免费取冷技术在通信机房空调应用中的节能分析

刘婷婷，田 浩

(1.北京京北职业技术学院建筑工程系，北京101400;2.施耐德电气信息技术(中国)有限公司，北京100000)

通信机房的节能技术非常丰富，针对不同的机房环境及特定情况，理论界提出了诸多节能方法:使用高效空调、机房温湿度设定值节能控制、更换制冷剂、添加耐磨剂、压缩机变频技术、新风节能、送风节能、设置水喷淋装置、冷凝热回收利用、冷凝器喷淋降温节能技术等[2]。本文探讨的是免费取冷技术的应用及其节能效果。

1 免费取冷技术节能原理

由于机房专用空调需要每天24 h连续不断地运行，因此需要消耗大量电能。很多地区冬季以及春秋季节的晚上室外环境温度比较低，可利用室外冷空气作为冷源来承担室内冷负荷，免费取冷技术就是利用这种原理。当室外温度较低并且足以承担室内冷负荷时，启动免费取冷系统，向室内提供冷量，而此时不需要启动压缩机，以达到节省电力的目的。

免费取冷系统利用中间介质乙二醇水溶液带走室内热量，系统包括室外机组和室内机组，图1为其工作原理图。室外机组包括冷凝器(图1盘管3)和风机等;室内机组包括两个蒸发盘管(图1盘管1和盘管2)、一个板式换热器(图1中盘管4)、风机和压缩机等，两个蒸发盘管中一个是氟蒸发盘管(图1(a)中盘管2)，管内流动的是制冷剂(R22或R407C)，一个是水蒸发盘管(图1(a)中盘管1)，管内流动的是乙二醇水溶液。与普通机房空调相比，多设置了板式换热器和水蒸发盘管，并在板式换热器与蒸发盘管之间装有三通阀。

图1 免费取冷系统原理图

一般情况下，室外温度比较高时，机组运行像普通空调机组一样，利用三通阀将乙二醇水溶液旁通至室外冷凝器，见图1(a)。此时乙二醇水溶液不流经水蒸发盘管(图1(a)右上部盘管1)，在室外冷凝器内经空气冷却后的乙二醇水溶液直接进入室内机的板式换热器，在板式换热器中冷却制冷剂，然后再回到室外冷凝器，此时压缩机正常工作。

天气较凉时，室外空气温度较低，在室外冷凝器中的乙二醇水溶液温度变得比室内温度低，见图1(b)。此时，在室外冷凝器内经室外空气冷却后的乙二醇水溶液通过三通阀流至室内机的水蒸发盘管(图1(b)右上部盘管1)，室内空气流经水蒸发盘管温度降低，创造了一个免费取冷的效果。此时若免费取冷产生的制冷量不足以承担室内冷负荷，可以同时启动压缩机制冷，对冷量进行补充，在这种情况下减少了压缩机的启动次数和时间，达到一定的节能效果。

当室外温度下降到一定值时(一般情况下低于7℃)，在室外冷凝器中的乙二醇水溶液温度变得比室内温度低很多，见图1(c)。此时，在室外冷凝器内经室外空气冷却后的乙二醇水溶液通过三通阀流至室内机的水蒸发盘管(图1(c)右上部盘管1)，室内空气流经水蒸发盘管温度降低，创造了一个免费取冷的效果。此时免费取冷的制冷量完全能承担室内冷负荷，不需启动压缩机制冷。在这种情况下空调机组通过控制三通阀的开度大小来控制进入水蒸发盘管的乙二醇水溶液的流量，从而精确控制机组的制冷量的大小。此时空调机组耗电部件仅为室内风机和室外风机，压缩机无需启动，从而大大降低了电力消耗，具有明显的节能效果。

2 机房空调免费取冷技术节能效果

2.1 在欧洲的节能效果

机房空调厂家针对某一型号的机房空调，对使用了免费取冷技术的节能型机房空调在欧洲众多地点进行了节能效果测试，测试条件为:稳定负载、室内温度24℃、相对湿度50%，具体测试结果见表1和图2。

表1 免费取冷技术在欧洲年节能效果测试结果

表1为空调厂家在欧洲地区进行的节能试验所得到的数据。从表1和图2可见，免费取冷技术在欧洲9个地区应用节能效果很明显。最高节能率达62.5%，发生在斯德哥尔摩;最低节能率也有24.3%，发生在罗马。

图2 免费取冷技术在欧洲各地机房空调中应用的节能率比较

2.2 在北京的节能效果分析

北京地区与柏林地区纬度基本相同，因此在北京的节能效果与柏林相差不多，免费取冷技术在柏林的节能率为48.9%。由于北京冬季比较冷，春秋季晚上的温度也不太高，因此比较适合使用节能型机房专用空调。表2为北京市观象台北京市历史气象信息(数据来源于北京气象台网站)。

表2 北京市观象台历史气象信息 (单位:℃)

