率，減少耗水量、耗電量。根據(jù)上海仁濟醫(yī)院的使用結(jié)果表明能節(jié)約設備能耗達15%左右。

圖1 高頻脈沖水處理機

圖2 小分子團還原水結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 機房冷熱風短路，造成了不必要的能源浪費

精密空調(diào)的氣流流向?qū)?jié)能起到至關重要的作用。空調(diào)的氣流組織不僅能有效地帶走機房設備產(chǎn)生的熱量，降低設備運行的環(huán)境溫度，而且還決定了空調(diào)的節(jié)能效率。

3.2.1 能耗現(xiàn)狀分析

調(diào)度大樓內(nèi)機房精密空調(diào)均采用下送風上回風形式，機房采用架空地板，模塊化設計，根據(jù)機柜放置位置在其側(cè)面設置送風口。回風口在吊頂處，在裝修時即確定位置，新增機柜設備時一般不會予以調(diào)整。目前機房存在大量送風口與回風口正對、氣流短路（回流、漏流）的情況，造成了不必要的能源浪費（見圖3）。與此同時，還導致氣流盲區(qū)的出現(xiàn)，局部區(qū)域高溫制冷效果欠佳。

圖5 機房冷通道封閉圖

圖3 機房內(nèi)氣流短路現(xiàn)象

3.2.2 對策措施

機房空調(diào)氣流組織優(yōu)化是指合理輸配空調(diào)送風，做到“先冷設備，后冷環(huán)境”，合理設置空調(diào)送風，使空調(diào)送、回風形成完整流暢的循環(huán)，不出現(xiàn)空調(diào)送風短路、冷熱空氣摻混現(xiàn)象，持續(xù)穩(wěn)定地消除設備與機房環(huán)境熱負荷。

（1）對于存在冷熱空氣短路的機房，一般只需合理調(diào)整送風口的位置。使得送風與回風分別位于設備兩側(cè)（見圖4），減少氣流混合短路的可能，提高送風效率。

圖4 調(diào)整后合理的送風口位置

（2）對于發(fā)熱量很大的機房，尤其是高功率密度機架的散熱；一是通過劃分冷熱通道的方法。封閉冷通道（見圖5），則冷通道內(nèi)會比較冷，除冷通道外其余環(huán)境溫度提高且小區(qū)域封閉，冷量損失小，能耗相對較小，可有效遏制氣流短路，提高空調(diào)的送回風效率，為機房設備提供良好的散熱效果。二是可在機房局部增加風機強制通風的配風地板來滿足機房熱點冷卻需求。強制定向送風，可解決局部熱點，進而可以避免對整個機房的過度冷卻。解決了局部熱點的問題，就可以通過提高空調(diào)設置溫度來減少空調(diào)機組的運行數(shù)量和供冷量，最終達到機房節(jié)能的效應。

（3）對于一些空閑的機架安裝隔離的盲板，避免出現(xiàn)冷空氣短路。

3.3 精密空調(diào)設置節(jié)能優(yōu)化

3.3.1 能耗現(xiàn)狀分析

精密空調(diào)參數(shù)設置不合理。設計上，調(diào)度大樓機房精密空調(diào)溫度設置范圍夏季在23±2℃，冬季在20±2℃，相對濕度30%～75%之間。

（1）根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，大部分機房實際運行時機房溫度基本也都在22℃左右，濕度也在40%～60%之間。但是也有少量的機房實測溫度為20℃左右。個別機房甚至因持續(xù)的低溫運行，致使隔壁的普通辦公室墻體因溫差太大發(fā)生大量的潮濕、霉變。

（2）精密空調(diào)風機可實現(xiàn)0%～100%無級調(diào)速，風機功率跟轉(zhuǎn)速呈三次方關系，對能耗影響極大。目前風機轉(zhuǎn)速通常由運行人員根據(jù)經(jīng)驗設置0～10檔，缺乏較科學的操作指導。

