数据机房空调系统应用创新

赵晓峰，刘玉民，林武隽

（中国电信北京分公司）

0 引 言

随着国家对节能减排工作的不断深入，企业节能的力度也在逐步加大，节能减排在企业管理中已经占据了至关重要的地位。调查显示，通信数据机房的运行能耗中，空调耗能达50%左右。为降低数据机房空调耗能，市场上涌现了许多新产品和新技术，如新风节能空调、冰蓄冷制冷系统、大型水冷空调、变频制冷空调等，这些产品和技术的节能效果在实际应用中都得到了验证。北京电信根据数据机房运维管理经验，结合北方地区固有的气温变化特征，首次应用水冷自然冷源空调技术来降低数据机房的能耗，经实践运行，节能效果十分显著。

1 水冷自然冷源空调系统的原理及分类

1.1 水冷自然冷源空调系统的原理

在北方地区，春秋季节和冬季时间较长，室外气温较低，利用这一点，把室外的低温自然风与冷却水进行热交换，冷却水水温降至10℃以下，再通过冷却水循环泵、板式换热器与冷冻水进行换热，把冷量传给冷冻水，这样冷冻水就可通过冷冻水循环泵为需要冷却的区域进行冷量供应。水冷自然冷源是在水冷制冷系统上繁衍的一个分支，可充分利用自然界中的冷量，从而实现关闭制冷主机，达到节能的目的，应用简单，投资回报高。通过实际运行能耗比对，水冷自然冷源空调系统比普通空调，节能效率提高51%。如图1所示。

图1 水冷自然冷源空调系统原理图

1.2 水冷自然冷源空调系统的分类

水冷自然冷源空调系统根据低温冷却水是否直接送入空调末端设备，划分成为两大类：间接供冷系统和直接供冷系统。

1.2.1 水冷自然冷源间接供冷系统

水冷自然冷源间接供冷系统是指系统中冷却水环路与冷冻水环路相互独立，不相互连接，能量传递主要依靠中间板式换热设备来进行热交换，这可以保证冷冻水系统环路的完整性，确保冷冻水水质不发生变化，减少了排污的水量和加药处理的环节，最大程度的减少了水资源的浪费。但由于间接供冷系统存在中间板式换热损失，致使供冷效果有所下降，同时间接供冷系统的投资会比直接供冷系统大。在使用自然冷源间接供冷时，将制冷机组关闭，将冷却水与冷冻水在板式换热器内进行热交换，实现间接换热，冷冻水吸收冷却水的冷量，而冷冻水的热负荷由冷却水带走，经冷却塔与室外空气对流换热后温度降低，再经此板式换热器和冷冻水进行热交换，周而复始，实现了自然冷源间接供冷。如图2、图3所示。

图2 自然冷源冷却塔

图3 水冷自然冷源板式换热器

1.2.2 水冷自然冷源直接供冷系统

水冷自然冷源直接供冷系统是指在原有空调水系统管路中设置旁通管道，将冷冻水环路与冷却水环路连接在一起的系统，夏季按常规空调水系统运行，转入冬季水冷自然冷源直接供冷时，将制冷机组关闭，打开冷冻水旁通阀门，使冷却水直接进入机房空调进行制冷，其冷却塔开式闭式均可。采用开式冷却塔时，冷却水与外界空气直接接触易被污染，随着冷却水的循环，污染物易进入机房空调水管路和表冷器，从而造成表冷器阻塞，所以开式冷却塔在自然冷源直接供冷系统中应用很少。而采用闭式冷却塔虽可满足水质要求，但由于闭式冷却塔是通过间接蒸发冷却原理来实现降温的，因而传热效果受到影响，同时在北方－12℃以下时，其换热管极容易冻裂，维修非常困难，因此闭式冷却塔在国内应用的也比较少。

2 水冷自然冷源空调系统的应用概况

目前水冷自然冷源空调系统在国际空调制冷领域上是一项比较创新的制冷方式，但在国内外应用较少，尚处于发展初期，可广泛应用在数据机房、食品储藏、制药企业、实验室等场所，因此发展前景广阔。

