機(jī)房精密空調(diào)變頻節(jié)能改造的效果分析

李 菁，王靜鋒，龍志國(guó)

（中國(guó)電信武漢分公司，湖北 武漢 430064）

0 引 言

2021年，我國(guó)開(kāi)啟碳中和元年，國(guó)家提出了綠色低碳循環(huán)發(fā)展的生產(chǎn)體系要求，加快信息服務(wù)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，做好大中型數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房綠色建設(shè)和改造，建立綠色運(yùn)營(yíng)維護(hù)體系。響應(yīng)中國(guó)電信集團(tuán)推進(jìn)落實(shí)3060雙碳行動(dòng)目標(biāo)，開(kāi)展重要資源效能提升的工作戰(zhàn)略，武漢分公司積極試行節(jié)能新技術(shù)、新方法，其中機(jī)房精密空調(diào)變頻節(jié)能改造已列入《綠色數(shù)據(jù)中心先進(jìn)適用技術(shù)產(chǎn)品目錄》，它是指根據(jù)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)熱力計(jì)算結(jié)果輸出相應(yīng)控制信號(hào)控制壓縮機(jī)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)工作頻率，進(jìn)而達(dá)到降低能耗的目的[1]。

1 機(jī)房精密空調(diào)的能耗問(wèn)題

數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)的配置往往是一步到位，按機(jī)房IDC機(jī)柜合計(jì)的最大負(fù)荷所需制冷量并留有冗余，而IDC機(jī)房機(jī)柜占用率是根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展變化的，在機(jī)房開(kāi)通初期甚至較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)機(jī)柜使用數(shù)量達(dá)不到設(shè)計(jì)容量，這就造成機(jī)房空調(diào)制冷量有較大冗余[2]。同時(shí)，即使機(jī)柜使用達(dá)到設(shè)計(jì)容量，由于設(shè)備功率的差異和季節(jié)、晝夜等變化，對(duì)空調(diào)的制冷量需求不同，造成機(jī)房空調(diào)長(zhǎng)期部分負(fù)載運(yùn)行（30%～90%），實(shí)際運(yùn)行中很少有滿(mǎn)負(fù)荷情況，在空調(diào)制冷量冗余較大時(shí)，只能通過(guò)人工定期開(kāi)關(guān)機(jī)、調(diào)整溫度設(shè)定值等管理手段來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，因此在用數(shù)據(jù)中心機(jī)房具有節(jié)電空間。

早期建設(shè)投運(yùn)的機(jī)房風(fēng)冷空調(diào)均為工頻壓縮機(jī)，僅提供開(kāi)啟、停止的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)幅度過(guò)大從而頻繁啟停，無(wú)法精確控制機(jī)房溫度；大功率的風(fēng)冷空調(diào)還配置兩個(gè)壓縮機(jī)和兩套制冷循環(huán)系統(tǒng)，但在部分負(fù)載下，一個(gè)壓縮機(jī)停機(jī)，造成單路的冷凝器／蒸發(fā)器處于閑置，相同冷量輸入的情況下，降低了制冷效率，增加了能耗。此外，除近年來(lái)風(fēng)冷空調(diào)逐漸采用EC風(fēng)機(jī)外，早期的空調(diào)風(fēng)機(jī)均為定風(fēng)量運(yùn)行，無(wú)法根據(jù)實(shí)際需求風(fēng)量變速調(diào)節(jié)。上述問(wèn)題都導(dǎo)致了電能的浪費(fèi)[3]。

2 機(jī)房空調(diào)變頻改造

變頻節(jié)能技術(shù)是目前空調(diào)節(jié)能技術(shù)中較為成熟、應(yīng)用較為廣泛的一種節(jié)能技術(shù)。變頻空調(diào)通過(guò)變頻器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，頻率高，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速就快，空調(diào)產(chǎn)生的制冷量就大；而頻率較低時(shí)，制冷量相應(yīng)變小，自動(dòng)調(diào)節(jié)的結(jié)果使空調(diào)能夠根據(jù)周?chē)h(huán)境溫度變化的實(shí)際需要快速產(chǎn)生可變的制冷量。與傳統(tǒng)定頻方式相比主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)制冷效率與室外溫度和負(fù)荷率相關(guān)。定頻風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)的壓縮機(jī)全年以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，而變頻風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)壓縮機(jī)可根據(jù)負(fù)荷變化，調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和出力。在部分負(fù)荷和過(guò)渡季節(jié)、冬季運(yùn)行時(shí)，變頻機(jī)房空調(diào)相比定頻空調(diào)制冷效率更高，適應(yīng)能力更強(qiáng)，用電量更少。

（2）變頻風(fēng)冷空調(diào)在部分負(fù)荷運(yùn)行制冷能效更高。風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)運(yùn)行的高效區(qū)一般是在負(fù)載率40%～75%。變頻改造后采用智能控制系統(tǒng)，將壓縮機(jī)的有級(jí)啟停變?yōu)闊o(wú)極調(diào)速，最大程度利用冷凝器/蒸發(fā)器換熱，提升制冷效率，降低風(fēng)冷空調(diào)的負(fù)載率，確保整個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行總能耗最低[4]。

目前機(jī)房精密空調(diào)變頻改造實(shí)現(xiàn)以變頻控制技術(shù)為主，并包含多種根據(jù)溫度調(diào)節(jié)的自適應(yīng)智能控制技術(shù)，主要包含：①壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)技術(shù)；②壓縮機(jī)群控技術(shù)；③溫度優(yōu)化控制技術(shù)；④壓縮機(jī)回油保障控制技術(shù)；⑤低諧波變頻技術(shù)。在實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的同時(shí)，也對(duì)空調(diào)運(yùn)行質(zhì)量、電能質(zhì)量采取了保障措施。