3.3.2 對策措施

（1）機房室內(nèi)溫濕度設置優(yōu)化：我國現(xiàn)行的機房標準對溫度設定過低，不利于機房節(jié)能。合理設定機房空調(diào)的溫度顯得尤其重要，隨著服務器的功能的提升，機房環(huán)境溫度可以為28℃。查閱部分服務器的性能指標，機箱內(nèi)溫度在40℃以下是可以正常運行的。國際上有越來越多的數(shù)據(jù)中心設計和管理人員在討論現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心運行溫度是否太低，認為應該設置到81°F（27.2℃），甚至有人建議達到 95°F（35℃）。適當提高機房溫度的設定值，可有效縮短壓縮機運行時間，降低制冷能耗。對于機房設定溫度提高后的節(jié)能效果，雖然目前還沒有非常權威的數(shù)據(jù)，但有提高1℃溫度大約能節(jié)約空調(diào)耗電2%～5%的結(jié)論。

（2）依米康機組調(diào)適：通過降低空調(diào)冷凝壓力與優(yōu)化空調(diào)制冷劑運行狀態(tài)來提高機房空調(diào)能效。機房空調(diào)采用壓縮式制冷，當蒸發(fā)溫度一定時，降低冷凝溫度與冷凝壓力，可減少壓縮機能耗，提高能效比。目前依米康機組冷凝壓力統(tǒng)一設為18 kg，根據(jù)季節(jié)變化可適當降低，可有效提高機組COP。

（3）依米康機組送風調(diào)適：根據(jù)每個機房的實際需求和空調(diào)熱濕比合理確定每臺風機運行轉(zhuǎn)速，既保證運行效果，又能有效降低風機能耗。一般情況下，夏季送風可設定在7～8級，冬季送風可設置在6～7級。

3.4 將精密空調(diào)系統(tǒng)控制聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)“群控”

3.4.1 現(xiàn)狀分析

調(diào)度大樓數(shù)據(jù)機房基本都由兩個或兩個以上精密空調(diào)供冷，目前存在以下兩種情況。一是機房專用空調(diào)有智能功能，但是在實際運行中，有時會出現(xiàn)一臺空調(diào)加濕，另一臺去濕；有一臺在制冷，另一臺在加熱的不合理現(xiàn)象，造成不必要的浪費，空調(diào)使用效率不高。二是每臺精密空調(diào)只對本空調(diào)機回風口采用傳感器方式作為數(shù)據(jù)采樣參考點，無法監(jiān)測整個機房內(nèi)的真實環(huán)境溫濕度，導致數(shù)據(jù)準確性不夠，使用效率不高，能耗浪費較為嚴重。

3.4.2 對策措施

現(xiàn)有的機房監(jiān)控系統(tǒng)還是以監(jiān)測功能為主，對于遠程機房設備，尤其是空調(diào)設備幾乎沒有控制功能。制冷主機群控系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)機房負載的情況，能自動調(diào)整制冷機組的運行數(shù)量，實現(xiàn)機組、水泵和相關設備之間的相互控制。按機房具體的情況，精確控制“N+1”“N+0”、“N-1”等臺空調(diào)數(shù)量的開啟與關閉，使空調(diào)始終處于最佳工作狀態(tài)，通過機組開啟的改變，提高制冷的效果和效率。

（1）合理布點，在每個核心機房增加溫、濕度傳感器。采集機房溫度、濕度作為主要控制的環(huán)境參數(shù)的主要依據(jù)（實際的安排布置方式可參見圖6）。根據(jù)采集到的回風溫濕度及設定的溫度、濕度進行比較，按環(huán)境需要對空調(diào)系統(tǒng)的各組件進行啟停控制及自動調(diào)節(jié)。而溫度和濕度是相互作用的，比如溫度的波動會導致濕度的劇烈波動，這要求控制邏輯設計合理（具體的空調(diào)系統(tǒng)主體控制邏輯如圖7所示）。在該空調(diào)系統(tǒng)中，溫濕度控制以溫度優(yōu)先為原則，壓縮機控制為開關量控制，根據(jù)溫濕度與設定值的差值來控制，加濕器為比例調(diào)節(jié)。PLC通過軟件編程控制各組成部件的啟停頻率，調(diào)節(jié)周期，開度大小，并通過對溫度、濕度變化趨勢的判斷，對各組成部件的動作提前預判，保組成部件進行啟停控制，通過對制冷、制熱部件的開關頻率，開啟比例，調(diào)節(jié)的時間周期等參數(shù)的自動調(diào)節(jié)來達到溫度、濕度的穩(wěn)定控制。

