数据机房空调节能改造技术分析

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摘要：风冷精密空调是早期数据机房建设中大量采用的冷却设备，至今仍有大量的１０００机架以下的低功率密度的数据机房采用该设备。但常规的风冷精密空调是基于商用柜式空调的设计逻辑，在实际应用中与数据机房全年散热的特征不吻合。随着节能降耗工作的进一步推进，此类数据机房精密空调必须进行节能改造。本文介绍了加装水预冷系统和加装氟泵装置２项风冷精密空调节能改造技术的原理，并结合案例实测数据分析了其节能效果。２项技术均可在原有精密空调不拆除且机房正常运行的条件下直接进行改造。根据测试结果，水预冷技术在夏季可节电１３％，但综合考虑新增冷却水泵的能耗，则能效提升有限，仅为２．４４％。氟泵技术全年可节电１８％左右，但在全氟泵模式下制冷量下降较为明显。根据分析，总负荷较大且室外散热不佳的数据机房可采用水预冷改造技术，可在保障总制冷量的同时有效改善散热。总负荷不大且室外散热条件良好的数据机房可采用氟泵改造技术，可在冬季及过渡季节提高能效。

关键词：数据机房；精密空调；节能改造；水预冷技术；氟泵技术

根据工信部《新型数据中心发展三年行动计划（２０２１—２０２３年）》中提出的要求和上海市发改委、经信委《关于做好２０２１年本市数据中心统筹建设有关事项的通知》等文件的要求，上海市将分类型、分批次推进“老小散旧”数据中心改造和淘汰，将承载业务逐步向大型数据中心迁移。受到数据中心既有业务转移困难的限制，大部分数据中心无法在近几年内迁移，而只能开展基于原有条件的节能改造。其中，数据机房空调是节能改造的重点。这些老旧数据中心大多以风冷精密空调作为冷却设备。这些设备能效较低、可扩容性不强、维护成本较高。在实际运行中还容易存在多种安全或环境风险，例如：风冷冷凝器密集布置于屋外，形成局部热聚集，效率大幅度下降；在夏季，空调冷凝压力过高，机组频繁出现高压保护，严重威胁设备安全运行；在夏季，室外风机持续高速运转，风机噪声极大，引起周边居民不满。这些数据机房原有建筑体量较小，没有足够的室内空间增加全套水冷冷站或增加水冷精密空调间。同时，它们的ＩＴ负荷总量较小，若采用大型高效的冷水机组，容易出现喘振等问题。另外，在机房内进行水冷系统改造存在机房进水等安全风险。因此，不适合进行完全的冷水系统改造。本文通过对加装水预冷系统（以下简称“水预冷”）和加装氟泵装置（以下简称“氟泵”）的节能改造技术的测试分析，总结提炼这２项技术的适宜性和可行性。

１水预冷技术

１．１水预冷技术节能原理

在原精密空调的冷凝器至室内蒸发器的管路中间串联一个水冷壳管式换热器。高温制冷剂气体进入风冷冷凝器换热冷却后，再进入换热器中换热变为低温制冷剂。低温冷却水从冷却塔通过水泵输送到水冷壳管式换热器内，换热升温后循环回到冷却塔内，通过冷却塔降温后进入下一个循环。由此，将冷凝方式由原本的风冷模式转变为水冷模式。水预冷技术改造方案原理见图１。

１．２水预冷技术案例介绍

某数据中心设有６０余套风冷精密空调，在保留原有风冷冷凝器的基础上，根据上节技术方案，加装一套水冷换热系统。项目新增了６０余套壳管式冷凝器、２台循环水泵（一用一备）、１台冷却塔及配套循环水系统管路。由水冷系统作为主要冷源，原有风冷冷凝器作为备用。在水冷系统检修或故障时各精密空调可自动投入运行，确保机房时时处于安全稳定的运行环境。

１．３水预冷技术测试工况

该数据中心由动力环境监控系统提供能耗监测数据。由于单台空调用电量无计量，本文对该数据中心２层某数据机房内空调机组的整体用电量进行计量。在对比测试时，考虑机房安全运行的要求，水预冷系统不能长时间关闭。本文将水预冷系统关闭２４ｈ和运行２４ｈ作为２种工况，记录２种工况条件下空调设备的用电量，进而计算得出２种工况的能耗差，并分析计算节电率。（１）式中Ｓ为水预冷空调系统节电率；Ｐ１为水预冷系统关闭模式的平均小时用电量；Ｐ２为水预冷系统运行模式的平均小时用电量。