由表2可以看出，北京市每年1月、2月、3月、11月和12月的日平均气温均低于7℃，这5个月中绝大部分时间压缩机不需开启，只有在气温高于7℃时压缩机才开启，而春秋季节气温低于7℃时压缩机也不需开启。假设1月、2月、3月、11月和12月中气温高于7℃的时间与春秋季节气温低于7°C的时间相等，则可以近似认为每年北京市气温低于7℃的时间约3 600 h(5×30×24=3 600)。

以型号为TUER2842的节能型机房专用空调为例，其制冷量为100.7 kW，压缩机输入功率为22.4 kW，整机满负荷输入功率为42.27 kW。

若无免费取冷功能，全年均为压缩机制冷，仅当室内温度达到设定温度后压缩机才停止运行。一般来说，一年内大约有20% ～25%的时间压缩机停止运行。若取25%，则全年耗电量为:

若有免费取冷功能，一年有3 600 h启动免费取冷，其余时间均为压缩机制冷，则全年耗电量为:

可见，采用免费取冷技术年节省电量为:

节能率为:

若电费按照1元/kWh计算，每年节省电费为:

节能型机房专用空调机组的初投资会高于普通机房专用空调，普通机房专用空调价格为23万元，节能型机房专用空调价格为31.5万元。但结合上述电费的节省情况看，一年就能将多出的投资节省回来，大约3年时间节省的电费就可以购买一台全新的节能型机房专用空调机组。

3 免费取冷技术的应用实例

3.1 改造方案

唐山联通高开区IDC通信机房面积为311 m2，原有5 p舒适性空调5台，总制冷量为62.5 kW。现在机房内有108个服务器机架，每架功率为3 kW，所需制冷量为:

式中:95%为服务器同时使用系数;0.15为照明及围护结构产生的单位面积冷负荷，kW/m2。

原有空调已经远远不能满足机房制冷量要求，导致机房设备无法正常工作。改造后，高开区IDC机房空调主机采用2台型号为TUER2842的节能型机房专用空调和2台型号为TUAR2842普通机房专用空调，单台制冷量均为100.7 kW。机组于2008年10月投入使用。

3.2 节能测试

唐山联通分公司于2010年1月30日至3月30日在唐山高开区IDC机房做了节能型机房专用空调实时用电量测量，两台空调分别挂D862电流表，60倍电流互感器，得出数据见表3。

由表3可以看出，这两台节能型机房空调在2月(室外平均气温为－2℃)日用电量为782 kWh，3月(室外平均气温为4℃)日用电量为906 kWh，随着室外气温逐步升高，空调用电量也随着递升。实测数据证明该空调在室外温度低于等于7℃时，启动免费取冷系统，向室内提供冷量，而此时不需要启动压缩机，节省了电能。在2月和3月节能率分别达47%和40%。

表3 中国联通唐山分公司高开区IDC机房空调节能测试对照表

需要说明的是，测试时间为2月和3月，不是全年最低温度点，因此其工作状态也不是全年最佳工作状态。

3.3 节能效果分析

节能型机房专用空调的节能原理本质为缩短压缩机全年开启的时间，从而达到降低能耗的目的。通过对比压缩机的全年开启时间就可以非常直观地对比节能型机房专用空调机组与普通机房专用空调机组的节能效果。

从节能型机房专用空调机组控制器中查出，压缩机从2008年10月至2010年3月共18个月期间总开启时间为5 677 h。

普通机房空调压缩机全年制冷，只有当室内温度达到设定温度后压缩机停止运行，18个月压缩机运行时间:

可见，在这18个月(其中包括两个冬季)中免费取冷型机房专用空调压缩机运行时间为普通机房空调的58%，压缩机开启时间节约了42%。

4 结论

具有免费取冷技术的机房专用空调在欧洲已经得到了推广，在斯德哥尔摩其节能率高达62.5%。保守估算，在北京使用免费取冷技术的机房专用空调，年节能率可达41%。如果使用型号为TUER2842的节能型机房空调，制冷量为100.7 kW，每台每年可以节约电费114 129元。从中国联通唐山分公司高开区IDC机房空调的实测数据可看出，2月和3月节能率分别达47%和40%，从2008年10月至2010年3月共18个月内压缩机开启时间节约了42%。

节约能源是中国经济和社会发展的一项战略任务，建设节能型社会、促进经济可持续发展，是实现全面建设小康社会的宏伟目标，是构建和谐社会的重要基础保障。如果免费取冷技术在机房空调中得到广泛利用，节能效果将十分可观，免费取冷技术是一项值得在我国北方地区机房空调中推广的技术。

[1]桑永礼.通信机房空调优化节能方案探讨[OL].http://wenku.baidu.com/view/5872a794dd88d0d233d46a9f.html，2010－11－3

[2]李文杰.冷凝器喷淋降温技术在通信机房空调节能中的应用[OL].http://www.studa.net/dianzijixie/100614/15442396.html，2010－06－14