氟泵自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)在上海電信機房的應用測試與分析

周 楓 齊丹丹

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院

0 引言

通信機房的能耗主要來自程控交換機配置、空調(diào)體系、電源配置和照明四個方面。其中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占到整個數(shù)據(jù)中心能耗的近40%，通信機房的空調(diào)能耗還有很大的節(jié)能空間。目前，機房空調(diào)已有很多成熟的應用技術(shù)，包括變頻節(jié)能、冷凝器霧化噴淋、乙二醇節(jié)能機組、濕膜加濕節(jié)能技術(shù)等。在節(jié)能領(lǐng)域研究比較火熱的當下，近幾年出現(xiàn)的氟泵自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)體現(xiàn)出獨特的特點。

通信設(shè)備發(fā)熱量大。機房空調(diào)與舒適性空調(diào)機的最大區(qū)別在于一年四季都需要制冷，當過渡季節(jié)室外溫度低于通信機房環(huán)境的設(shè)計參數(shù)時，利用室外自然冷源降低機房溫度是一種有效的節(jié)能方式。本文對氟泵自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)進行了闡述，對上海電信機房精密空調(diào)改造加裝氟泵的節(jié)能效果進行測試與分析，為上海地區(qū)機房空調(diào)的節(jié)能改造提供技術(shù)參考。

1 自然冷源利用技術(shù)發(fā)展狀況

傳統(tǒng)空調(diào)是壓縮機將冷媒從低壓蒸汽壓縮成高溫高壓蒸汽，能量消耗較大。在具備自然冷源利用和過渡季節(jié)等合適的條件下，無需開啟壓縮機同樣使空調(diào)器獲得制冷效果，供冷量滿足室內(nèi)冷負荷需求，可獲得較好的節(jié)能效果，這就是自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)。

早在上世紀70年代，日本電話電信建筑部就成功研發(fā)了冷媒主動循環(huán)系統(tǒng)與壓縮機機械循環(huán)并用式空調(diào)機組。冷媒主動循環(huán)系統(tǒng)即是冷媒循環(huán)流動不用提供其它動力作用，依靠自身液相與氣相間的密度差來提供的動力進行循環(huán)流動，形成一個閉環(huán)式的冷媒主動循環(huán)。

1985年，日本大金工業(yè)株式會社研制成冷媒主動循環(huán)的計算機專用空調(diào)機。專用空調(diào)機由室內(nèi)機和室外機組裝而成，其中室外機組為風冷式冷凝器。20世紀90年代，日本三菱電機株式會社等4家單位共同合作研發(fā)了采用冷媒主動循環(huán)的空調(diào)機。在過渡季和冬季，室外溫度較低，該機組優(yōu)先運行冷媒主動循環(huán)，停止運行壓縮機，以此大幅降低機組的耗電量。

在國內(nèi)，冷媒主動循環(huán)系統(tǒng)研究起步較晚。2010年后，自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)得到了很大發(fā)展，氟泵循環(huán)冷媒式自然冷卻系統(tǒng)逐漸投入實踐應用，部分時段采用氟泵代替壓縮機運行。制冷劑在無氣體壓縮和節(jié)流降壓的循環(huán)過程中，利用氟泵克服制冷劑管道的阻力，實現(xiàn)制冷循環(huán)。一般氟泵功率遠小于壓縮機功率。當室外溫度下降到設(shè)定的低點情況下，氟泵可提供的制冷量與壓縮機基本相同，這就是氟泵節(jié)能的關(guān)鍵。

國內(nèi)氟泵空調(diào)的主流廠商多采用“雙擎三模”技術(shù)，即壓縮機模式、混合動力模式、氟泵自然冷模式，可根據(jù)室外氣候條件及室內(nèi)負荷需求智能動態(tài)切換，高效節(jié)能。在我國北方地區(qū)，室外溫度低于0℃的天數(shù)占全年的百分比相當可觀，利用這一有利條件，氟泵空調(diào)節(jié)能技術(shù)得到廣泛推廣應用，節(jié)能效果非常明顯。測試數(shù)據(jù)顯示，一般全年節(jié)能量可達40%以上。

上海地區(qū)屬于長江流域，室外溫度低于0℃的天數(shù)占全年的百分比相對較少，早期研發(fā)的氟泵空調(diào)限制了應用范圍和效果。近幾年，生產(chǎn)廠家為擴大利用自然冷源的溫度范圍，加大投入和研發(fā)，氟泵空調(diào)的功能得到了提升。創(chuàng)新的“雙擎”混合制冷技術(shù)，在室外20°C即可開啟節(jié)能運行模式，能夠充分利用室外自然冷源，最大化提升整機全年運行能效比。

