通信機房空調系統(tǒng)利用自然冷卻換熱技術的節(jié)能研究

鄒 艷，武 巖

(1.北京京北職業(yè)技術學院，北京 101400;2.北京市懷柔區(qū)政府信息中心，北京 101400)

通信機房是保障通信設備可靠運行的重要場所，對溫濕度和潔凈度等內部環(huán)境參數(shù)要求較高。由于通信機房內的各類設備散熱量大且穩(wěn)定，即使在冬季也可能需要空調系統(tǒng)提供冷量來維持通信設備正常運行所需的環(huán)境要求。根據(jù)電信相關資料統(tǒng)計，通信機房耗電量占到了整個電信企業(yè)用電的90%以上，而機房空調耗電占到了整個機房設備耗電量的40%以上［1］。通信機房節(jié)能潛力巨大，而降低空調能耗是機房節(jié)能的關鍵。

鄧晨冕、秦紅［2］針對通信機房空調系統(tǒng)耗電量大的問題，介紹了一些節(jié)能降耗技術:室外大氣冷源的利用;變頻技術;機房空調機組自適應控制技術等。在室外空氣溫度較低的過渡季節(jié)和冬季，利用室外新風作為自然冷源對通信機房空氣進行冷卻換熱是降低空調能耗的有效措施。尹貞勤、錢康、董峰、Wang Shengwei、Omar M.Al－Rabghi［3－7］等都提出合理充分地利用室外新風作為冷源可以提高空調系統(tǒng)的能效，達到節(jié)能的目的。文獻［8］的節(jié)能測試結果表明，新風系統(tǒng)比隔離換熱系統(tǒng)的節(jié)能效果好，但會將灰塵引入機房，從而造成設備積塵，不利于設備安全運行，因此要根據(jù)實際情況選擇節(jié)能系統(tǒng)。

本研究以北京地區(qū)通信機房空調系統(tǒng)為研究對象，采用自然冷卻換熱技術，利用北京地區(qū)過渡季及冬季的室外低溫空氣為通信機房提供天然冷源，分析其節(jié)能效果。

1 可行性分析

1.1 通信機房環(huán)境要求

《中國電信數(shù)據(jù)中心機房電源、空調環(huán)境設計規(guī)范(暫行)》［9］對通信機房環(huán)境參數(shù)的基本要求是:

(1) AA 級、A 級機房溫度為21～25℃，B 級、C 級機房溫度為18～28℃;

(2) 相對濕度40%～70%，溫度變化率小于5℃/h，且不結露;

(3) 直徑大于0.5μm 的灰塵粒子濃度不大于18000粒/L，直徑大于5μm 的灰塵粒子濃度不大于300 粒/L。

1.2 北京地區(qū)室外氣象特點

北京地區(qū)屬于氣象分區(qū)中的寒冷地區(qū)，根據(jù)北京地區(qū)標準氣象年干球溫度年變化規(guī)律(如圖1 所示)，全年約有9個月的時間室外空氣日平均溫度低于25 ℃，其中低于15 ℃的時間長達4867 h 之多，占全年總小時數(shù)的55.6 %?？梢?，良好的自然氣候條件為自然冷卻換熱技術在通信機房空調系統(tǒng)中的應用提供了有力保證，利用室外自然冷源為機房空調提供冷量具有巨大潛力。

圖1 北京地區(qū)標準氣象年干球溫度年變動曲線和溫度頻數(shù)

2 自然冷卻換熱系統(tǒng)及節(jié)能效益分析

2.1 自然冷卻換熱系統(tǒng)基本原理

通信機房空調用自然冷卻換熱系統(tǒng)即是將換熱技術與自然冷卻通風技術相結合。鑒于通信設備對工作環(huán)境潔凈度要求的嚴格性，并結合北京地區(qū)室外空氣潔凈度的具體情況，筆者考慮采用間接換熱的方式，即室外低溫空氣與室內空氣不直接接觸，通過換熱器間接顯熱換熱，從而充分利用北京地區(qū)過渡季及冬季的室外低溫空氣為通信機房提供天然冷源，減少通信機房空調系統(tǒng)電能消耗，達到節(jié)能減排的目的。基本原理見圖2。

