上海某数据中心机房专用空调室外机预冷改造效果分析

沈 佳（上海建科节能技术有限公司， 上海 200030）

近年来，随着全球经济的快速发展，世界能源需求快速增长，能源大量消耗导致的资源短缺和环境污染及气候变化问题日益突出。我国人口众多，能源相对匮乏，如何实现能源消耗的减少或能耗的低增长对我国来讲是一个非常重要的问题。党的“十七大”已明确提出，坚持节约资源与保护环境的基本国策，落实节能减排工作责任制。

数据中心能耗在社会总能耗中所占的比例逐年增加，为了践行节能低碳理念，持续提升网络能效水平，降低运营成本，本研究在数据机房进行空调室外机水预冷改造，通过比较精密空调和室外机采用水预冷时空调运行参数、运行效率等数据，得出相同工况下，水预冷空调系统的节能量，评价此项节能技术与机房能耗的关系。

1 现状分析

上海市某数据中心机房空调普遍采用风冷机房专用空调，室外机集中安装在屋顶。近年夏季气温普遍较高，而机房单位面积功耗持续上升，导致空调数量大幅增加。屋顶室外风冷冷凝器安装也越来越密集，造成冷凝器周围形成局部“热岛效应”，进而导致夏季室外风机持续高速运转，冷凝压力持续较高，机组频繁出现高压保护，制冷效率降低。另外由于室外风机持续高速运转，产生较大噪声污染。

安装有风冷直膨式机房专用空调 31 台，60 台机房专用空调室外机。该楼配置的机房空调能效比较低的原因主要有以下几个方面：① 是空调设备普遍投入运行时间较长，能效衰减；② 空调安装管路较长，制冷效果衰减，降低空调能效。空调室外机集中安装，散热环境较差；③ 空调热备份数量多，开启过多的风机能耗，降低了整体能效；④ 该项目所在地靠近居民区和商业区，大量室外机集中布置，夏季风机持续高速运转，噪声值较高。

2 改造方案

根据现有比较成熟的节能改造技术和现场查勘情况，采用屋顶安装冷却塔，对风冷室外机进行预冷改造，以减少夏季室外机高温报警，同时也能降低风机转速，从而降低噪声污染。

改造内容包括：① 在原有风冷室外机的基础上，在制冷系统气管进入风冷冷凝器的前端串联一个水冷式换热器；② 水泵将冷却水从冷却塔输送到水冷换热器内—先将空调系统的制冷剂进行初步冷却，随后制冷剂进入到风冷冷凝器换热，而冷却水循环回冷却塔内，通过冷却塔降温，再次输送到水冷换热器内。

3 节能改造选型

3.1 冷却塔的选型

冷塔散热量按式（1）计算。

式中：Q—冷塔散热量，kW；

Q1—通信系统峰值负荷，kW，其计算公式如式（2）所示；

COP—空调系统能效比，预计改造后能效比可达 2.5。

每层建筑面积约为 960 m2，共 3 层，即 2 880 m2；通信系统用电峰值数据选自机房监测系统数据为 1 500 kW，功率因数按照 0.85 取值。

Q1=1 500×0.85＋0.1×建筑面积=1 563 kW

考虑到无风机冷却塔尺寸以及建筑本身负载，本次选用机房 80% 负荷的冷塔，其循环水量为 300 m3/h。

另外考虑冷却塔噪声加大，因此选用无风机冷却塔，其具有无风机、无电机、无传动机构，不产生机械噪声，以流体动能转换装置取代风机等特点。避免了传统冷塔由于风机叶轮旋转而产生的空气涡旋噪声以及传动机构运转时产生的机械噪声。

冷却塔选用循环水量为 300 m3/h、散热量 1 750 kW 的型号。冷却塔的补水量一般为冷却水量的 1%～2%。

3.2 冷却循环水泵选型

在系统中增加立式循环水泵，为整个冷却水系统提供循环动力。为保障系统能够正常工作，不影响水泵维护，系统中须配备一台备用泵。冷却水泵选型需要根据流量以及扬程进行选型。

