上海某數(shù)據(jù)中心機(jī)房專用空調(diào)室外機(jī)預(yù)冷改造效果分析

沈 佳（上海建科節(jié)能技術(shù)有限公司， 上海 200030）

近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，世界能源需求快速增長，能源大量消耗導(dǎo)致的資源短缺和環(huán)境污染及氣候變化問題日益突出。我國人口眾多，能源相對匱乏，如何實(shí)現(xiàn)能源消耗的減少或能耗的低增長對我國來講是一個非常重要的問題。黨的“十七大”已明確提出，堅(jiān)持節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境的基本國策，落實(shí)節(jié)能減排工作責(zé)任制。

數(shù)據(jù)中心能耗在社會總能耗中所占的比例逐年增加，為了踐行節(jié)能低碳理念，持續(xù)提升網(wǎng)絡(luò)能效水平，降低運(yùn)營成本，本研究在數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行空調(diào)室外機(jī)水預(yù)冷改造，通過比較精密空調(diào)和室外機(jī)采用水預(yù)冷時空調(diào)運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行效率等數(shù)據(jù)，得出相同工況下，水預(yù)冷空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能量，評價此項(xiàng)節(jié)能技術(shù)與機(jī)房能耗的關(guān)系。

1 現(xiàn)狀分析

上海市某數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)普遍采用風(fēng)冷機(jī)房專用空調(diào)，室外機(jī)集中安裝在屋頂。近年夏季氣溫普遍較高，而機(jī)房單位面積功耗持續(xù)上升，導(dǎo)致空調(diào)數(shù)量大幅增加。屋頂室外風(fēng)冷冷凝器安裝也越來越密集，造成冷凝器周圍形成局部“熱島效應(yīng)”，進(jìn)而導(dǎo)致夏季室外風(fēng)機(jī)持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，冷凝壓力持續(xù)較高，機(jī)組頻繁出現(xiàn)高壓保護(hù)，制冷效率降低。另外由于室外風(fēng)機(jī)持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較大噪聲污染。

安裝有風(fēng)冷直膨式機(jī)房專用空調(diào) 31 臺，60 臺機(jī)房專用空調(diào)室外機(jī)。該樓配置的機(jī)房空調(diào)能效比較低的原因主要有以下幾個方面：① 是空調(diào)設(shè)備普遍投入運(yùn)行時間較長，能效衰減；② 空調(diào)安裝管路較長，制冷效果衰減，降低空調(diào)能效。空調(diào)室外機(jī)集中安裝，散熱環(huán)境較差；③ 空調(diào)熱備份數(shù)量多，開啟過多的風(fēng)機(jī)能耗，降低了整體能效；④ 該項(xiàng)目所在地靠近居民區(qū)和商業(yè)區(qū)，大量室外機(jī)集中布置，夏季風(fēng)機(jī)持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，噪聲值較高。

2 改造方案

根據(jù)現(xiàn)有比較成熟的節(jié)能改造技術(shù)和現(xiàn)場查勘情況，采用屋頂安裝冷卻塔，對風(fēng)冷室外機(jī)進(jìn)行預(yù)冷改造，以減少夏季室外機(jī)高溫報警，同時也能降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而降低噪聲污染。

改造內(nèi)容包括：① 在原有風(fēng)冷室外機(jī)的基礎(chǔ)上，在制冷系統(tǒng)氣管進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器的前端串聯(lián)一個水冷式換熱器；② 水泵將冷卻水從冷卻塔輸送到水冷換熱器內(nèi)—先將空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)行初步冷卻，隨后制冷劑進(jìn)入到風(fēng)冷冷凝器換熱，而冷卻水循環(huán)回冷卻塔內(nèi)，通過冷卻塔降溫，再次輸送到水冷換熱器內(nèi)。

3 節(jié)能改造選型

3.1 冷卻塔的選型

冷塔散熱量按式（1）計算。

式中：Q—冷塔散熱量，kW；

Q1—通信系統(tǒng)峰值負(fù)荷，kW，其計算公式如式（2）所示；

COP—空調(diào)系統(tǒng)能效比，預(yù)計改造后能效比可達(dá) 2.5。

每層建筑面積約為 960 m2，共 3 層，即 2 880 m2；通信系統(tǒng)用電峰值數(shù)據(jù)選自機(jī)房監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)為 1 500 kW，功率因數(shù)按照 0.85 取值。

Q1=1 500×0.85＋0.1×建筑面積=1 563 kW

考慮到無風(fēng)機(jī)冷卻塔尺寸以及建筑本身負(fù)載，本次選用機(jī)房 80% 負(fù)荷的冷塔，其循環(huán)水量為 300 m3/h。

另外考慮冷卻塔噪聲加大，因此選用無風(fēng)機(jī)冷卻塔，其具有無風(fēng)機(jī)、無電機(jī)、無傳動機(jī)構(gòu)，不產(chǎn)生機(jī)械噪聲，以流體動能轉(zhuǎn)換裝置取代風(fēng)機(jī)等特點(diǎn)。避免了傳統(tǒng)冷塔由于風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的空氣渦旋噪聲以及傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。

