分布式自然冷源空調系統節能分析

張維東

（中國電信股份有限公司 重慶網絡監控維護中心，重慶 400042）

0 引 言

按照電信企業提質增效及節能減排的要求，降低通信機房電費成本是企業當前的一項重要工作，對促進企業高質量的發展將起到重要作用。因此，中國電信重慶網絡監控維護中心通過各種手段加強了節能減排和降本增效工作，其中包括通過各種技術手段進行節能，并于2020年啟動了分布式自然冷源節能新技術項目。本文介紹了分布式自然冷源節能系統節能項目的實施背景、系統組成、功能原理、關鍵技術、主要特點以及節能策略，并進行了節能效果分析計算，對推廣應用該節能技術和降本增效將起到重要作用。

1 項目實施背景

據統計分析，目前通信機房的運營成本中電費消耗占比高達65%，此數據充分說明了節能的必要性和迫切性。而電費消耗中空調能耗占比高達35%，因此節能的主要方向和重點在于空調。已建機房的主機能效、氣流組織以及維護管理均已確定，在這些方面做優化，節能空間較小。如何有效地利用自然冷源是解決空調節能方案最直接高效且環保的解決方案，由此中國電信重慶網絡監控維護中心啟動了分布式自然冷源節能系統技術項目的建設工作。2019年5月14日，中心正式立項分布式自然冷源節能系統項目建設工作，項目于2020年7月10日完成，該節能系統安裝在大坪通信樓W503機房和W504機房的6臺80 kW大功率精密空調上。

2 節能系統的組成及特點

2.1 節能系統組成

該節能系統安裝在大坪W503機房和W504機房。分布式換熱系統由室內換熱終端（室內換熱器）、冷量分配動力單元以及室外冷源系統（室外換熱器）3部分組成。整個項目增加空調分布式熱交換器（室內）6臺、風冷模塊3個即節能泵1套，實現自然冷源的充分利用。室內換熱器布置在空調回風口，通過軟管連接每層機房MPJ主管道。分布式自然冷源節能系統結構如圖1所示。

圖1 分布式自然冷源節能系統結構示意圖

2.2 系統功能原理

本項目采用重慶捷先機電科技有限公司的分布式自然冷源節能系統。該系統通過高效載冷劑與室外自然冷源進行熱交換，將室內熱量通過載冷劑排出室外，減少精密空調的壓縮機運行時間，達到節能的目的。同時該系統不會對機房環境產生任何不良影響，不影響機房原有空調的運行，與原有機房空調形成互為備份的冗余制冷工作機制。機房室內服務器排出的熱風經過安裝在機房空調上的分布式換熱單元預冷，再經過機房空調變成冷風排到地板下靜壓箱中，然后根據需要流入每個服務器機架。分布式換熱系統中室內換熱終端內的MPJ液體吸收服務器排出的熱量，溫度開始升高，經由水泵流入到室外冷源系統中換熱，再流入室內換熱終端，熱量依次從室內源源不斷地傳遞到室外。

2.3 系統關鍵技術

該系統采用了4項關鍵核心技術，其技術特性如下。一是MPJ單相氟化載冷劑，傳遞熱量的速度是空氣的6倍，具有超強載冷能、環保、無毒、絕緣以及不易燃等優良特性。二是微通道換熱器，高傳熱性能微通道換熱器更能成功地解決換熱性能與風側換熱效率的難題，相比于傳統散熱器具有更高的傳熱效率。三是靈活的分布式設計，靈活的分布式散熱器設計達到接近制冷的效果，用于21 ℃以下的環境溫度中，仍可利用自然冷源成為一種現實。四是與原空調智能并行制冷，不影響原有空調制冷，不增加風動力能耗的前提下達到較好的換熱效果。

2.4 系統主要特點

該系統具有自然冷源，利用室外低溫自然冷源無灰塵和濕度影響，綠色環保，減少碳排放，而且具有高能效比、高換熱能力（換熱能力是乙二醇的3倍）以及高顯熱比，效率更高。此外，泵系統冗余設計，安全可靠，制冷循環僅為低功耗循環泵，無其他部件，故障率低，一旦出現泄漏立刻報警停機。

