氟泵空調(diào)在IDC機房中的節(jié)能運用

黃 霄，吳 捷，朱 斌

（中國電信江蘇分公司，江蘇 南京 210037）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量逐年增加，其對應的能耗也越來越大，僅2016年一年，數(shù)據(jù)中心的耗電量就相當于三峽水電站一年的發(fā)電量[1]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前我國數(shù)據(jù)中心大約有55萬個，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等信息通訊的飛速發(fā)展，在降本增效的大環(huán)境下，電費壓降逐步成為通訊業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點[2]。在通信機房耗電組成中，有研究發(fā)現(xiàn)，機房空調(diào)耗電約占總耗電量的30%，照明和一般負荷耗電約占2%[3]。隨著云計算和IDC業(yè)務的發(fā)展，機房中高功率密度的設備越來越多，由于這些設備對機房空間溫濕度有較高要求，而數(shù)據(jù)中心設備發(fā)熱量通常又很高，因此全年都需要使用空調(diào)對數(shù)據(jù)中心機房空間進行降溫。機房空調(diào)的大范圍應用使得其數(shù)量也隨之增加，因此機房空調(diào)設備的節(jié)能成為了當今節(jié)能減排工作的重中之重[4]。目前已知有很多針對機房空調(diào)成熟的應用技術(shù)，包括背板空調(diào)技術(shù)、變頻節(jié)能技術(shù)、空調(diào)冷水機組水處理節(jié)能技術(shù)、氟泵節(jié)能技術(shù)和AI群控節(jié)能技術(shù)等。該方向的節(jié)能潛力巨大，本文從氟泵節(jié)能技術(shù)出發(fā)，通過案例的方式給出其在IDC機房中的節(jié)能應用與成果，以此為例，希望可以在業(yè)內(nèi)更好地推廣開來。

1 氟泵節(jié)能技術(shù)原理介紹

氟泵節(jié)能空調(diào)分為雙氟泵機組和單系統(tǒng)氟泵機組。其通過與改裝后或者專用型的風冷型機房空調(diào)配套使用，組成壓縮蒸汽和氟泵兩套制冷循環(huán)系統(tǒng)，形成一個全天候制冷系統(tǒng)[5]。

壓縮蒸汽制冷循環(huán)采用壓縮機作為該循環(huán)的驅(qū)動裝置，其重點是將制冷劑從蒸發(fā)器輸送至冷凝器，驅(qū)動整個循環(huán)，同時將制冷劑壓縮至高溫高壓的狀態(tài)，便于制冷劑在較高溫度下在冷凝器中冷凝。由于該循環(huán)可以在較高的冷凝溫度下產(chǎn)生冷量，因此在夏季等高溫季節(jié)運行，其運行效率和可靠性依舊可以得到很好的保證，該循環(huán)是目前最常用的制冷循環(huán)。

氟泵制冷循環(huán)主要是使用氟泵在冷凝器出口增加制冷劑的壓力，達到克服節(jié)流閥阻力的作用，從而提升系統(tǒng)流量。特別地，該循環(huán)方式解決了低冷凝溫度條件下，傳統(tǒng)壓縮蒸汽循環(huán)出現(xiàn)的供液不足問題[6]。

當室外溫度相較室內(nèi)溫度高時，壓縮蒸汽制冷循環(huán)正常運行，氟泵制冷循環(huán)停止工作；當室外溫度在10℃以下遠小于室內(nèi)溫度，達到系統(tǒng)控制的設定點時，壓縮機停止運行，氟泵制冷循環(huán)開始工作。蒸發(fā)器中的制冷劑與室內(nèi)空氣換熱后，進入風冷冷凝器與室外冷源進行換熱，在冷凝器中冷卻成液態(tài)后，在氟泵的作用下克服管阻回到蒸發(fā)器，形成良性閉環(huán)制冷循環(huán)。氟泵節(jié)能空調(diào)原理如圖1所示。

