智能雙循環空調在南方地區的應用研究

（中訊郵電咨詢設計院有限公司廣東分公司，廣東廣州 510000）

1 概述

1.1 研究目的

統計顯示，制冷系統能耗在通信機房能耗中的占比約為35%，隨著通信行業飛速發展，通信機房的能耗問題日益突出。因此，進一步挖掘空調系統節能潛力、降低其能耗，已成為重大挑戰與值得深入研究的課題。通過本項目的實施及測試，對“智能雙循環技術與封閉熱通道”在南方地區通信機房的節能情況進行評估，為其向南方地區推廣提供參考。

1.2 主要內容及關鍵技術問題

由于北方室外氣候條件好，全年平均溫度較低，智能雙循環技術可大規模應用，無須提高回風溫度即可實現智能雙循環機組的節能運行。南方地區的室外氣溫對智能雙循環技術的應用限制較大，因此，需要解決智能雙循環技術在南方地區應用的溫度限制。

本項目以廣東通信局房為案例，利用智能雙循環機組+封閉熱通道的創新組合，通過智能電表分別記錄每臺普通風冷列間空調和、每臺智能雙循環空調的分別耗電量，以普通空調的耗電量作為對比依據，計算智能雙循環空調的節能數值。（1）解除室外溫度對智能雙循環技術的限制。由于數據中心常年需要制冷，為自然冷源的利用創造了條件，南方地區夏熱冬暖，室外氣候條件對可用的空調節能技術影響較小。常使用發室外冷源技術有間接蒸發冷、板換自由冷、智能雙循環等，針對風冷分散式空調系統，智能雙循環技術比較常見，但廣東氣溫較高，常規機房的回風溫度下，智能雙循環機組無法節能運行。本項目通過將封閉熱通道做法與智能雙循環技術相結合，嘗試通過提高回風溫度，使智能雙循環技術得以應用。（2）測試時間段的選擇限制。由于智能雙循環機組只在特定溫度區間（T＜20 ℃）能夠發揮節能效果，因此選擇測試驗證的時間節點應處于智能雙循環機組節能運行的溫度區間。南方地區常年氣溫較高，為了在10 ℃以上的室外氣候條件進行測試，需要較高的回風溫度，通常高于35 ℃，超過正常運維的體感舒適溫度。因此，采用封閉熱通道做法與智能雙循環技術結合的方法，克服在熱通道維護時的困難。

2 實施方法

2.1 場地部署

測試的機房位于綜合樓5樓DC機房（綜合樓共5層），約500 m2，梁底凈高3 m。

機房內近期規劃機柜108個（5 kW/柜），共5個封閉熱通道；遠期預留機柜位置57個（5 kW/柜），共2個封閉熱通道。北側4個封閉熱通道；南側1個封閉熱通道，機房平面如圖1所示。

圖1 機房平面圖

本項目采用的智能雙循環空調機（即氟泵空調機）是一種高效節能的自然冷卻系統（使用變頻壓縮機、電子膨脹閥、多變頻風機送風、V形室外機等核心部件）。室外溫度降至10～20 ℃，氟泵啟動運行，室內外溫差增加，利于氟泵供冷能力提高，壓縮機能耗下降；室外溫度降到10 ℃以下時，壓縮機可停止運轉，氟泵提供全部冷量，可降低機組能耗。南方地區室外氣溫常年較高，需提高回風溫度，增加室內外溫差，延長智能雙循環節能運行時間，以充分測試其節能效果。結合機房環境溫度要求，通常封閉冷通道時回風溫度為28～30 ℃，封閉熱通道時回風溫度為35～37 ℃。本項目對列間智能雙循環空調節能效果進行現場測試，并基于現場測試與廠家實驗室測試數據的擬合情況，對智能雙循環空調的整體節能效果進行測算。

2.2 測試方法

使用智能電表分別記錄每臺智能雙循環列間空調、普通風冷列間空調的空調耗電量。以普通風冷列間空調的耗電量為基礎，對比計算智能雙循環列間空調的節能效果。通過修正參數，測算其他型號智能雙循環空調的節能率。

2.3 測試過程

2.3.1 測試對象

測試對象示意圖如圖2所示。

圖2 測試對象示意圖

由圖2可知，2個測試對象在機房兩側，分別為測試通道一和二；每個測試通道均安裝2臺普通風冷列間空調和2臺智能雙循環列間空調，其外機也在屋面分區域安裝。每個封閉通道均增設了電能計量裝置，對空調和IT的實際用電量進行記錄，便于計算PUE。

2.3.2 空調設備編號及溫濕度點位

為了均勻測試房間的溫度濕度值，將測點分散在機房內布置，高度統一距活動地板1.5 m，編號和位置如圖3所示，同類型空調編號如表1所示。

圖3 空調編號及室內的溫濕度點位圖

表1 不同類型空調編號

2.3.3 準備工作

完成機房密封，2個測試封閉熱通道假負載正常運行，測試對象中列間空調溫度參數設置一致，各溫濕度表安裝到位，調試完成。每個測試通道的列頭柜顯示屏監測對應通道內不同類型空調的功率和能耗情況，實時存儲記錄數據。

2.4 測試方案

為了測試時IT負載達到預定設計數值并保持穩定，采用假負載代替實際IT負載，列間空調均單獨配置智能計量裝置，2個通道同時運行的空調類型不同。在測試過程中，測試通道一開啟普通風冷列間空調，測試通道二開啟氟泵列間空調；穩定運行并記錄相關數據后，再運行另一種未運行的空調類型。兩個測試通道的列間空調同時工作，設置相同的送回風工況及其他狀態，2臺空調滿載輸出冷量與對應的假負載功耗相同。通過智能計量裝置分別讀取和存儲每臺普通風冷列間空調和每臺氟泵列間空調的耗電量，以普通列間空調的能耗為基礎，計算氟泵列間空調節能數值。不同的室外溫度下，智能雙循環列間空調的運行模式不同（壓縮機運行模式、純氟泵運行模式、氟泵與壓縮機混合運行模式）。智能雙循環空調在不同溫度區間下的運行模式如表2所示。

