氟泵空調在淮安電信某IDC機房的節能應用研究

崔凌闖

中國電信股份有限公司淮安分公司

0 引言

隨著大數據、人工智能等信息通訊的飛速發展，在降本增效的大環境下，節能是目前集團和公司關注的重點。在通信機房耗電組成中，有研究發現，機房空調耗電約占總耗電量的30%，照明和一般負荷耗電約只占2%。隨著云計算和IDC業務的發展，機房中高功率密度設備越來越多，機房空調數量隨之增多，因此節能減排工作的重點和方向首先就是空調系統的節能。目前對于機房空調節能已經有很多成熟的應用技術，包括變頻節能、背板空調、空調冷水機組水處理節能技術、氟泵節能技術和AI群控節能技術等。

1 氟泵空調簡介

IDC機房一年四季都需要制冷，氟泵空調可以利用室外自然冷源來給機房降溫，維護操作簡單，機房潔凈度保持良好，不僅能實現空調的節能，而且還便于進行節能效果評估。本文重點介紹氟泵空調在淮安電信某IDC機房中的技術應用和節能效果分析。

氟泵節能空調主要由氟泵、貯液器、管路閥門等組成，對于正常的風冷精密空調，制冷系統只有室內雙壓縮機系統，而對于氟泵系統而言，不僅室內有雙壓縮機系統，室外側還有氟泵系統，室外側可以是雙氟泵機組，也可以僅改造其中一套機組，即單氟泵機組。根據氟泵空調系統室外側氟泵機組的數量，氟泵節能空調可分為單系統氟泵機組和雙氟泵機組。氟泵機組必須與專用型或者改裝后的風冷型機房空調配套使用，組成2套制冷循環系統，即壓縮式制冷循環和氟泵制冷循環，形成一個完整的全天候制冷系統。根據研究地區室外環境溫度隨季節變化的特點，設定機房內環境溫度一定的情況下，由室內外環境溫差的大小控制壓縮機和氟泵的啟停。當室內外環境溫差不滿足氟泵啟動條件時，通過壓縮機系統正常運行輸出制冷量；當室內外環境溫差達到氟泵啟動條件時，壓縮機停止工作，氟泵啟動運行。蒸發器中與室內空氣換熱后的制冷劑，直接進入風冷冷凝器與室外冷源進行換熱，冷卻成液態后的制冷劑在氟泵的作用下克服管阻回到蒸發器繼續換熱，從而形成節能模式下的制冷循環。氟泵空調原理圖如圖1所示。

圖1 氟泵空調原理

2 氟泵空調實際應用

針對淮安電信某IDC機房電費較高的情況，結合省公司節能減排的重點工作，在IDC機房對原有的的四臺佳力圖空調（每臺制冷量80kW）進行了氟泵技術改造，安裝雙機組氟泵空調。設定機房要達到的室內溫度為25℃，冬季淮安地區室外溫度一般在10℃以下，設置氟泵空調氟泵工作的室內外溫差為15℃以上，即室外溫度低于10℃的時候氟泵運行，壓縮機停止工作。選擇其中的一臺改造后的佳力圖空調機組，針對氟泵運行和壓縮機單獨運行模式，在冬季分別進行4天的掛表測試，通過讀取氟泵空調面板上安裝的能耗電表和紅外線測溫儀獲得實驗數據。

2.1 氟泵運行模式

設定機房溫度為25℃，設定氟泵工作的室內外溫差為15℃，也就是室外低于10℃的環境下氟泵運行，壓縮機停止工作。測試期間室外溫度為-5~0℃的測試數據見表1；測試期間室外溫度為0~5℃的測試數據見表2。從表1可以看出24h耗能169.52kWh；從表2可以看出24h耗能197.22kWh。

