免費(fèi)取冷技術(shù)在通信機(jī)房空調(diào)應(yīng)用中的節(jié)能分析

劉婷婷，田 浩

(1.北京京北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，北京101400;2.施耐德電氣信息技術(shù)(中國(guó))有限公司，北京100000)

通信機(jī)房的節(jié)能技術(shù)非常豐富，針對(duì)不同的機(jī)房環(huán)境及特定情況，理論界提出了諸多節(jié)能方法:使用高效空調(diào)、機(jī)房溫濕度設(shè)定值節(jié)能控制、更換制冷劑、添加耐磨劑、壓縮機(jī)變頻技術(shù)、新風(fēng)節(jié)能、送風(fēng)節(jié)能、設(shè)置水噴淋裝置、冷凝熱回收利用、冷凝器噴淋降溫節(jié)能技術(shù)等[2]。本文探討的是免費(fèi)取冷技術(shù)的應(yīng)用及其節(jié)能效果。

1 免費(fèi)取冷技術(shù)節(jié)能原理

由于機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)需要每天24 h連續(xù)不斷地運(yùn)行，因此需要消耗大量電能。很多地區(qū)冬季以及春秋季節(jié)的晚上室外環(huán)境溫度比較低，可利用室外冷空氣作為冷源來(lái)承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，免費(fèi)取冷技術(shù)就是利用這種原理。當(dāng)室外溫度較低并且足以承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷時(shí)，啟動(dòng)免費(fèi)取冷系統(tǒng)，向室內(nèi)提供冷量，而此時(shí)不需要啟動(dòng)壓縮機(jī)，以達(dá)到節(jié)省電力的目的。

免費(fèi)取冷系統(tǒng)利用中間介質(zhì)乙二醇水溶液帶走室內(nèi)熱量，系統(tǒng)包括室外機(jī)組和室內(nèi)機(jī)組，圖1為其工作原理圖。室外機(jī)組包括冷凝器(圖1盤(pán)管3)和風(fēng)機(jī)等;室內(nèi)機(jī)組包括兩個(gè)蒸發(fā)盤(pán)管(圖1盤(pán)管1和盤(pán)管2)、一個(gè)板式換熱器(圖1中盤(pán)管4)、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等，兩個(gè)蒸發(fā)盤(pán)管中一個(gè)是氟蒸發(fā)盤(pán)管(圖1(a)中盤(pán)管2)，管內(nèi)流動(dòng)的是制冷劑(R22或R407C)，一個(gè)是水蒸發(fā)盤(pán)管(圖1(a)中盤(pán)管1)，管內(nèi)流動(dòng)的是乙二醇水溶液。與普通機(jī)房空調(diào)相比，多設(shè)置了板式換熱器和水蒸發(fā)盤(pán)管，并在板式換熱器與蒸發(fā)盤(pán)管之間裝有三通閥。

圖1 免費(fèi)取冷系統(tǒng)原理圖

一般情況下，室外溫度比較高時(shí)，機(jī)組運(yùn)行像普通空調(diào)機(jī)組一樣，利用三通閥將乙二醇水溶液旁通至室外冷凝器，見(jiàn)圖1(a)。此時(shí)乙二醇水溶液不流經(jīng)水蒸發(fā)盤(pán)管(圖1(a)右上部盤(pán)管1)，在室外冷凝器內(nèi)經(jīng)空氣冷卻后的乙二醇水溶液直接進(jìn)入室內(nèi)機(jī)的板式換熱器，在板式換熱器中冷卻制冷劑，然后再回到室外冷凝器，此時(shí)壓縮機(jī)正常工作。

天氣較涼時(shí)，室外空氣溫度較低，在室外冷凝器中的乙二醇水溶液溫度變得比室內(nèi)溫度低，見(jiàn)圖1(b)。此時(shí)，在室外冷凝器內(nèi)經(jīng)室外空氣冷卻后的乙二醇水溶液通過(guò)三通閥流至室內(nèi)機(jī)的水蒸發(fā)盤(pán)管(圖1(b)右上部盤(pán)管1)，室內(nèi)空氣流經(jīng)水蒸發(fā)盤(pán)管溫度降低，創(chuàng)造了一個(gè)免費(fèi)取冷的效果。此時(shí)若免費(fèi)取冷產(chǎn)生的制冷量不足以承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，可以同時(shí)啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷，對(duì)冷量進(jìn)行補(bǔ)充，在這種情況下減少了壓縮機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)和時(shí)間，達(dá)到一定的節(jié)能效果。