2.1 水冷自然冷源空调系统的应用分析

2.1.1 水冷自然冷源空调系统的应用计算

水冷自然冷源系统供冷模式取决于室外温度、节能效果及投资回收期。根据地区历史温度记录可以计算出每年可运行自然冷源系统的时间、节约的资金和投资回收期。假设数据机房空调制冷所需供水水温为7℃，考虑冷却塔冷幅度、管路及板式换热器等热损失使水温温升2.5℃，则可得出：当室外湿球温度等于或低于10℃时，即可切换为自然冷源系统供冷模式。水冷自然冷源系统中冷却塔应以夏季冷负荷及夏季室外计算湿球温度来进行选型，同时还应对自然冷源系统供冷模式下的供冷能力进行校核，计算方法可以用焓湿图计算，也可以采用简单的概算法。

2.1.2 水冷自然冷源空调系统的安装与运行管理

在直接供冷系统中，冷却水环路应与冷冻水管道旁通相连，使用自然冷源供冷模式时关闭冷冻水泵，打开冷冻水旁通阀门，此时水循环动力由冷却水泵提供。在自然冷源供冷系统设计时要考虑转换供冷专用泵和水路的平衡，还应注重冷却水的除菌过滤，防止阻塞空调换热管道和表冷器。

间接供冷系统中换热器应选择板式换热器，因为板式换热器与传统的管壳式换热器相比，换热效率较高。

考虑到在特定室外湿球温度和建筑负荷下，冷却塔冷幅（冷却塔出水温度与室外湿球温度之差）随冷却填料尺寸的增大而减小，我们可采用多套冷却塔串联的方法来增加冷却效果，提高节能指数。

由于水冷自然冷源供冷系统主要在春秋季和冬季运行，在设计时应考虑北方较低的气温，在冷却水系统中设置防冻设施，如设置化冰喷淋管、增设蒸汽除冰器等。

2.2 水冷自然冷源系统应用实例及节能效果分析

中国电信北京公司永丰数据中心，首次成功应用水冷自然冷源系统供冷，通过实际运行，节能效果十分明显。与技术较成熟的新风节能空调进行对比，其具有很多优越性。新风节能空调是通过直接引入室外新风来对机房进行降温的，但新风经过过滤后仍有较多的细尘进入机房，影响机房环境，再者新风过滤所必需的高效、中效、初效过滤网更换比较频繁，运行维护费用较大，所以对于环境要求不高的数据机房可以采用，但对于环境要求较高的就无法应用。而采用水冷自然冷源系统供冷时，机房环境不受外界空气因素的影响，可大大降低维护费用。如表1所示。

2.2.1 水冷自然冷源系统的运行方案

当室外环境温度在10℃～－2℃之间时，运行水冷自然冷源系统，制冷主机停止运行，这样机房空调系统耗能每天可节约18 264 k W，其运行时间为3月份和11月份，历时49天，总耗能共节约890 000 k W，节省资金约70万元。如表2所示。

当室外环境温度低于－2℃时，关闭2台水泵、运行2台冷却塔风机，日耗能节约27 672 k W，其运行周期为3个月，分别为12月、1月、2月，历时90天，共节约能耗2 480 000 k W，节约资金约197万元。如表3所示。

2.2.2 水冷自然冷源系统节能效果分析

经实测数据统计分析，使用水冷自然冷源系统供冷后，日耗能减少18 264 k W，节省运行费用14 472元，每月可节省资金434 160元。在冬季气温较低的时间段，水冷自然冷源空调系统运行在最佳工况，日耗能减少27 672 k W，节省运行费用21 926元，每月可节省资金657 780元。通过运行及数据分析，永丰数据中心机房空调制冷采用水冷自然冷源系统后，一年可节约资金约267万元。

表1 北京电信永丰数据中心制冷机组供冷模式耗能统计表

3 结 语

应用水冷自然冷源系统来进行空调节能改造，节能效果显著，可以在有条件的机房内进行推广，为企业节省更多资金，为国家能源可持续发展做出贡献。

表2 北京电信永丰数据中心机房水冷自然冷源供冷模式耗能统计表（1）

表3 北京电信永丰数据中心机房水冷自然冷源供冷最佳模式耗能统计表（2）