冷却水泵流量同冷却塔，为 300 m3/h。

冷却水泵扬程按式（3）计算。

式中：塔体扬程—喷管扬程＋入水口高度，m；

系统阻力—取值 80 kPa；

壳管冷凝器阻力— 50 kPa；

循环水泵型号：流量 300 m3/h，扬程 31 m。一备一用，共 2 台。

3.3 壳管式冷凝器

每个风冷冷凝器前串联一个水冷壳管式冷凝器，通过冷媒与水之间的换热，提高换热效率，降低风冷冷凝器的工作负荷，从而降低室外风机的转速。同时，在楼顶安装冷却水循环系统。根据现有室外机制冷量选取 40 kW 和 50 kW 两种型号的壳管式换热器。

3.4 监控系统

监控系统的主要目的是对空调系统进行集中监控和管理。通过优化控制提高管理水平，真正节约能源和人工成本，并能方便地实现物业管理自动化。其主要组成部分包括管理操作站、网关/网络控制器、直接数字控制器等控制对象。为了分析实际效果，在冷却塔、循环泵、补水泵处增加智能电表，并接入动环平台，统计该技术的用电量，并与未用该技术时用电量进行比较，统计节电量。

4 改造节能效果测试

4.1 测试数据

对该楼整体精密空调的节能率（使用水预冷前后）进行了测试，该楼整体节能率为 20.03%。此次主要是对新旧精密空调机组（投用 3 a 以内的视为新机组，投用超过 3 a 的视为旧机组）节能率进行测试。此次新旧空调节电率差异对比测试主要采用“水预冷开启模式” “水预冷关闭模式”2 种运行情况，计量 2 F 13 a、16 a 启用的 5 号、6号、7 号、8 号 4 台空调能耗与计量 3 F 18 a 启用的 2 号、4 号、6 号、9 号 4 台空调能耗进行对比，分析计算新旧空调节电率情况。水预冷装置开启模式测试时间为 10 月 12 日14:25～ 16:23，室外温度为 28.47 ℃，测试结果如表 1～表2 所示。水预冷装置关闭模式测试时间 10 月 15 日 12:40～14:40，室外温度为 20 ℃，测试结果如表 3～表 4 所示。

表1 水预冷装置开启模式测试结果（旧空调） 单位：/kWh

表2 水预冷装置开启模式测试结果（新空调） 单位：/kWh

表3 水预冷装置关闭模式测试结果（旧空调） 单位：/kWh

表4 水预冷装置关闭模式测试结果（新空调） 单位：/kWh

4.2 节能率分析

节能率分析如表 5、表 6 所示。

表5 新旧空调节电率计算及汇总对比

表6 按照目前设备节电率进行整个系统推算

新旧空调平均节能率 20.38% 的结果与对该楼整体精密空调的节能率（使用水预冷前后）20.03% 较为接近

5 结 语

此次通过对比机房水预冷系统运行和关闭 2 种情况下空调设备的用电量，采用“水预冷开启模式”“水预冷关闭模式”运行，使用电表采集空调设备的用电量，计量各自能耗情况，对比分析计算出节电率。通过测试分析，该项目的改造技术具有较大的推广价值，主要体现在 3 个方面：① 对网络质量、网络环境、网络安全无负面影响；② 具有较大的节能效果，主要体现在可减少空调功耗值，提高空调运行效率；③ 具有很强的可持续性，适用于早期采用风冷空调系统，室外机密度比较大的机房，尤其环境温度在 27℃ 以上时，节能效果明显。

后续将通过对更多的机房节能改造项目的实际使用效果进行数据采集和测试分析，持续挖掘成熟、可靠的节能技术，提升机房能效水平，以满足工信部 2019 年《三部门关于加强绿色数据中心建设的指导意见》 中的对于 2022 年数据中心平均能耗，以及新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值的要求。