當(dāng)室外溫度下降到一定值時(shí)(一般情況下低于7℃)，在室外冷凝器中的乙二醇水溶液溫度變得比室內(nèi)溫度低很多，見(jiàn)圖1(c)。此時(shí)，在室外冷凝器內(nèi)經(jīng)室外空氣冷卻后的乙二醇水溶液通過(guò)三通閥流至室內(nèi)機(jī)的水蒸發(fā)盤(pán)管(圖1(c)右上部盤(pán)管1)，室內(nèi)空氣流經(jīng)水蒸發(fā)盤(pán)管溫度降低，創(chuàng)造了一個(gè)免費(fèi)取冷的效果。此時(shí)免費(fèi)取冷的制冷量完全能承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，不需啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷。在這種情況下空調(diào)機(jī)組通過(guò)控制三通閥的開(kāi)度大小來(lái)控制進(jìn)入水蒸發(fā)盤(pán)管的乙二醇水溶液的流量，從而精確控制機(jī)組的制冷量的大小。此時(shí)空調(diào)機(jī)組耗電部件僅為室內(nèi)風(fēng)機(jī)和室外風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)無(wú)需啟動(dòng)，從而大大降低了電力消耗，具有明顯的節(jié)能效果。

2 機(jī)房空調(diào)免費(fèi)取冷技術(shù)節(jié)能效果

2.1 在歐洲的節(jié)能效果

機(jī)房空調(diào)廠家針對(duì)某一型號(hào)的機(jī)房空調(diào)，對(duì)使用了免費(fèi)取冷技術(shù)的節(jié)能型機(jī)房空調(diào)在歐洲眾多地點(diǎn)進(jìn)行了節(jié)能效果測(cè)試，測(cè)試條件為:穩(wěn)定負(fù)載、室內(nèi)溫度24℃、相對(duì)濕度50%，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和圖2。

表1 免費(fèi)取冷技術(shù)在歐洲年節(jié)能效果測(cè)試結(jié)果

表1為空調(diào)廠家在歐洲地區(qū)進(jìn)行的節(jié)能試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)。從表1和圖2可見(jiàn)，免費(fèi)取冷技術(shù)在歐洲9個(gè)地區(qū)應(yīng)用節(jié)能效果很明顯。最高節(jié)能率達(dá)62.5%，發(fā)生在斯德哥爾摩;最低節(jié)能率也有24.3%，發(fā)生在羅馬。

圖2 免費(fèi)取冷技術(shù)在歐洲各地機(jī)房空調(diào)中應(yīng)用的節(jié)能率比較

2.2 在北京的節(jié)能效果分析

北京地區(qū)與柏林地區(qū)緯度基本相同，因此在北京的節(jié)能效果與柏林相差不多，免費(fèi)取冷技術(shù)在柏林的節(jié)能率為48.9%。由于北京冬季比較冷，春秋季晚上的溫度也不太高，因此比較適合使用節(jié)能型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)。表2為北京市觀象臺(tái)北京市歷史氣象信息(數(shù)據(jù)來(lái)源于北京氣象臺(tái)網(wǎng)站)。

表2 北京市觀象臺(tái)歷史氣象信息 (單位:℃)

由表2可以看出，北京市每年1月、2月、3月、11月和12月的日平均氣溫均低于7℃，這5個(gè)月中絕大部分時(shí)間壓縮機(jī)不需開(kāi)啟，只有在氣溫高于7℃時(shí)壓縮機(jī)才開(kāi)啟，而春秋季節(jié)氣溫低于7℃時(shí)壓縮機(jī)也不需開(kāi)啟。假設(shè)1月、2月、3月、11月和12月中氣溫高于7℃的時(shí)間與春秋季節(jié)氣溫低于7°C的時(shí)間相等，則可以近似認(rèn)為每年北京市氣溫低于7℃的時(shí)間約3 600 h(5×30×24=3 600)。

以型號(hào)為T(mén)UER2842的節(jié)能型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)為例，其制冷量為100.7 kW，壓縮機(jī)輸入功率為22.4 kW，整機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷輸入功率為42.27 kW。

若無(wú)免費(fèi)取冷功能，全年均為壓縮機(jī)制冷，僅當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后壓縮機(jī)才停止運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，一年內(nèi)大約有20% ～25%的時(shí)間壓縮機(jī)停止運(yùn)行。若取25%，則全年耗電量為:

若有免費(fèi)取冷功能，一年有3 600 h啟動(dòng)免費(fèi)取冷，其余時(shí)間均為壓縮機(jī)制冷，則全年耗電量為:

可見(jiàn)，采用免費(fèi)取冷技術(shù)年節(jié)省電量為:

節(jié)能率為:

若電費(fèi)按照1元/kWh計(jì)算，每年節(jié)省電費(fèi)為:

節(jié)能型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)機(jī)組的初投資會(huì)高于普通機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)，普通機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)價(jià)格為23萬(wàn)元，節(jié)能型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)價(jià)格為31.5萬(wàn)元。但結(jié)合上述電費(fèi)的節(jié)省情況看，一年就能將多出的投資節(jié)省回來(lái)，大約3年時(shí)間節(jié)省的電費(fèi)就可以購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)全新的節(jié)能型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)機(jī)組。

3 免費(fèi)取冷技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

3.1 改造方案

唐山聯(lián)通高開(kāi)區(qū)IDC通信機(jī)房面積為311 m2，原有5 p舒適性空調(diào)5臺(tái)，總制冷量為62.5 kW?，F(xiàn)在機(jī)房?jī)?nèi)有108個(gè)服務(wù)器機(jī)架，每架功率為3 kW，所需制冷量為:

式中:95%為服務(wù)器同時(shí)使用系數(shù);0.15為照明及圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的單位面積冷負(fù)荷，kW/m2。

原有空調(diào)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足機(jī)房制冷量要求，導(dǎo)致機(jī)房設(shè)備無(wú)法正常工作。改造后，高開(kāi)區(qū)IDC機(jī)房空調(diào)主機(jī)采用2臺(tái)型號(hào)為T(mén)UER2842的節(jié)能型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)和2臺(tái)型號(hào)為T(mén)UAR2842普通機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)，單臺(tái)制冷量均為100.7 kW。機(jī)組于2008年10月投入使用。

3.2 節(jié)能測(cè)試

唐山聯(lián)通分公司于2010年1月30日至3月30日在唐山高開(kāi)區(qū)IDC機(jī)房做了節(jié)能型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)實(shí)時(shí)用電量測(cè)量，兩臺(tái)空調(diào)分別掛D862電流表，60倍電流互感器，得出數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表3可以看出，這兩臺(tái)節(jié)能型機(jī)房空調(diào)在2月(室外平均氣溫為－2℃)日用電量為782 kWh，3月(室外平均氣溫為4℃)日用電量為906 kWh，隨著室外氣溫逐步升高，空調(diào)用電量也隨著遞升。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明該空調(diào)在室外溫度低于等于7℃時(shí)，啟動(dòng)免費(fèi)取冷系統(tǒng)，向室內(nèi)提供冷量，而此時(shí)不需要啟動(dòng)壓縮機(jī)，節(jié)省了電能。在2月和3月節(jié)能率分別達(dá)47%和40%。

表3 中國(guó)聯(lián)通唐山分公司高開(kāi)區(qū)IDC機(jī)房空調(diào)節(jié)能測(cè)試對(duì)照表

需要說(shuō)明的是，測(cè)試時(shí)間為2月和3月，不是全年最低溫度點(diǎn)，因此其工作狀態(tài)也不是全年最佳工作狀態(tài)。

3.3 節(jié)能效果分析

節(jié)能型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)的節(jié)能原理本質(zhì)為縮短壓縮機(jī)全年開(kāi)啟的時(shí)間，從而達(dá)到降低能耗的目的。通過(guò)對(duì)比壓縮機(jī)的全年開(kāi)啟時(shí)間就可以非常直觀地對(duì)比節(jié)能型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)機(jī)組與普通機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)機(jī)組的節(jié)能效果。

從節(jié)能型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)機(jī)組控制器中查出，壓縮機(jī)從2008年10月至2010年3月共18個(gè)月期間總開(kāi)啟時(shí)間為5 677 h。

普通機(jī)房空調(diào)壓縮機(jī)全年制冷，只有當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后壓縮機(jī)停止運(yùn)行，18個(gè)月壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間:

可見(jiàn)，在這18個(gè)月(其中包括兩個(gè)冬季)中免費(fèi)取冷型機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間為普通機(jī)房空調(diào)的58%，壓縮機(jī)開(kāi)啟時(shí)間節(jié)約了42%。

4 結(jié)論

具有免費(fèi)取冷技術(shù)的機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)在歐洲已經(jīng)得到了推廣，在斯德哥爾摩其節(jié)能率高達(dá)62.5%。保守估算，在北京使用免費(fèi)取冷技術(shù)的機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)，年節(jié)能率可達(dá)41%。如果使用型號(hào)為T(mén)UER2842的節(jié)能型機(jī)房空調(diào)，制冷量為100.7 kW，每臺(tái)每年可以節(jié)約電費(fèi)114 129元。從中國(guó)聯(lián)通唐山分公司高開(kāi)區(qū)IDC機(jī)房空調(diào)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可看出，2月和3月節(jié)能率分別達(dá)47%和40%，從2008年10月至2010年3月共18個(gè)月內(nèi)壓縮機(jī)開(kāi)啟時(shí)間節(jié)約了42%。

節(jié)約能源是中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)，建設(shè)節(jié)能型社會(huì)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)全面建設(shè)小康社會(huì)的宏偉目標(biāo)，是構(gòu)建和諧社會(huì)的重要基礎(chǔ)保障。如果免費(fèi)取冷技術(shù)在機(jī)房空調(diào)中得到廣泛利用，節(jié)能效果將十分可觀，免費(fèi)取冷技術(shù)是一項(xiàng)值得在我國(guó)北方地區(qū)機(jī)房空調(diào)中推廣的技術(shù)。

[1]桑永禮.通信機(jī)房空調(diào)優(yōu)化節(jié)能方案探討[OL].http://wenku.baidu.com/view/5872a794dd88d0d233d46a9f.html，2010－11－3

[2]李文杰.冷凝器噴淋降溫技術(shù)在通信機(jī)房空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用[OL].http://www.studa.net/dianzijixie/100614/15442396.html，2010－06－14