冷卻塔選用循環(huán)水量為 300 m3/h、散熱量 1 750 kW 的型號。冷卻塔的補(bǔ)水量一般為冷卻水量的 1%～2%。

3.2 冷卻循環(huán)水泵選型

在系統(tǒng)中增加立式循環(huán)水泵，為整個冷卻水系統(tǒng)提供循環(huán)動力。為保障系統(tǒng)能夠正常工作，不影響水泵維護(hù)，系統(tǒng)中須配備一臺備用泵。冷卻水泵選型需要根據(jù)流量以及揚(yáng)程進(jìn)行選型。

冷卻水泵流量同冷卻塔，為 300 m3/h。

冷卻水泵揚(yáng)程按式（3）計算。

式中：塔體揚(yáng)程—噴管揚(yáng)程＋入水口高度，m；

系統(tǒng)阻力—取值 80 kPa；

殼管冷凝器阻力— 50 kPa；

循環(huán)水泵型號：流量 300 m3/h，揚(yáng)程 31 m。一備一用，共 2 臺。

3.3 殼管式冷凝器

每個風(fēng)冷冷凝器前串聯(lián)一個水冷殼管式冷凝器，通過冷媒與水之間的換熱，提高換熱效率，降低風(fēng)冷冷凝器的工作負(fù)荷，從而降低室外風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。同時，在樓頂安裝冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有室外機(jī)制冷量選取 40 kW 和 50 kW 兩種型號的殼管式換熱器。

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的是對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和管理。通過優(yōu)化控制提高管理水平，真正節(jié)約能源和人工成本，并能方便地實(shí)現(xiàn)物業(yè)管理自動化。其主要組成部分包括管理操作站、網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)絡(luò)控制器、直接數(shù)字控制器等控制對象。為了分析實(shí)際效果，在冷卻塔、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵處增加智能電表，并接入動環(huán)平臺，統(tǒng)計該技術(shù)的用電量，并與未用該技術(shù)時用電量進(jìn)行比較，統(tǒng)計節(jié)電量。

4 改造節(jié)能效果測試

4.1 測試數(shù)據(jù)

對該樓整體精密空調(diào)的節(jié)能率（使用水預(yù)冷前后）進(jìn)行了測試，該樓整體節(jié)能率為 20.03%。此次主要是對新舊精密空調(diào)機(jī)組（投用 3 a 以內(nèi)的視為新機(jī)組，投用超過 3 a 的視為舊機(jī)組）節(jié)能率進(jìn)行測試。此次新舊空調(diào)節(jié)電率差異對比測試主要采用“水預(yù)冷開啟模式” “水預(yù)冷關(guān)閉模式”2 種運(yùn)行情況，計量 2 F 13 a、16 a 啟用的 5 號、6號、7 號、8 號 4 臺空調(diào)能耗與計量 3 F 18 a 啟用的 2 號、4 號、6 號、9 號 4 臺空調(diào)能耗進(jìn)行對比，分析計算新舊空調(diào)節(jié)電率情況。水預(yù)冷裝置開啟模式測試時間為 10 月 12 日14:25～ 16:23，室外溫度為 28.47 ℃，測試結(jié)果如表 1～表2 所示。水預(yù)冷裝置關(guān)閉模式測試時間 10 月 15 日 12:40～14:40，室外溫度為 20 ℃，測試結(jié)果如表 3～表 4 所示。

表1 水預(yù)冷裝置開啟模式測試結(jié)果（舊空調(diào)） 單位：/kWh

表2 水預(yù)冷裝置開啟模式測試結(jié)果（新空調(diào)） 單位：/kWh

表3 水預(yù)冷裝置關(guān)閉模式測試結(jié)果（舊空調(diào)） 單位：/kWh

表4 水預(yù)冷裝置關(guān)閉模式測試結(jié)果（新空調(diào)） 單位：/kWh

4.2 節(jié)能率分析

節(jié)能率分析如表 5、表 6 所示。

表5 新舊空調(diào)節(jié)電率計算及匯總對比

表6 按照目前設(shè)備節(jié)電率進(jìn)行整個系統(tǒng)推算

新舊空調(diào)平均節(jié)能率 20.38% 的結(jié)果與對該樓整體精密空調(diào)的節(jié)能率（使用水預(yù)冷前后）20.03% 較為接近

5 結(jié) 語

此次通過對比機(jī)房水預(yù)冷系統(tǒng)運(yùn)行和關(guān)閉 2 種情況下空調(diào)設(shè)備的用電量，采用“水預(yù)冷開啟模式”“水預(yù)冷關(guān)閉模式”運(yùn)行，使用電表采集空調(diào)設(shè)備的用電量，計量各自能耗情況，對比分析計算出節(jié)電率。通過測試分析，該項(xiàng)目的改造技術(shù)具有較大的推廣價值，主要體現(xiàn)在 3 個方面：① 對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)安全無負(fù)面影響；② 具有較大的節(jié)能效果，主要體現(xiàn)在可減少空調(diào)功耗值，提高空調(diào)運(yùn)行效率；③ 具有很強(qiáng)的可持續(xù)性，適用于早期采用風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)，室外機(jī)密度比較大的機(jī)房，尤其環(huán)境溫度在 27℃ 以上時，節(jié)能效果明顯。

后續(xù)將通過對更多的機(jī)房節(jié)能改造項(xiàng)目的實(shí)際使用效果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測試分析，持續(xù)挖掘成熟、可靠的節(jié)能技術(shù)，提升機(jī)房能效水平，以滿足工信部 2019 年《三部門關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》 中的對于 2022 年數(shù)據(jù)中心平均能耗，以及新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的電能使用效率值的要求。