分布式自然冷源空调系统节能分析

张维东

（中国电信股份有限公司 重庆网络监控维护中心，重庆 400042）

0 引 言

按照电信企业提质增效及节能减排的要求，降低通信机房电费成本是企业当前的一项重要工作，对促进企业高质量的发展将起到重要作用。因此，中国电信重庆网络监控维护中心通过各种手段加强了节能减排和降本增效工作，其中包括通过各种技术手段进行节能，并于2020年启动了分布式自然冷源节能新技术项目。本文介绍了分布式自然冷源节能系统节能项目的实施背景、系统组成、功能原理、关键技术、主要特点以及节能策略，并进行了节能效果分析计算，对推广应用该节能技术和降本增效将起到重要作用。

1 项目实施背景

据统计分析，目前通信机房的运营成本中电费消耗占比高达65%，此数据充分说明了节能的必要性和迫切性。而电费消耗中空调能耗占比高达35%，因此节能的主要方向和重点在于空调。已建机房的主机能效、气流组织以及维护管理均已确定，在这些方面做优化，节能空间较小。如何有效地利用自然冷源是解决空调节能方案最直接高效且环保的解决方案，由此中国电信重庆网络监控维护中心启动了分布式自然冷源节能系统技术项目的建设工作。2019年5月14日，中心正式立项分布式自然冷源节能系统项目建设工作，项目于2020年7月10日完成，该节能系统安装在大坪通信楼W503机房和W504机房的6台80 kW大功率精密空调上。

2 节能系统的组成及特点

2.1 节能系统组成

该节能系统安装在大坪W503机房和W504机房。分布式换热系统由室内换热终端（室内换热器）、冷量分配动力单元以及室外冷源系统（室外换热器）3部分组成。整个项目增加空调分布式热交换器（室内）6台、风冷模块3个即节能泵1套，实现自然冷源的充分利用。室内换热器布置在空调回风口，通过软管连接每层机房MPJ主管道。分布式自然冷源节能系统结构如图1所示。

图1 分布式自然冷源节能系统结构示意图

2.2 系统功能原理

本项目采用重庆捷先机电科技有限公司的分布式自然冷源节能系统。该系统通过高效载冷剂与室外自然冷源进行热交换，将室内热量通过载冷剂排出室外，减少精密空调的压缩机运行时间，达到节能的目的。同时该系统不会对机房环境产生任何不良影响，不影响机房原有空调的运行，与原有机房空调形成互为备份的冗余制冷工作机制。机房室内服务器排出的热风经过安装在机房空调上的分布式换热单元预冷，再经过机房空调变成冷风排到地板下静压箱中，然后根据需要流入每个服务器机架。分布式换热系统中室内换热终端内的MPJ液体吸收服务器排出的热量，温度开始升高，经由水泵流入到室外冷源系统中换热，再流入室内换热终端，热量依次从室内源源不断地传递到室外。

2.3 系统关键技术

该系统采用了4项关键核心技术，其技术特性如下。一是MPJ单相氟化载冷剂，传递热量的速度是空气的6倍，具有超强载冷能、环保、无毒、绝缘以及不易燃等优良特性。二是微通道换热器，高传热性能微通道换热器更能成功地解决换热性能与风侧换热效率的难题，相比于传统散热器具有更高的传热效率。三是灵活的分布式设计，灵活的分布式散热器设计达到接近制冷的效果，用于21 ℃以下的环境温度中，仍可利用自然冷源成为一种现实。四是与原空调智能并行制冷，不影响原有空调制冷，不增加风动力能耗的前提下达到较好的换热效果。

2.4 系统主要特点

该系统具有自然冷源，利用室外低温自然冷源无灰尘和湿度影响，绿色环保，减少碳排放，而且具有高能效比、高换热能力（换热能力是乙二醇的3倍）以及高显热比，效率更高。此外，泵系统冗余设计，安全可靠，制冷循环仅为低功耗循环泵，无其他部件，故障率低，一旦出现泄漏立刻报警停机。