１．４水预冷技术测试结果及节能分析

测试时间为２０２０年８月１８—２０日，为夏季工况测试条件。通过对２种工况下的空调设备用电量的计量得到：水预冷设备运行时，精密空调平均小时用电量为２６４．９１ｋＷ·ｈ；水预冷设备关闭时，精密空调平均小时用电量为３０５．９８ｋＷ·ｈ；水预冷技术在夏季的节电率为１３．４２％。本次测试未得到冷却水泵的能耗数据，根据厂家提供的资料，冷却水泵额定功率为３７ｋＷ，额定水流量为３１５ｍ３／ｈ，冷却塔为无风机冷却塔。根据当日机房总冷量等数据，估算得冷却水泵小时用电量为３３．１６ｋＷ·ｈ。因此，水预冷技术节电率为２．４４％。

２氟泵技术

２．１氟泵技术节能原理

在传统风冷精密空调的制冷循环中加装制冷剂泵、压力传感器、储液罐、单向阀、控制板等部件，在控制器的集中调节下，充分利用室外低温环境，减小压缩机的运行功率和缩短工作时间，达到节能的目的。加装氟泵装置后的精密空调系统原理图见图２。根据厂家资料，本文案例采用的氟泵节能技术具有３种运行模式。１）压缩机循环模式。当室外环境温度＞２０℃时，压缩机工作，提供较高的冷凝温度及冷凝压力，保证制冷剂与室外空气的换热量。此时制冷剂泵不开启。２）混合制冷模式。当１０℃≤室外环境温度≤２０℃时，系统所需冷凝温度和冷凝压力降低，压缩机耗能减少，此时制冷剂泵开启，提高液态制冷剂的压力，保证制冷剂的正常循环。３）制冷剂泵循环模式。当室外环境温度＜１０℃时，从蒸发器出来的气态制冷剂可直接在室外冷凝器中冷凝换热，压缩机无需开启，制冷剂泵单独工作。

２．２氟泵技术测试工况

某数据中心的２层数据机房内设有风冷精密空调共１０台，有６台完成了氟泵改造。本文选取其中３台完成氟泵改造的精密空调，选取分别采用压缩机循环模式、混合制冷模式、制冷剂泵循环模式的时间段进行测试。通过安装电能测试仪计量其用电量，通过现场风量、温湿度的测试计算得到制冷量，进而计算空调制冷效率（ＣＯＰ）。分别记录精密空调在３种模式下的制冷效率，计算不同模式下的节能率。考虑到数据中心ＩＴ负荷稳定，不同模式节能率及全年节能率按以下公式计算：式（２）～（４）中Ｓ１为混合制冷模式的节能率；Ｓ２为制冷剂泵循环模式的节能率；Ｓ３为全年节能率；Ｐ１为混合制冷模式的空调制冷效率；Ｐ２为制冷剂泵循环模式的空调制冷效率；Ｐ３为压缩机循环模式的空调制冷效率；Ｘ１为混合制冷模式年运行时间；Ｘ２为制冷剂泵循环模式年运行时间；Ｘ３为压缩机循环模式年运行时间。

２．３氟泵技术测试结果及节能分析

通过对３种模式下的精密空调用电量的计量，得出氟泵技术的全年节能率为１８．４２％。氟泵技术全年节能率计算数据见表１。但从测试数据可见，在制冷剂泵循环模式下，精密空调的制冷量有所下降。在此对制冷量下降的原因分析如下。在夏季常规运行工况下，该数据机房的精密空调蒸发器温度约为５℃，冷凝器温度约为１００℃。即在采用老旧精密空调蒸发器、冷凝器条件下，综合考虑油膜、尘垢等换热热阻的存在，冷凝器温度比室外温度高约６０℃时可以达到额定制冷量。在运行制冷剂泵循环模式时，冷凝器冷凝温度与蒸发器蒸发温度较为接近。考虑制冷剂泵的压差、室内换热温差等因素，若要在制冷剂泵循环模式下达到同样的制冷量，则室内温度与室外温度的差应达到４５℃左右。由于室内温度与室外温度的温差不大，使得制冷剂泵循环模式条件下的制冷量无法达到压缩机循环模式的制冷量。

３结论

本文通过对水预冷和氟泵应用案例的实测和分析，得到以下结论：应用案例的水预冷技术可实现精密空调在夏季节电１３％左右，若综合考虑新增冷却水泵能耗，则整体节电效果不佳。应用案例的氟泵技术的全年节能率在１８％左右，但在制冷剂泵循环模式下，其制冷量下降较为明显。根据分析，总负荷较高且室外散热不佳的数据机房可采用水预冷改造技术，可在保障总制冷量的同时有效改善散热。总负荷不高且室外散热条件良好的数据机房可采用氟泵改造技术，可在冬季及过渡季节提高能效。后续将进一步开展水预冷技术的全年性能测试并对氟泵技术应用优化进行进一步的研究。

作者：朱伟峰 黄璜 沈佳 张玉燕 赵润辰 王文达 王安光 单位：上海市建筑科学研究院有限公司 上海建科节能技术有限公司