表1 氟泵運行模式的現場測試數據（室外溫度：-5~0℃）

表2 氟泵運行模式的現場測試數據（室外溫度：0~5℃）

2.2 壓縮機運行模式

設定機房溫度為25℃，為了在室外環境溫度一致的情況下進行氟泵工作和壓縮機工作模式的用電對比，設定氟泵工作的室內外溫差為30℃（為啟動壓縮機制冷），也就是室外環境溫度低于-5℃時氟泵運行，室外環境高于-5℃的時候壓縮機工作。測試期間室外溫度為-5~0℃的測試數據見表3；測試期間室外溫度為0~5℃的測試數據見表4。從表3可以看出24h耗能392.40kWh；從表4可以看出24h耗能390.17kWh。

表3 壓縮機運行模式的現場測試數據（室外溫度：-5~0℃）

表4 壓縮機運行模式的現場測試數據（室外溫度：0~5℃）

2.3 節能效果分析對比

（1）氟泵制冷系統運行時耗能情況（48 h）：169.52+197.22＝366.74 kWh。

（2）壓縮機制冷系統運行時耗能情況（48 h）：392.40+390.17＝782.57 kWh。

（3）氟泵制冷系統運行節能率：（782.57-366.74）/782.57＝53.14%。

（4）根據上述試驗數據，估算單臺氟泵空調年投資回報率。

此次改造的單臺機房專用空調雙氟泵機組改造費用為6萬元，按照上述試驗數據，在室內外溫差滿足氟泵運行的情況下，單臺空調每小時耗電量為：（169.52+197.22）/48＝7.64 kWh。

在室內外溫差滿足壓縮機運行的情況下，單臺空調每小時耗電量為：（392.40+390.17）/48＝16.3 kWh。

根據淮安地區當地冬季氣候特點，按照氟泵空調一年中氟泵開啟運行的總運行時間為3個月（主要為12月至2月），每個月平均30天估算，氟泵空調節電量為：（16.3-7.64）*24*30*3＝18705.6 kWh。

根據淮安地區當地冬季氣候特點，按照氟泵空調一年中氟泵開啟運行的總運行時間為3個月（主要為12月至2月），每個月平均30天估算，氟泵空調年運行節能率：（16.3*24*30*12）-（16.3*24*30*9+7.64*24*30*3）/（16.3*24*30*12）=13.28%。

按照每度電1元的價格，單臺氟泵空調年投資回報率為：（18705.6*1）/60000＝31.2%。

在IDC機房溫度和室外環境溫度基本相同的情況下，比較氟泵制冷和壓縮機單獨制冷，分析得到：氟泵系統能效比高，節能效果明顯；在氟泵運行工作模式中，隨著室外環境溫度變低，氟泵開啟效果更好更省電。由于氟泵制冷循環時的消耗功率遠遠小于相同制冷量下壓縮機的消耗功率，利用冬天室外環境溫度低，氟泵模式運行情況下就可以輸出機房內所需要的冷負荷，達到機房空調節能的目的。

3 新建和改造為氟泵空調的綜合考慮因素

對于正常的機房專用空調系統，進行氟泵系統改造后，若有利于氟泵制冷循環運轉的環境天數較少，或者即將超期使用的機房專用空調，都不適合進行氟泵空調改造。

氟泵空調的新建和改建要綜合考慮機房地理位置、機房所需冷負荷的大小、室內外溫差的大小及維持時間長短、現有機房空調的使用壽命，不能盲目改造或新建氟泵節能空調，否則不但達不到節能降費的效果，反而會使投入成本成倍增加。對于要改造的通信機房，我們需要科學合理地分配好氟泵節能空調在整個機房空調運用中的占比。一般來說，針對熱負荷較大的通信機房，雙壓縮系統風冷精密空調進行氟泵節能空調新建或改造后，氟泵系統輸出額定制冷量占機房最大總制冷量35%～50%相對比較合理，有利于企業較早收回投資成本。

4 氟泵空調運行中存在的問題及解決方法

本次研究的某IDC機房經過氟泵節能技術改造后的4臺佳力圖機房專用空調，改造后空調在運行過程中也存在一些問題，如壓縮機噪聲電流偏大和損壞故障、系統堵塞、泵流量丟失、泵鎖定等。通過后續幾個月的分析研究，初步總結了一些解決方法。