表2 各溫度區間空調運行模式 單位：℃

以上三種運行模式的溫度區間均以“室內冷通道溫度25 ℃、室內熱通道溫度37 ℃”為前提。氟泵機房空調技術的節能效果在“僅氟泵運行”模式和“氟泵+壓縮機”聯合運行模式下才能體現。由于本測試項目所在地10 ℃以下的天氣較少，不具備測試“僅氟泵運行”模式，因此，本次只測試了“氟泵+壓縮機”聯合運行模式。電量計量裝置記錄此模式下的能耗數據，同時根據空調設備廠商提供的10 ℃以下的運行數據，結合南方地區氣象分布圖，推算得出全年平均節能率。根據廣東地區全年溫度分布情況，僅氟泵運行模式下全年運行時長約為280 h（預計到2月），聯合運行模式下全年運行時長約為2 734 h（預計11月至次年2月），南方地區全年溫度分布情況如圖4所示。

圖4 南方地區全年溫度分布情況

3 數據分析

3.1 混合模式節能率

2個測試通道在兩種運行模式下2 h耗電量如表3所示。

表3 通道不同運行模式2 h耗電量 單位：kWh

通過以上數據計算得出混合模式下的節能率為兩種模式下總耗電量的差值除以普通風冷列間空調的耗電量：

測試通道一混合模式節能率S混合=7.57%；測試通道二混合模式節能率S混合=5.28%。

3.2 純氟泵模式節能率

本項目測試期間室外氣溫高于10 ℃，現場不具備對純氟泵模式節能效果測試的條件。因此，根據相同產品的實驗室測試數據對純氟泵節能率進行測算。

空調40 kW制冷量輸出：氟泵空調5 ℃功耗3.4 kW、7.5 ℃功耗為4.69 kW；風冷空調5℃功耗6.96 kW、7.5 ℃功耗7.02 kW。由于項目所在地區位于南方，其室外氣溫低于10 ℃的時間較少，低于5 ℃的時間更少，因此，本次僅在低于10 ℃的區間推算氟泵的節能情況時，選擇室外平均溫度為7.5 ℃，僅氟泵運行模式下的節能率為33.2%。

3.3 智能雙循環節能率

智能雙循環機組三種模式的運行時間如表4所示。

表4 智能雙循環空調不同運行模式持續時間

節能率S1（通道1）為3.42%；節能率S2（通道2）為2.71%；全年節能率S（兩個通道平均值）為3.07%。不通廠商的設備運行節能區間和能效值不同，為了修正不同廠商對節能數值的影響，以上溫度區間的取值及能效計算值，均做了修正，廣東省智能雙循環列間空調全年節能率為3.07%。

3.4 房間級智能雙循環空調數據測算

本項目不具備對房間級智能雙循環空調進行現場測試的實施條件。經過現場測試與廠家提供實驗室測試數據的比對，對房間級智能雙循環空調全年節能情況進行了測算，結果如表5所示。

表5 房間級智能雙循環空調不同溫度情況的能效比

能效比數據為本項目空調設備廠家提供實驗室測試數據。智能雙循環空調實驗室測試回風溫度為35 ℃，普通風冷空調實驗室測試時回風溫度最高為32 ℃。結合廣東室外的氣候參數，測算時取7.5 ℃與15 ℃能效比，對應純氟泵工作模式及氟泵與壓縮機混合工作模式。測算純氟泵模式下的節能率時取7.5 ℃；室外氣溫在10～20 ℃時，測算氟泵與壓縮機混合工作下的節能率時取15 ℃。

（1）純氟泵模式下智能雙循環空調節能率。

100 kW節能率S純氟泵=14.1%；

80 kW節能率S純氟泵=29%；

60 kW節能率S純氟泵=7.3%。

（2）氟泵與壓縮機混合模式下智能雙循環空調節能率。

100 kW節能率S混合=7.7%；

80 kW節能率S混合=9%；

60 kW節能率S混合=0.4%。

根據廣東室外氣溫分布小時數，對房間級智能雙循環空調全年節能率計算。100 kW全年節能率S=2.86%；80 kW全年節能率S=3.75%；60 kW全年節能率S=0.36%。

房間級智能雙循環空調機組自身耗電量較大，100、80、60 kW的全年綜合能效比分別為4.4、4.6、4.3，空調機組全年綜合耗電為22、17.5、14 kW。根據全年節能率測算100、80、60 kW房間級智能雙循環空調的全年節電量：

100 kW時全年節電量為5 512 kWh；80 kW時全年節電量為5 749 kWh；60 kW時全年節電為量441.5 kWh。

3.5 其他地區智能雙循環空調數據測算

考慮到本次測試結果普遍性和指導性，根據前述廣東測算原則，在夏熱冬冷地區及溫和地區，選取了7個代表城市，測算智能雙循環空調節能效果。通過測算，其他南方城市智能雙循環空調全年節能率測算表如表6所示，溫度區間持續時間如表7所示。

表6 智能雙循環空調全年節能率 單位：%

表7 溫度區間持續時間表 單位：h

4 結語

智能雙循環技術在黃河以北地區已大規模使用，運行效果良好，節能效果顯著。本研究表明未來可在南方地區夏熱冬冷省份或溫和地區，嘗試推廣使用冷量80 kW及以上的房間級空調，預計全年節能率可達8%以上，具有重要的現實意義。