圖6 機房溫度、濕度傳感器安排布置圖

圖7 空調(diào)系統(tǒng)主體控制邏輯圖

（2）采用多層次分布式CPU結(jié)構(gòu)型式，實現(xiàn)對機房空調(diào)的實時群控功能。此種模式由監(jiān)控主機和采集模塊組成，每個采集模塊具有信號采集、A/D轉(zhuǎn)換、信號傳輸功能，有其獨立的CPU，可以將采集來的模擬量信號就地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號。監(jiān)控主機通過現(xiàn)場總線技術輪詢的監(jiān)測各采集模塊，再將采集的數(shù)據(jù)分析處理。這種結(jié)構(gòu)型式中，每一層由不同的設備甚至是系統(tǒng)組成，實現(xiàn)不同的功能，每一層在功能上有其獨立性，組合到一起形成一個完整的監(jiān)測、控制系統(tǒng)，節(jié)約空調(diào)能源消耗、延長空調(diào)機組的使用壽命。

（3）具備安全保護策略。在集中控制方式下若運行機組中的一臺有故障，則另外一臺機房備用空調(diào)自動運行，如果在沒有故障的情況下一臺空調(diào)運行時間己經(jīng)達到輪換時間，也將自動切換到備用空調(diào)運行。當集中監(jiān)控系統(tǒng)通信故障時，機房空調(diào)可以切換到獨立控制狀態(tài)，每臺空調(diào)機組單獨受從站的PLC控制。保證機房空調(diào)無論在哪種情況下都能不間斷的運行，滿足程控機房24 h不間斷運行的需求。這樣不僅實現(xiàn)了對機房設備的實時群控功能，也大大減小了機房設備管理維護的難度。

借鑒上海市電信機房近幾年的空調(diào)節(jié)能管理經(jīng)驗，采用“群控”技術改造后，年平均節(jié)電在20%左右。

3.5 冷卻系統(tǒng)自控存不合理，冷卻效率上有節(jié)能潛力可挖

3.5.1 現(xiàn)狀分析

冷卻系統(tǒng)設有三臺控制柜，分別用于冷卻風機啟停及高低速控制、噴淋泵啟停控制、電加熱啟停控制，互不關聯(lián)。目前存在主要問題：（1）風機和噴淋泵分別獨立控制，互不關聯(lián)。（2）冷卻水回水溫度上限設定為30℃，下限設定為26℃，即冷卻水回水低于26℃時，逐步減少風機和噴淋泵的運行數(shù)量。（3）冷卻塔內(nèi)循環(huán)水電動閥未接入自控系統(tǒng)，目前該閥處于常開狀態(tài)。當部分冷卻塔風機、噴淋泵關閉時，存在“混水”現(xiàn)象，降低了冷卻塔效率，且不利于末端換熱。

3.5.2 對策措施

（1）可對自控系統(tǒng)進行優(yōu)化升級，將兩組PLC實施聯(lián)動。把風機、噴淋水泵的關聯(lián)控制，實際上風機和噴淋泵互相關聯(lián)，都是為冷卻循環(huán)水進行降溫，但兩者效果和作用力度不一樣，單位能耗也不一樣，因此進行協(xié)調(diào)統(tǒng)籌控制，能達到最好的節(jié)能效果。

（2）優(yōu)化冷卻塔風機的溫度設置。對于機械式冷卻塔，風扇轉(zhuǎn)速越高，冷卻水的溫度就會越低，此時冷卻塔的耗電也就越多。可是對于空調(diào)主機來說，冷卻水溫度越低，主機的耗電就會越少。反之，冷卻塔轉(zhuǎn)速越低，冷卻水的溫度越高，這樣冷卻塔的耗電越少。但對于空調(diào)主機來說，由于進入冷凝器的水溫升高，相應的主機耗電會增加。因此，可以考慮降低風機冷卻方式（先低速、再高速）的設置溫度的下限值至24℃，能有效降低精密空調(diào)的冷凝溫度，提高機組整體制冷效率，從而減少整體能耗。

4 結(jié)束語

客專調(diào)度樓的節(jié)能降耗、降低成本是一項持續(xù)性工作，只有通過路局各部門、各駐所單位之間協(xié)同努力，因地制宜地采用節(jié)約措施，有效控制能耗，大幅減少無謂的能源消耗，降低運營開支，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

責任編輯：許耀元

來稿日期：2015-12-02