2 氟泵自然冷空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機和節(jié)流裝置四大部件組成。針對一般冷媒主動循環(huán)要求冷凝器與蒸發(fā)器之間必須要有一定的高度差才能實現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)，循環(huán)動力較小，且要求室內(nèi)外要有較大溫差，制冷量相對較小，難以控制機組的有效出力等缺點，科技人員在傳統(tǒng)的冷媒主動循環(huán)的基礎(chǔ)上，設(shè)置、加裝了一個工質(zhì)泵來實現(xiàn)冷媒的被動循環(huán)，減少了啟用壓縮機的運行時間，有效地保護了壓縮機的使用壽命，實現(xiàn)了更長時間的供冷效果，節(jié)能效果更加明顯。

加入工質(zhì)泵后的氟泵空調(diào)系統(tǒng)，包括機房內(nèi)的蒸發(fā)器、外部的風機冷凝器、制冷劑氣液分離器、油分離器和制冷劑循環(huán)泵（見圖1）。

圖1 氟泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理示意圖

氟泵強制液體制冷劑流過蒸發(fā)器，室內(nèi)熱空氣放熱給蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)的制冷劑，制冷劑吸熱且少部分的制冷劑吸熱氣化，帶氣泡的制冷劑液體循環(huán)到冷凝器內(nèi)，再將攜帶的熱量釋放到室外，制冷劑放熱后變?yōu)檫^冷液體。如此循環(huán)工作，實現(xiàn)室外冷空氣在不接觸的情況下冷卻室內(nèi)熱空氣。在該系統(tǒng)內(nèi)，氟泵強制循環(huán)制冷劑液體，使其流過蒸發(fā)器、冷凝器內(nèi)的流速增加，提高換熱效率。

3 氟泵自然冷空調(diào)的特點和運行模式

氟泵空調(diào)是機房精密空調(diào)。常規(guī)機房空調(diào)在制冷方面，全年依靠壓縮機。氟泵空調(diào)根據(jù)室外溫度環(huán)境的變化進行電控調(diào)節(jié)，用氟泵節(jié)能單元代替壓縮機，降低機組整體功耗。氟泵機組采用間接利用室外低溫空氣源技術(shù)，具有如下特點：

（1）利用原制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器，不增加設(shè)備投資，不占用空間；

（2）對機房的潔凈度和濕度沒有任何影響；

（3）兩種循環(huán)共用一種制冷劑，機房無水患憂慮；

（4）投資低，節(jié)能效果明顯。

氟泵制冷系統(tǒng)的三種運行模式：

（1）壓縮機運行模式。氟泵制冷系統(tǒng)和常規(guī)風冷機房空調(diào)系統(tǒng)完全相同。低溫、低壓的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱汽化后，被壓縮機壓縮成高溫高壓蒸汽，然后進入冷凝器進行排熱，該模式對應于室外溫度較高的條件。

（2）壓縮機和泵混合運行模式。制冷劑泵（或叫液泵）和壓縮機共同運行，當過渡季節(jié)室外溫度較低時，可顯著提高整機的能效比。

傳統(tǒng)的風冷空調(diào)隨室外溫度降低,需通過風機降低轉(zhuǎn)速或冷凝壓力控制等方式保持冷凝溫度(冷凝壓力)不低于35℃(約12．5bar)。壓縮機和氟泵同時運行的混合模式可繼續(xù)降低冷凝溫度至最低點的25℃左右，有利于整機能效提高，同時氟泵增壓輔助壓縮機通過提高液體壓力，增加液體過冷度,既消除氣體閃發(fā)，又增強了膨脹閥供液動力，有助于增強冷媒流量，提高蒸發(fā)溫度(壓力)，提高制冷能力，保證了空調(diào)高顯熱比。氟泵的功耗因遠低于壓縮機功耗，從而提高整機能效，實現(xiàn)節(jié)能運行。

（3）泵運行模式。制冷劑泵單獨運行，在室外低溫條件下應用，能效表現(xiàn)遠高于壓縮機運行模式，大大節(jié)省了機房內(nèi)空調(diào)制冷的耗電量。

