机房精密空调变频节能改造的效果分析

李 菁，王静锋，龙志国

（中国电信武汉分公司，湖北 武汉 430064）

0 引 言

2021年，我国开启碳中和元年，国家提出了绿色低碳循环发展的生产体系要求，加快信息服务业绿色转型，做好大中型数据中心、网络机房绿色建设和改造，建立绿色运营维护体系。响应中国电信集团推进落实3060双碳行动目标，开展重要资源效能提升的工作战略，武汉分公司积极试行节能新技术、新方法，其中机房精密空调变频节能改造已列入《绿色数据中心先进适用技术产品目录》，它是指根据蒸气压缩式制冷理论循环热力计算结果输出相应控制信号控制压缩机、室内风机工作频率，进而达到降低能耗的目的[1]。

1 机房精密空调的能耗问题

数据中心机房空调的配置往往是一步到位，按机房IDC机柜合计的最大负荷所需制冷量并留有冗余，而IDC机房机柜占用率是根据业务发展变化的，在机房开通初期甚至较长一段时间内机柜使用数量达不到设计容量，这就造成机房空调制冷量有较大冗余[2]。同时，即使机柜使用达到设计容量，由于设备功率的差异和季节、昼夜等变化，对空调的制冷量需求不同，造成机房空调长期部分负载运行（30%～90%），实际运行中很少有满负荷情况，在空调制冷量冗余较大时，只能通过人工定期开关机、调整温度设定值等管理手段来实现节能，因此在用数据中心机房具有节电空间。

早期建设投运的机房风冷空调均为工频压缩机，仅提供开启、停止的调节，调节幅度过大从而频繁启停，无法精确控制机房温度；大功率的风冷空调还配置两个压缩机和两套制冷循环系统，但在部分负载下，一个压缩机停机，造成单路的冷凝器／蒸发器处于闲置，相同冷量输入的情况下，降低了制冷效率，增加了能耗。此外，除近年来风冷空调逐渐采用EC风机外，早期的空调风机均为定风量运行，无法根据实际需求风量变速调节。上述问题都导致了电能的浪费[3]。

2 机房空调变频改造

变频节能技术是目前空调节能技术中较为成熟、应用较为广泛的一种节能技术。变频空调通过变频器动态调节压缩机和风机的转速，频率高，压缩机转速就快，空调产生的制冷量就大；而频率较低时，制冷量相应变小，自动调节的结果使空调能够根据周围环境温度变化的实际需要快速产生可变的制冷量。与传统定频方式相比主要优点有：

（1）风冷机房空调制冷效率与室外温度和负荷率相关。定频风冷机房空调的压缩机全年以恒定转速运行，而变频风冷机房空调压缩机可根据负荷变化，调整压缩机转速和出力。在部分负荷和过渡季节、冬季运行时，变频机房空调相比定频空调制冷效率更高，适应能力更强，用电量更少。

（2）变频风冷空调在部分负荷运行制冷能效更高。风冷机房空调运行的高效区一般是在负载率40%～75%。变频改造后采用智能控制系统，将压缩机的有级启停变为无极调速，最大程度利用冷凝器/蒸发器换热，提升制冷效率，降低风冷空调的负载率，确保整个机房内的空调系统运行总能耗最低[4]。

目前机房精密空调变频改造实现以变频控制技术为主，并包含多种根据温度调节的自适应智能控制技术，主要包含：①压缩机及风机变频调节技术；②压缩机群控技术；③温度优化控制技术；④压缩机回油保障控制技术；⑤低谐波变频技术。在实现节能降耗的同时，也对空调运行质量、电能质量采取了保障措施。

3 变频改造的效果分析

3.1 变频改造的节能效果分析

某IDC机房设备总功率为238 kW，机房内配置的空调制冷量为921 kW，所有空调变频改造后，对原模式和变频改造后的节能模式进行空调用电量对比分析，原模式日均能耗4 156.0 kW·h，节能模式日均能耗2 812.4 kW·h，测试期间平均节电率达到32.33%，节能效果明显，具体节能数据如表1。

表1 某IDC机房空调变频改造节电率分析表

3.2 变频改造的机房温度分析

对上述变频改造的IDC机房在原模式和节能模式下机房内温度监控数据进行分析：改造后机房温度波动值由3.1℃降至1.5℃以内，具体见图1、图2。机房温度整体上震荡幅度更小，温度控制更加平稳，同时有效地降低了压缩机启停次数，有利于降低空调故障率，延长空调的使用寿命。

图1 某IDC机房空调在原模式下回风温度图

图2 某IDC机房空调在节能模式下回风温度图

3.3 变频改造对电能质量的影响分析

变频器运行过程中，需要对输入电源用大功率二极管整流（或晶体管/逆变模块）进行逆变；在其逆变过程中，在输入输出回路产生的高次谐波；变频器谐波对数据中心对供电系统、负载及其邻近电气设备产生干扰，影响供电可靠性[5]。

对上述机房的空调输入端电能质量进行了测试，节能模式和原模式下电压、电流畸变率和功率因数的对比，节能模式下电压畸变率基本无变化、电流畸变率略有增加，功率因数明显提升，接近于1。

本次改造的每台空调变频控制器内均安装了有源滤波器，采用直流矩阵式变频技术，内置9个双向开关进行格子状连接，实现双向AC-AC的直接转换回路，降低电源输入侧谐波畸变，达到输入端电压谐波畸变小于3%，电流畸变小于10%，整体功率因数0.95以上，对低压系统的电能质量影响较小，电磁兼容性较好。如图3所示。

图3 某IDC机房空调节能改造前后的电能质量对比图

对比另一个IDC机房进行空调变频改造试点时，在空调配电柜的电能质量测试数据：电压谐波2.2%，符合要求；电流谐波16.2%～19.7%，超出允许范围，具体如图4所示。经检查分析，该变频控制器未进行谐波治理。

4 结 论

通过对比在用数据中心机房空调变频节能改造前后的测试验证数据，得出以下结论：

（1）机房精密空调变频改造具有显著的节电效果。目前各机房的测试节电率在12.61%～35%，制冷量冗余度越大的机房其节能改造效果越好。建议在进行变频改造前先对机房PUE进行分析，优先应用于PUE高、空调制冷量冗余大的机房。

（2）机房精密空调变频改造后，机房温度在节能模式下比原模式整体上波动幅度更小，机房温度更加稳定，空调温度控制精度更高。但目前机房温度控制来源单一，一般是空调回风温度或送风温度，往往导致空调近端温度达标但远端及高功率区温度过高，建议根据机房温度热力图和气流组织图增加温度监控点，引入AI大数据分析，建立多维度的变频节能智能控制系统。

（3）机房精密空调变频改造后，如果不采取谐波治理，会导致输入侧电流谐波明显增加，建议空调变频改造采取就近谐波治理措施，在变频控制器或空调配电柜内安装有源谐波装置，降低电流谐波，同时提高功率因数，以降低对低压系统电能质量产生影响，减少对附近电气设备的干扰和影响。