4.1 壓縮機相關的故障處理

壓縮機運行時，制冷劑的蒸發壓力和冷凝壓力壓差要比氟泵運行時兩者的差值大，兩種運行模式下，為了保證壓縮機正常運行，不適合共用一個膨脹閥，需額外增加一個膨脹閥。在氟泵制冷模式下，機組膨脹節流采用的是10 mm的銅管，導致較多的液態制冷劑進入蒸發器。從氟泵制冷切換到壓縮機制冷模式時，存在壓縮機吸入液態氟利昂引起液擊風險。因此在壓縮機循環中，需要在蒸發器出口和壓縮機吸氣口之間增加一個氣液分離器，從而保證壓縮機安全運行。

4.2 模式切換相關故障處理

在實際應用中，常常出現氟泵流量丟失、泵鎖定等故障，氟泵經常會遇到泵前后壓差較小的情況，導致氟泵不能正常運行。經過研究發現，氟泵正常運行需要滿足兩個條件：一是貯液灌內制冷劑液體應有一定余量；二是進入氟泵的制冷劑液體應有一定的過冷度。

采用壓縮機抽真空循環，能夠使貯液灌內有足夠的制冷劑液體，由于制冷劑液體溫度比較高，機組會自動切換到壓縮機運行模式，出現泵鎖定告警。如果貯液灌的制冷劑液體得不到充分冷卻，在氟泵工作模式下，冷凝器啟動后會有較多的液態制冷劑截留在冷凝器中，很容易造成氟泵斷流，引起氟泵氣蝕，從而出現泵流量丟失等告警。經過不斷摸索發現，把原來的抽真空循環進行調整，通過加強室外風冷冷凝器冷凝效果，把變速運行的冷凝風機調整為全速運行，貯液灌制冷劑液體實現充分冷卻，順利進入氟泵循環。通過這種方法，很好地避免了氟泵誤切換成壓縮機運行的故障。

由于氟泵和壓縮機兩套循環制冷系統中的制冷劑流量和狀態不同，在壓縮機運行時，壓縮機側為流量小的氣態制冷劑，而氟泵側為流量較大的液態制冷劑，在兩種制冷模式切換時很容易發生液擊和氣蝕現象，所以在機房內外溫差達到系統制冷模式切換的過渡季節，機房內外環境溫差變化快，為避免氟泵與壓縮機頻繁切換問題，在實際運行中，可采取關閉氟泵制冷系統的措施，以保護設備不受損壞。

分析解決氟泵空調常見問題障礙后，淮安電信某IDC機房4臺改造的氟泵空調運行情況良好，能夠平穩運行并實現節能。

5 結束語

通過探討和分析得出淮安電信某IDC機房氟泵節能空調系統運行節能率為53.14%，氟泵空調年運行節能率為13.28%，其年投資回報率在31%左右，節能效果顯著。氟泵空調通過間接利用冷源的方式，消除了直接利用冷源的所有弊端，不影響機房空氣質量，維護量小，可靠性高，系統運行穩定，是值得在寒冷季節大力推廣的雙工況復合制冷循環節能產品。根據前述氟泵空調年運行節能率方法計算，對于全年8760小時，要求氟泵空調年運行節能率不低于5%的情況下，氟泵自然冷卻溫度低于10℃的啟動要求時長不低于825小時；在要求氟泵空調年運行節能率不低于10%的情況下，氟泵自然冷卻溫度低于10℃的啟動要求時長不低于1649小時。

由于電源動力專業是實施和發揮節能減排工作的主力，在積極主動完成公司節能減排目標的同時，要關注節能產品的應用是否真實達到了節能的目標。對節能效果不明顯、評估模糊的產品一定要謹慎試用，讓安全可靠的新節能技術真正助力企業降本增效。