氟泵空調(diào)在淮安電信某IDC機房的節(jié)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(shù)據(jù)、人工智能等信息通訊的飛速發(fā)展，在降本增效的大環(huán)境下，節(jié)能是目前集團和公司關(guān)注的重點。在通信機房耗電組成中，有研究發(fā)現(xiàn)，機房空調(diào)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(yè)務的發(fā)展，機房中高功率密度設備越來越多，機房空調(diào)數(shù)量隨之增多，因此節(jié)能減排工作的重點和方向首先就是空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。目前對于機房空調(diào)節(jié)能已經(jīng)有很多成熟的應用技術(shù)，包括變頻節(jié)能、背板空調(diào)、空調(diào)冷水機組水處理節(jié)能技術(shù)、氟泵節(jié)能技術(shù)和AI群控節(jié)能技術(shù)等。

1 氟泵空調(diào)簡介

IDC機房一年四季都需要制冷，氟泵空調(diào)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(xiàn)空調(diào)的節(jié)能，而且還便于進行節(jié)能效果評估。本文重點介紹氟泵空調(diào)在淮安電信某IDC機房中的技術(shù)應用和節(jié)能效果分析。

氟泵節(jié)能空調(diào)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(diào)，制冷系統(tǒng)只有室內(nèi)雙壓縮機系統(tǒng)，而對于氟泵系統(tǒng)而言，不僅室內(nèi)有雙壓縮機系統(tǒng)，室外側(cè)還有氟泵系統(tǒng)，室外側(cè)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(jù)氟泵空調(diào)系統(tǒng)室外側(cè)氟泵機組的數(shù)量，氟泵節(jié)能空調(diào)可分為單系統(tǒng)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(diào)配套使用，組成2套制冷循環(huán)系統(tǒng)，即壓縮式制冷循環(huán)和氟泵制冷循環(huán)，形成一個完整的全天候制冷系統(tǒng)。根據(jù)研究地區(qū)室外環(huán)境溫度隨季節(jié)變化的特點，設定機房內(nèi)環(huán)境溫度一定的情況下，由室內(nèi)外環(huán)境溫差的大小控制壓縮機和氟泵的啟停。當室內(nèi)外環(huán)境溫差不滿足氟泵啟動條件時，通過壓縮機系統(tǒng)正常運行輸出制冷量；當室內(nèi)外環(huán)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(fā)器中與室內(nèi)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(tài)后的制冷劑在氟泵的作用下克服管阻回到蒸發(fā)器繼續(xù)換熱，從而形成節(jié)能模式下的制冷循環(huán)。氟泵空調(diào)原理圖如圖1所示。

圖1 氟泵空調(diào)原理

2 氟泵空調(diào)實際應用

針對淮安電信某IDC機房電費較高的情況，結(jié)合省公司節(jié)能減排的重點工作，在IDC機房對原有的的四臺佳力圖空調(diào)（每臺制冷量80kW）進行了氟泵技術(shù)改造，安裝雙機組氟泵空調(diào)。設定機房要達到的室內(nèi)溫度為25℃，冬季淮安地區(qū)室外溫度一般在10℃以下，設置氟泵空調(diào)氟泵工作的室內(nèi)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(diào)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(diào)面板上安裝的能耗電表和紅外線測溫儀獲得實驗數(shù)據(jù)。

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(nèi)外溫差為15℃，也就是室外低于10℃的環(huán)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(shù)據(jù)見表1；測試期間室外溫度為0~5℃的測試數(shù)據(jù)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(xiàn)場測試數(shù)據(jù)（室外溫度：-5~0℃）

表2 氟泵運行模式的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)（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(huán)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(nèi)外溫差為30℃（為啟動壓縮機制冷），也就是室外環(huán)境溫度低于-5℃時氟泵運行，室外環(huán)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(shù)據(jù)見表3；測試期間室外溫度為0~5℃的測試數(shù)據(jù)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(xiàn)場測試數(shù)據(jù)（室外溫度：-5~0℃）

表4 壓縮機運行模式的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)（室外溫度：0~5℃）

2.3 節(jié)能效果分析對比

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

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

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

（4）根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)，估算單臺氟泵空調(diào)年投資回報率。

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

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

根據(jù)淮安地區(qū)當?shù)囟練夂蛱攸c，按照氟泵空調(diào)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(diào)節(jié)電量為：（16.3-7.64）*24*30*3＝18705.6 kWh。

根據(jù)淮安地區(qū)當?shù)囟練夂蛱攸c，按照氟泵空調(diào)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(diào)年運行節(jié)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(diào)年投資回報率為：（18705.6*1）/60000＝31.2%。