2.5 系统节能策略

在冬季室外气温较低时可以适当调高室内空调的启动温度，更充分地利用室外冷源，这样会使节能效果更佳，空调压缩机停止运行，达到节能目的。在夏季要及时关闭分布式自然冷源系统，室外温度高，自然冷源不起作用，重新启动分布式自然冷源系统时需要排空管道和泵内残余气体。该节能系统在20 ℃以下时均为有效工作时间，温度越低，其节能效果越好，当气温低于10 ℃时，精密空调完全可以停止制冷，停止压缩机工作，达到节能目的。

3 节能效果分析

该项目于2020年5月10日-2020年6月5日完成了试运行节能效果测试，期间设备运行稳定可靠，经测试分析计算空调设备年综合节能率达到了27.62%，每年节省电费1.475×105元，项目投资3.1×105元，投资回收期为2.1年，达到了预期的节能效果。具体节能效果分析如下。

3.1 空调能耗状况

空调能耗根据机房空调配置与运行情况测算。

配置6台80 kW空调，总冷量为480 kW，空调能效比为3.0，总电功率为160 kW，单台空调电功率为26.67 kW，则单台空调I26.67kW三相平均电流推算如下：

由此算出26.67 kW功率值对应的I26.67kW三相平均电流=26.67 A×1.9=50.67 A

实际单台空调运行时三相平均电流一般按理论计算值的70%计算，由此推算出I26.67kW三相平均电流实际为：

它由风机+压缩机两部份消耗，风机的功率不会变化，经测试实际风机电流每台空调为8 A，则压缩机电流为27 A，由此计算出全年6台空调总功耗如下。

设定风机运行功耗为PF，其推算过程为：

按每天平均工作10 h计算，设定压缩机运行功耗为PY，其推算过程如下：

设定全年6台空调总能耗为PZ，其推算过程如下：

3.2 实际节电效果分析

2020年5月10日-6月5日挂电表进行实际对比测试后统计数据如图2所示，数据分析如下。

图2 分布式自然冷源节能系统节能测试数据

3.2.1 开启节能系统阶段

总时长为400 h，其中节能系统实际有效工作时长35.19 h，时长占比8.80%。空调运行耗电量为13 930.34 kW·h，节能系统耗电量216.72 kW·h，总耗电量14 147.06 kW·h，平均每小时耗电量35.37 kW·h。

3.2.2 关闭节能系统阶段

总时长为229.75 h，空调运行耗电量为8 567.41 kW·h，平均每小时耗电量为37.29 kW·h。测试结果表明，测试阶段平均每小时节能1.92 kW·h（37.29 -35.37 =1.92 kW·h），平均每小时节能率为5.16%。由于测试时间阶段为5月份，外界气温已经比较高了，所以该节能系统有效工作时长占比低，只达到了8.80%。

根据国家气象网数据统计，重庆地区气温情况为室外温度≤10 ℃，时间为2 374 h，占全年时间比为27.10%，室外温度≤20 ℃，时间为4 126 h，占全年时间比47.10%。该节能系统在20 ℃以下时，均为有效工作时间，温度越低，其节能效果越好，当气温低于10 ℃时，精密空调完全可以停止制冷。因此通过统计数据可推算出全年的节电量Q全年节约电量，其推算过程如下。

设定全年综合节能率为J全年综合节能率，其等于室外温度≤20 ℃时间占比除以节能系统有效工作时长占比乘以平均每小时节能率，将相关数据代入后求得J全年综合节能率=27.62%。

将 PZ和 J全年综合节能率代入 Q全年节约电量求得：

3.2.3 投资回收期计算

该项目实施后每年可节约电量为1.844×105kW·h，按目前重庆平均电价0.8元/kW·h计算，则全年可推算出全年节省的电费M年节约电费，其推算过程如下：

整个项目总投资金额为3.1×105元，则可推算出投资回收期S投资回收期为：

4 结论

该系统节能效果优异，其年综合节能率达到27.62%，投资回收期为两年左右，安装方便且运行效果稳定可靠，对于原有空调工作没有影响，可推广应用，特别是通信核心大楼的大功率精密空调使用分布式自然冷源节能技术效果较好，能起到降本增效的作用。中国电信重庆网络监控维护中心又投资6×105元将大坪通信大楼的其它精密空调纳入2021年推广实施分布式自然冷源节能技术项目。