圖2 熱管換熱器原理

換熱器顯熱效率η可表達為式(1)。顯熱效率η 是換熱器換熱性能的體現(xiàn)，當通信機房室內溫度較穩(wěn)定時，室外空氣溫度(或室內外溫差)是影響換熱器顯熱效率η 的重要因素。另外，自然冷卻換熱系統(tǒng)在獲取室外天然冷量的同時，必須借助風機設備為室內外空氣提供流動動力，是以消耗一定的電能為代價的，即存在投入與產(chǎn)出，筆者借用能效比EER 的概念來評價其投入產(chǎn)出比，如式(2)。

式中:η為換熱器顯熱效率;tW，tW'分別為室外空氣進、出顯熱換熱器時的溫度;tN，tN'分別為室內空氣進、出顯熱換熱器時的溫度;EER為系統(tǒng)能效比;GN，GW分別為室內、室外側空氣質量流量;Q’為系統(tǒng)換熱量;N1，N2分別為室內、室外側風機電機功率;Cp為空氣比熱。

筆者擬通過實驗研究，把握室外溫度(或室內外溫差)對自然冷卻換熱系統(tǒng)傳熱特性及能效比的影響規(guī)律。

2.2 系統(tǒng)節(jié)能效益分析

2.2.1 通信機房冷負荷

通信機房冷負荷Q 計算(如式(3))，是進行空調及換熱器選型的主要依據(jù)。

式中:Q1為圍護結構冷負荷;Q2為通信機房設備發(fā)熱量;Q3為機房工作人員散熱量;Q4為機房照明散熱量。

由于室外溫度變化對冷負荷以及換熱器換熱量有較大影響，因此，采用動態(tài)仿真模擬將大大提高計算準確度。

2.2.2 空調系統(tǒng)運行能耗

當采用自然冷卻換熱無法滿足通信機房所需冷量時，空調系統(tǒng)運行以維持機房環(huán)境要求，空調系統(tǒng)運行折算時間H可表示為式(4)，進而由式(5)、式(6)計算空調系統(tǒng)耗電量W。

2.2.3 節(jié)能效益分析

(1)節(jié)電率

采用自然冷卻換熱技術后，通信機房空調系統(tǒng)運行時間減少，與采用空調系統(tǒng)單獨運行方式相比較，其節(jié)電率為(式(7)):

(2)投資回收期

投資回收期是對節(jié)能技術的經(jīng)濟性評價，只有技術上可行、經(jīng)濟上合理的節(jié)能技術才有廣泛的推廣價值。

［10］的建議，節(jié)能設計工程投資回收期宜控制在5 a 以內，當熱回收裝置回收期在3 a 以內時應予以采用。

3 工程應用

3.1 工程概況

基于以上分析，本研究以北京地區(qū)某通信機房為研究對象，設計了一套自然冷卻換熱系統(tǒng)。此機房建筑面積145 m2，層高3.4 m，僅東墻為外墻，并設三面外窗;通信設備布置密度大，設備發(fā)熱量約為551.7 W/m2，安裝有兩臺機房專用空調，單臺制冷量為80.3 kW，額定功率為26.81 kW;采用地板送風，頂回風的氣流組織形式。該機房室內環(huán)境控制溫度為24℃，高溫和低溫報警溫度分別為28℃和14℃，相對濕度為55 %±10 %。由于機房建筑空間有限且潔凈度要求較高，故選用結構較為緊湊的隔離型熱管換熱器，室內與室外側風系統(tǒng)通過熱管換熱器間接換熱(圖2)。

3.2 通信機房冷負荷計算

采用能耗分析軟件DeST可得該通信機房全年逐時冷負荷，從而計算得到月平均冷負荷。由于通信機房無人員長期值守，故人員散熱量Q3可忽略。通信機房冷負荷計算結果見表1。

表1 通信機房冷負荷

續(xù)表1

根據(jù)計算得到的通信機房冷負荷，選擇設置兩臺同型號熱管換熱器，每臺換熱器額定風量為18000 m3/h，額定功率為8 kW，換熱量為45 kW。

3.3 換熱器性能實驗

為掌握北京地區(qū)室外溫度(或室內外溫差)變化對自然冷卻換熱系統(tǒng)傳熱特性及能效比的影響規(guī)律，利用實驗方法，在室內、室外側風系統(tǒng)進、出口上設置四個溫度測點，采用Pt100 熱電阻(量程為－50～150℃，精度為±3 %)測量溫度值，待溫度值穩(wěn)定后讀數(shù)，對溫度數(shù)據(jù)進行采集(如圖2 所示)。利用式(1)和式(2)計算熱管換熱器顯熱效率η 和換熱系統(tǒng)能效比EER，實測結果如圖3 所示。