2.5 系統節能策略

在冬季室外氣溫較低時可以適當調高室內空調的啟動溫度，更充分地利用室外冷源，這樣會使節能效果更佳，空調壓縮機停止運行，達到節能目的。在夏季要及時關閉分布式自然冷源系統，室外溫度高，自然冷源不起作用，重新啟動分布式自然冷源系統時需要排空管道和泵內殘余氣體。該節能系統在20 ℃以下時均為有效工作時間，溫度越低，其節能效果越好，當氣溫低于10 ℃時，精密空調完全可以停止制冷，停止壓縮機工作，達到節能目的。

3 節能效果分析

該項目于2020年5月10日-2020年6月5日完成了試運行節能效果測試，期間設備運行穩定可靠，經測試分析計算空調設備年綜合節能率達到了27.62%，每年節省電費1.475×105元，項目投資3.1×105元，投資回收期為2.1年，達到了預期的節能效果。具體節能效果分析如下。

3.1 空調能耗狀況

空調能耗根據機房空調配置與運行情況測算。

配置6臺80 kW空調，總冷量為480 kW，空調能效比為3.0，總電功率為160 kW，單臺空調電功率為26.67 kW，則單臺空調I26.67kW三相平均電流推算如下：

由此算出26.67 kW功率值對應的I26.67kW三相平均電流=26.67 A×1.9=50.67 A

實際單臺空調運行時三相平均電流一般按理論計算值的70%計算，由此推算出I26.67kW三相平均電流實際為：

它由風機+壓縮機兩部份消耗，風機的功率不會變化，經測試實際風機電流每臺空調為8 A，則壓縮機電流為27 A，由此計算出全年6臺空調總功耗如下。

設定風機運行功耗為PF，其推算過程為：

按每天平均工作10 h計算，設定壓縮機運行功耗為PY，其推算過程如下：

設定全年6臺空調總能耗為PZ，其推算過程如下：

3.2 實際節電效果分析

2020年5月10日-6月5日掛電表進行實際對比測試后統計數據如圖2所示，數據分析如下。

圖2 分布式自然冷源節能系統節能測試數據

3.2.1 開啟節能系統階段

總時長為400 h，其中節能系統實際有效工作時長35.19 h，時長占比8.80%。空調運行耗電量為13 930.34 kW·h，節能系統耗電量216.72 kW·h，總耗電量14 147.06 kW·h，平均每小時耗電量35.37 kW·h。

3.2.2 關閉節能系統階段

總時長為229.75 h，空調運行耗電量為8 567.41 kW·h，平均每小時耗電量為37.29 kW·h。測試結果表明，測試階段平均每小時節能1.92 kW·h（37.29 -35.37 =1.92 kW·h），平均每小時節能率為5.16%。由于測試時間階段為5月份，外界氣溫已經比較高了，所以該節能系統有效工作時長占比低，只達到了8.80%。

根據國家氣象網數據統計，重慶地區氣溫情況為室外溫度≤10 ℃，時間為2 374 h，占全年時間比為27.10%，室外溫度≤20 ℃，時間為4 126 h，占全年時間比47.10%。該節能系統在20 ℃以下時，均為有效工作時間，溫度越低，其節能效果越好，當氣溫低于10 ℃時，精密空調完全可以停止制冷。因此通過統計數據可推算出全年的節電量Q全年節約電量，其推算過程如下。

設定全年綜合節能率為J全年綜合節能率，其等于室外溫度≤20 ℃時間占比除以節能系統有效工作時長占比乘以平均每小時節能率，將相關數據代入后求得J全年綜合節能率=27.62%。

將 PZ和 J全年綜合節能率代入 Q全年節約電量求得：

3.2.3 投資回收期計算

該項目實施后每年可節約電量為1.844×105kW·h，按目前重慶平均電價0.8元/kW·h計算，則全年可推算出全年節省的電費M年節約電費，其推算過程如下：

整個項目總投資金額為3.1×105元，則可推算出投資回收期S投資回收期為：

4 結論

該系統節能效果優異，其年綜合節能率達到27.62%，投資回收期為兩年左右，安裝方便且運行效果穩定可靠，對于原有空調工作沒有影響，可推廣應用，特別是通信核心大樓的大功率精密空調使用分布式自然冷源節能技術效果較好，能起到降本增效的作用。中國電信重慶網絡監控維護中心又投資6×105元將大坪通信大樓的其它精密空調納入2021年推廣實施分布式自然冷源節能技術項目。