圖1 氟泵節(jié)能空調(diào)原理

由于IDC機房一年四季都需制冷，因此采用氟泵空調(diào)節(jié)能潛力較大，優(yōu)點如下：

室外低溫環(huán)境條件下，氟泵驅(qū)動制冷劑工作，從而使得室外自然冷源可以得到循環(huán)利用，提高運行效率的同時，更加便捷了系統(tǒng)的運行；

間接采用室外自然冷源以使機房降溫，極大地縮減了機房內(nèi)潔凈度的影響；

可在原有機房空調(diào)基礎上改造，增加相應的控制措施，簡單方便；

維護操作簡單，不僅能實現(xiàn)空調(diào)的節(jié)能，而且還能方便進行節(jié)能效果評估。

本文重點介紹該設備在某IDC機房中的技術(shù)應用效果和節(jié)能成果分析，旨在針對較為寒冷地區(qū)的機房空調(diào)節(jié)能改造起到指導借鑒作用。

2 案例措施

2.1 氟泵節(jié)能空調(diào)的應用

針對機房電耗較高的問題，同時結(jié)合國家節(jié)能減排重點工作，選擇某IDC機房進行氟泵技術(shù)改造。已知該機房含有4臺制冷量為60 kW的佳力圖空調(diào)，現(xiàn)改造安裝為4臺制冷量60 kW的雙機組氟泵空調(diào)。時間選擇在冬季進行了為期4天的掛表測試，對該節(jié)能產(chǎn)品在冬季進行現(xiàn)場測試和試驗，通過讀取面板上安裝的能耗電表和紅外線測溫儀獲得實驗數(shù)據(jù)。

2.1.1 氟泵運行模式

將機房設定溫度為25 ℃，氟泵工作的室內(nèi)外溫差為15 ℃，即室外低于10 ℃的環(huán)境下氟泵運行，壓縮機停止工作。測試期間室外溫度為-5～0 ℃的測試數(shù)據(jù)見表1，室外溫度為0～5℃的測試數(shù)據(jù)見表2。

表1 氟泵運行模式的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)（室外溫度：-5～0 ℃）

表2 氟泵運行模式的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)（室外溫度：0～5 ℃）

從表1可以看出24 h耗能169.52 kWh；從表2可以看出24 h耗能197.22 kWh。

2.1.2 壓縮機運行模式

將機房溫度設定為25℃，氟泵工作的室內(nèi)外溫差設定為30℃，此時啟動壓縮機制冷，即室外低于-5℃的環(huán)境下氟泵運行，室外環(huán)境高于-5℃的時候壓縮機工作。測試期間室外溫度為-5～0℃的測試數(shù)據(jù)見表3，室外溫度為0～5℃的測試數(shù)據(jù)見表4。

表3 壓縮機運行模式的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)（室外溫度：-5～0℃）

表4 壓縮機運行模式的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)（室外溫度：0～5℃）

從表3可以看出24 h耗能392.40 kWh；從表4可以看出24 h耗能390.17 kWh。

2.1.3 測試數(shù)據(jù)對比結(jié)論

通過2.1.1節(jié)與2.1.2節(jié)兩種工況的對比分析得出的數(shù)值，氟泵制冷系統(tǒng)運行48 h耗能366.74 kWh，壓縮機制冷系統(tǒng)運行48 h耗能782.57 kWh，氟泵制冷系統(tǒng)運行節(jié)能率為53.14%。同時，在IDC機房溫度基本相同情況下，當室外溫度為-5～0 ℃時，氟泵制冷系統(tǒng)運行節(jié)能率為56.80%；當室外溫度為0～5℃時，氟泵制冷系統(tǒng)運行節(jié)能率為49.45%。

從以上數(shù)據(jù)分析比較兩種制冷方式測試的結(jié)果，我們得出結(jié)論：室外溫度越低，氟泵系統(tǒng)能效比越高，節(jié)能越明顯，氟泵空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵在于其消耗的功率遠遠小于相同制冷量下壓縮機循環(huán)的消耗功率。