在室外低溫情況下，泵循環(huán)系統(tǒng)工作時由于不需要將制冷劑的壓力大幅提高，因此能耗也遠小于壓縮機模式。在輸出相同制冷量的情況下，泵運行功率遠小于壓縮機功率。

4 測試方法

2017年，上海電信機房空調(diào)節(jié)能改造時，采用了氟泵節(jié)能技術(shù)。氟泵具有“雙擎三?！惫ぷ髂Ｊ剑▔嚎s機與氟泵兩個動力，壓縮機模式、混合模式、純泵模式）。為了驗證空調(diào)增加氟泵的節(jié)能效果，我們分別對三個不同品牌的加裝氟泵空調(diào)進行了能耗監(jiān)測，分別記錄三種不同模式下的運行能耗，計算出各個模式的節(jié)能率，再根據(jù)2017年上海地區(qū)的氣象資料，計算出平均全年節(jié)能率（壓縮機模式是指室外溫度＞20℃，混合模式是指室外溫度為10℃～20℃，純泵模式是指室外溫度＜10℃）。

測試期間，系統(tǒng)分別采用壓縮機模式、混合模式、純泵模式運行進行測量能耗情況。然后，以壓縮機模式為基準值，三者進行對比，分析計算節(jié)能率。

測試節(jié)能率計算按以下公式：

其中：

S1——混合模式節(jié)能率（%）；

S2——純泵模式節(jié)能率（%）；

S3——全年節(jié)能率（%）；

P1——混合模式小時用電量；

P2——純泵模式小時用電量；

P3——壓縮機模式小時用電量；

X1——混合模式年運行小時；

X2——純泵模式年運行小時；

X3——壓縮機模式年運行小時。

5 測試數(shù)據(jù)與分析

節(jié)能率的測試，用掛電表的方式對同一臺空調(diào)，在不同的運行模式下進行能耗情況監(jiān)控（此臺空調(diào)已經(jīng)具備氟泵）。智能電表監(jiān)控、測量機組的功率和電能，實時存儲記錄數(shù)據(jù)，查詢?nèi)我鈺r刻的功率和耗電量。系統(tǒng)分別測量壓縮機模式、混合模式、純泵模式運行能耗情況。然后，系統(tǒng)以壓縮機模式為基準值，三者進行對比，分析計算節(jié)能率。

5.1 不同運行模式的功率曲線

同一臺空調(diào)在不同的運行模式下，可通過軟件查詢某一時段功率曲線。圖2為不同運行模式在功率曲線上的實時情況。

圖2 氟泵空調(diào)機組在三種不同運行模式下的功率曲線圖

5.2 不同運行模式的用電量測試

電信機房的三個品牌空調(diào)在加裝氟泵后進行了用電量測試，并計算節(jié)能率，結(jié)果見表1。

表1 測試綜合數(shù)據(jù)表

上表可見：電信機房的三個品牌空調(diào)在不同運行模式下，純泵運行節(jié)能率高于混合運行模式；三種不同品牌空調(diào)加裝氟泵后的節(jié)能率也有不同。

5.3 年節(jié)能率計算

2017年，根據(jù)上海地區(qū)的氣象資料統(tǒng)計，壓縮機模式年運行1 864h，混合模式年運行3 098h，純泵模式年運行3 798h（見表2和表3）。

表2 不同運行模式年運行時間統(tǒng)計表

表3 年節(jié)能率計算表

6 結(jié)論

信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能減排已經(jīng)成為考核各運營企業(yè)的重要指標之一。機房空調(diào)耗電占比大，是節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。氟泵機組采用間接利用室外低溫空氣源技術(shù)，節(jié)能效果十分明顯。在改造機房空調(diào)時，可利用原制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器，投資較低，不占用機房空間，對機房的潔凈度和濕度沒有任何影響。

上海電信機房三個不同品牌的空調(diào)，在加裝氟泵后，進行節(jié)能效果測試，計算得出全年平均節(jié)能率19．08%。從節(jié)能效果和系統(tǒng)運行條件來看，氟泵機組作為風冷型機房空調(diào)的配套是一個較好的選擇。當然，不同品牌的氟泵空調(diào)節(jié)能效果存在著差距。因此，我們要加強項目的投資經(jīng)濟核算，選擇節(jié)能效果高和投資經(jīng)濟合理的技術(shù)方案，充分發(fā)揮氟泵自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)在節(jié)能創(chuàng)新綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的獨特優(yōu)勢。