在IDC機房溫度和室外環(huán)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(tǒng)能效比高，節(jié)能效果明顯；在氟泵運行工作模式中，隨著室外環(huán)境溫度變低，氟泵開啟效果更好更省電。由于氟泵制冷循環(huán)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(huán)境溫度低，氟泵模式運行情況下就可以輸出機房內(nèi)所需要的冷負荷，達到機房空調(diào)節(jié)能的目的。

3 新建和改造為氟泵空調(diào)的綜合考慮因素

對于正常的機房專用空調(diào)系統(tǒng)，進行氟泵系統(tǒng)改造后，若有利于氟泵制冷循環(huán)運轉(zhuǎn)的環(huán)境天數(shù)較少，或者即將超期使用的機房專用空調(diào)，都不適合進行氟泵空調(diào)改造。

氟泵空調(diào)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(nèi)外溫差的大小及維持時間長短、現(xiàn)有機房空調(diào)的使用壽命，不能盲目改造或新建氟泵節(jié)能空調(diào)，否則不但達不到節(jié)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(jié)能空調(diào)在整個機房空調(diào)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(tǒng)風冷精密空調(diào)進行氟泵節(jié)能空調(diào)新建或改造后，氟泵系統(tǒng)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(yè)較早收回投資成本。

4 氟泵空調(diào)運行中存在的問題及解決方法

本次研究的某IDC機房經(jīng)過氟泵節(jié)能技術(shù)改造后的4臺佳力圖機房專用空調(diào)，改造后空調(diào)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(tǒng)堵塞、泵流量丟失、泵鎖定等。通過后續(xù)幾個月的分析研究，初步總結(jié)了一些解決方法。

4.1 壓縮機相關(guān)的故障處理

壓縮機運行時，制冷劑的蒸發(fā)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(jié)流采用的是10 mm的銅管，導致較多的液態(tài)制冷劑進入蒸發(fā)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(tài)氟利昂引起液擊風險。因此在壓縮機循環(huán)中，需要在蒸發(fā)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(guān)故障處理

在實際應用中，常常出現(xiàn)氟泵流量丟失、泵鎖定等故障，氟泵經(jīng)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(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，氟泵正常運行需要滿足兩個條件：一是貯液灌內(nèi)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(huán)，能夠使貯液灌內(nèi)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(xiàn)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(tài)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(xiàn)泵流量丟失等告警。經(jīng)過不斷摸索發(fā)現(xiàn)，把原來的抽真空循環(huán)進行調(diào)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(diào)整為全速運行，貯液灌制冷劑液體實現(xiàn)充分冷卻，順利進入氟泵循環(huán)。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(huán)制冷系統(tǒng)中的制冷劑流量和狀態(tài)不同，在壓縮機運行時，壓縮機側(cè)為流量小的氣態(tài)制冷劑，而氟泵側(cè)為流量較大的液態(tài)制冷劑，在兩種制冷模式切換時很容易發(fā)生液擊和氣蝕現(xiàn)象，所以在機房內(nèi)外溫差達到系統(tǒng)制冷模式切換的過渡季節(jié)，機房內(nèi)外環(huán)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(guān)閉氟泵制冷系統(tǒng)的措施，以保護設備不受損壞。

分析解決氟泵空調(diào)常見問題障礙后，淮安電信某IDC機房4臺改造的氟泵空調(diào)運行情況良好，能夠平穩(wěn)運行并實現(xiàn)節(jié)能。

5 結(jié)束語

通過探討和分析得出淮安電信某IDC機房氟泵節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)運行節(jié)能率為53.14%，氟泵空調(diào)年運行節(jié)能率為13.28%，其年投資回報率在31%左右，節(jié)能效果顯著。氟泵空調(diào)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(zhì)量，維護量小，可靠性高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，是值得在寒冷季節(jié)大力推廣的雙工況復合制冷循環(huán)節(jié)能產(chǎn)品。根據(jù)前述氟泵空調(diào)年運行節(jié)能率方法計算，對于全年8760小時，要求氟泵空調(diào)年運行節(jié)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(diào)年運行節(jié)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(yè)是實施和發(fā)揮節(jié)能減排工作的主力，在積極主動完成公司節(jié)能減排目標的同時，要關(guān)注節(jié)能產(chǎn)品的應用是否真實達到了節(jié)能的目標。對節(jié)能效果不明顯、評估模糊的產(chǎn)品一定要謹慎試用，讓安全可靠的新節(jié)能技術(shù)真正助力企業(yè)降本增效。