3 變頻改造的效果分析

3.1 變頻改造的節(jié)能效果分析

某IDC機(jī)房設(shè)備總功率為238 kW，機(jī)房?jī)?nèi)配置的空調(diào)制冷量為921 kW，所有空調(diào)變頻改造后，對(duì)原模式和變頻改造后的節(jié)能模式進(jìn)行空調(diào)用電量對(duì)比分析，原模式日均能耗4 156.0 kW·h，節(jié)能模式日均能耗2 812.4 kW·h，測(cè)試期間平均節(jié)電率達(dá)到32.33%，節(jié)能效果明顯，具體節(jié)能數(shù)據(jù)如表1。

表1 某IDC機(jī)房空調(diào)變頻改造節(jié)電率分析表

3.2 變頻改造的機(jī)房溫度分析

對(duì)上述變頻改造的IDC機(jī)房在原模式和節(jié)能模式下機(jī)房?jī)?nèi)溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析：改造后機(jī)房溫度波動(dòng)值由3.1℃降至1.5℃以?xún)?nèi)，具體見(jiàn)圖1、圖2。機(jī)房溫度整體上震蕩幅度更小，溫度控制更加平穩(wěn)，同時(shí)有效地降低了壓縮機(jī)啟停次數(shù)，有利于降低空調(diào)故障率，延長(zhǎng)空調(diào)的使用壽命。

圖1 某IDC機(jī)房空調(diào)在原模式下回風(fēng)溫度圖

圖2 某IDC機(jī)房空調(diào)在節(jié)能模式下回風(fēng)溫度圖

3.3 變頻改造對(duì)電能質(zhì)量的影響分析

變頻器運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)輸入電源用大功率二極管整流（或晶體管/逆變模塊）進(jìn)行逆變；在其逆變過(guò)程中，在輸入輸出回路產(chǎn)生的高次諧波；變頻器諧波對(duì)數(shù)據(jù)中心對(duì)供電系統(tǒng)、負(fù)載及其鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響供電可靠性[5]。

對(duì)上述機(jī)房的空調(diào)輸入端電能質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試，節(jié)能模式和原模式下電壓、電流畸變率和功率因數(shù)的對(duì)比，節(jié)能模式下電壓畸變率基本無(wú)變化、電流畸變率略有增加，功率因數(shù)明顯提升，接近于1。

本次改造的每臺(tái)空調(diào)變頻控制器內(nèi)均安裝了有源濾波器，采用直流矩陣式變頻技術(shù)，內(nèi)置9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)進(jìn)行格子狀連接，實(shí)現(xiàn)雙向AC-AC的直接轉(zhuǎn)換回路，降低電源輸入側(cè)諧波畸變，達(dá)到輸入端電壓諧波畸變小于3%，電流畸變小于10%，整體功率因數(shù)0.95以上，對(duì)低壓系統(tǒng)的電能質(zhì)量影響較小，電磁兼容性較好。如圖3所示。

圖3 某IDC機(jī)房空調(diào)節(jié)能改造前后的電能質(zhì)量對(duì)比圖

對(duì)比另一個(gè)IDC機(jī)房進(jìn)行空調(diào)變頻改造試點(diǎn)時(shí)，在空調(diào)配電柜的電能質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)：電壓諧波2.2%，符合要求；電流諧波16.2%～19.7%，超出允許范圍，具體如圖4所示。經(jīng)檢查分析，該變頻控制器未進(jìn)行諧波治理。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比在用數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)變頻節(jié)能改造前后的測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)房精密空調(diào)變頻改造具有顯著的節(jié)電效果。目前各機(jī)房的測(cè)試節(jié)電率在12.61%～35%，制冷量冗余度越大的機(jī)房其節(jié)能改造效果越好。建議在進(jìn)行變頻改造前先對(duì)機(jī)房PUE進(jìn)行分析，優(yōu)先應(yīng)用于PUE高、空調(diào)制冷量冗余大的機(jī)房。

（2）機(jī)房精密空調(diào)變頻改造后，機(jī)房溫度在節(jié)能模式下比原模式整體上波動(dòng)幅度更小，機(jī)房溫度更加穩(wěn)定，空調(diào)溫度控制精度更高。但目前機(jī)房溫度控制來(lái)源單一，一般是空調(diào)回風(fēng)溫度或送風(fēng)溫度，往往導(dǎo)致空調(diào)近端溫度達(dá)標(biāo)但遠(yuǎn)端及高功率區(qū)溫度過(guò)高，建議根據(jù)機(jī)房溫度熱力圖和氣流組織圖增加溫度監(jiān)控點(diǎn)，引入AI大數(shù)據(jù)分析，建立多維度的變頻節(jié)能智能控制系統(tǒng)。

（3）機(jī)房精密空調(diào)變頻改造后，如果不采取諧波治理，會(huì)導(dǎo)致輸入側(cè)電流諧波明顯增加，建議空調(diào)變頻改造采取就近諧波治理措施，在變頻控制器或空調(diào)配電柜內(nèi)安裝有源諧波裝置，降低電流諧波，同時(shí)提高功率因數(shù)，以降低對(duì)低壓系統(tǒng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，減少對(duì)附近電氣設(shè)備的干擾和影響。