2.2 實際應用中解決的主要技術(shù)難題

在針對案例IDC機房，采用氟泵節(jié)能技術(shù)改造專用空調(diào)后，運行過程中出現(xiàn)的問題，也值得研究研討。具體問題通常出現(xiàn)在壓縮機系統(tǒng)和泵的角度，壓縮機系統(tǒng)會產(chǎn)生噪聲電流偏大、短周期、損壞、堵塞等故障，而泵則常會發(fā)生丟失流量、鎖死等問題，現(xiàn)場人員通過對整個氟泵系統(tǒng)進行冷凍油、過濾器和制冷劑等組件的更換，同時通過長期仔細觀察處理分析，初步探索出了一些解決方法，以下逐一列舉，以供氟泵節(jié)能改造參考。

2.2.1 避免壓縮機故障

首先，針對該改造機房，壓縮機運行時，氟泵進出與冷凝和蒸發(fā)壓力差值較大，兩個制冷循環(huán)顯然不宜共用同一膨脹閥，因此系統(tǒng)需要增設一個膨脹閥。

在氟泵制冷模式下，通常采用10 mm的銅管做為毛細管節(jié)流的節(jié)流元件，該節(jié)流方式會使蒸發(fā)器內(nèi)存有較多液態(tài)制冷劑，使得當氟泵模式切換至壓縮機模式時，壓縮機會將這些液態(tài)氟利昂制冷劑吸入，極有可能的引起液擊風險。通過現(xiàn)場實踐，相關(guān)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)在蒸發(fā)器出口和壓縮機吸氣口間增加一個氣液分離器，可以有效地解決這一問題。

2.2.2 兩種循環(huán)的切換技術(shù)

兩種循環(huán)的切換在氟泵新技術(shù)中至關(guān)重要，經(jīng)過本次改造，得出氟泵正常運行需貯液灌內(nèi)存有一定量制冷劑液體，泵入口不斷流，同時入口制冷劑液體有一定過冷度的條件，針對這些前提，我們優(yōu)化改進循環(huán)切換技術(shù)。

傳統(tǒng)意義上制冷系統(tǒng)切換一般都采用抽真空循環(huán)的方式，即用真空泵抽真空，首先關(guān)閉充注閥，打開內(nèi)部所有連通閥，其次將排氣閥螺塞旋下，打開旁通氣道，接上真空泵，最后起動開始抽氣。但該方式下很難將空氣完全從系統(tǒng)中抽出，因此，針對壓縮機到氟泵的切換問題，為保障氟泵制冷循環(huán)正常運行，在采用原有抽真空循環(huán)基礎上進行調(diào)整，將室外風冷冷凝器風機由原來的變速運行改為全速運行，經(jīng)過調(diào)整后，效果顯著。

針對氟泵到壓縮機的切換問題，在室內(nèi)外溫度達到系統(tǒng)切換溫度設置點的過渡季節(jié)，為避免雙系統(tǒng)的多次切換，實際運行時可將氟泵制冷系統(tǒng)關(guān)閉，以使設備使用期得到延長，這種方式，極大地改善了由于壓縮機和氟泵兩套循環(huán)制冷系統(tǒng)中的制冷劑狀態(tài)和流量完全不一致，導致的兩套系統(tǒng)切換時產(chǎn)生的液擊和氣蝕現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

（1）當機房空調(diào)制冷量小于現(xiàn)有熱負荷，氟泵制冷循環(huán)工作時間較短甚至不工作，無需改建；

（2）對于超期服役的機房專用空調(diào)改造后制冷效果很可能不理想，不建議改造；

（3）氟泵節(jié)能空調(diào)采用間接冷源，避免了直接利用對機房空氣質(zhì)量及運行穩(wěn)定性的不利因素，節(jié)能效果顯著，同時維護量大大縮小，使可靠性得到質(zhì)的飛躍；

（4）兩種循環(huán)切換可做以下優(yōu)化：在抽真空循環(huán)的基礎上進行調(diào)整，室外風冷冷凝器風機全速運行，同時在室內(nèi)外溫度達到系統(tǒng)切換溫度設置點的過渡季節(jié)，采取關(guān)閉氟泵制冷系統(tǒng)的措施，以保護設備不受損壞。