圖3 顯熱效率和能效比隨室內外溫差的變化

由圖3可知，熱管換熱器顯熱效率η 隨室內外溫差Δt增大而降低，當室內側溫度較穩(wěn)定時，隨室外側溫度的下降而降低。室內外溫差Δt 在5～30℃之間時，顯熱效率在較高的范圍變動，為63.6 %～44.1 %。小溫差條件下顯熱效率較高，5℃溫差(室外溫度tW=19℃)時，顯熱效率η可達63.6 %;溫差Δt 大于10℃(室外溫度tW＜14℃)后，顯熱效率η 低于60 %。經(jīng)擬合得到熱管換熱器顯熱效率η 與室內外溫差Δt(室外溫度tW)的關系曲線(式(9)):

換熱系統(tǒng)能效比EER 則隨室內外溫差Δt 增大而增加，室內外溫差Δt 在5～30℃之間變化時，能效比EER可達2.83～5.17。根據(jù)GB/T 19576－2004《單元式空氣調節(jié)機能效限定值及能源效率等級》［11］的規(guī)定，空調機的節(jié)能評價值為能效比EER=2.70。可見，熱管換熱器應用于北京地區(qū)通信機房具有較高能效比，滿足節(jié)能要求。

3.4 節(jié)能性評估

3.4.1 熱管換熱器運行方案的確定

當通信機房冷負荷可完全由熱管換熱器承擔時，換熱器替代空調運行，此時有:

將式(9)代入式(10)，tN為機房室內溫度24℃，計算得到tW≤12℃時，換熱器可完全替代空調運行。

綜合考慮北京地區(qū)室外氣象條件以及熱管換熱器性能，為簡化運行控制方案，室外空氣溫度tW≥12℃時空調單獨運行，tW≤12℃時換熱器單獨運行。

3.4.2 節(jié)電率和投資回收期計算

3.4.2.1 換熱器節(jié)能計算

該通信機房空調系統(tǒng)性能系數(shù)COP=2.9，兩臺熱管換熱器總功率為16 kW，采用自然冷卻換熱技術后，根據(jù)通信機房空調及熱管換熱器運行方案，tW≤12℃的不同室外溫度條件下熱管換熱器系統(tǒng)節(jié)省電功率(空調耗功率－換熱器耗功率)計算見表2。

表2 換熱器運行節(jié)省電功率

由表2 數(shù)據(jù)可知，隨著室外空氣溫度的下降，換熱器替代空調運行凈節(jié)省電功率占空調耗功率的比例不斷增加。室外溫度tW=12℃時，換熱器節(jié)省電功率為空調耗功率的59%;tW=0℃時，換熱器節(jié)省電功率為空調耗功率的78.8 %;當tW=－12℃時，這一數(shù)值上升至85.7 %。

3.4.2.2節(jié)電率計算

根據(jù)式(4)～式(7)，對通信機房采用自然冷卻換熱系統(tǒng)前后，僅使用空調系統(tǒng)制冷與空調系統(tǒng)聯(lián)合熱管換熱器提供冷量全年運行能耗進行計算，結果見表3。

表3 制冷系統(tǒng)年運行能耗

3.4.2.3 投資回收期計算

熱管換熱器為11 萬元/臺，管道投資及安裝費用共3 萬元，總投資為25 萬元，北京地區(qū)電費按0.8 元/kWh 計算，根據(jù)式(8)并利用表3 的計算數(shù)據(jù)，該自然冷卻換熱系統(tǒng)的投資回收期為3.88年。

4 結論

(1)北京地區(qū)良好的氣候條件是自然冷卻換熱技術應用于通信機房空調系統(tǒng)的有利條件。熱管換熱器應用于通信機房空調系統(tǒng)，顯熱效率η 在63.6 %～44.1 %的較高范圍;系統(tǒng)能效比EER可達2.83～5.17，高于空調機節(jié)能評價值，具有良好的節(jié)能性。

(2)熱管換熱器應用于通信機房替代空調系統(tǒng)運行時，其凈節(jié)省電功率占空調耗功率的比例超過50 %，并隨室外溫度下降而增加。當室外溫度tW由12℃降至－12℃時，這一數(shù)值由59 %提高到85.7 %。

(3)熱管換熱器應用于北京地區(qū)通信機房空調系統(tǒng)的案例表明，全年運行期間可節(jié)電30.4 %，投資回收期為3.88 a，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻

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［10］GB/T 19576－2004 單元式空氣調節(jié)機能效限定值及能源效率等級［S］