水冷式冷媒直冷空调系统在数据中心的应用及分析

刘永彬，林武隽，张 渊

（中国电信股份有限公司北京分公司，北京 100032）

0 引 言

近年来，我国数据中心市场保持高速增长态势，用电规模也保持高速增长，这导致了数据中心成为了高耗能的行业之一，年用电量已占全社会用电的2%左右。在“碳中和”背景下，数据中心节能减排压力较大，只有对降低机房能耗的新技术与新方法进行研究，采用新的制冷技术或制冷方式，降低互联网数据中心（Internet Data Cente，IDC）机房的整体能耗，才能达到节能减排的目标[1]。

1 冷媒直冷空调系统介绍

1.1 系统原理

冷媒直冷空调制冷系统与常规的蒸气压缩制冷原理类似（见图1），只是将传统的机房风冷空调做成了集中化的模式，蒸发器与空调主机之间由氟泵来提供驱动动能。整个制冷系统通过磁悬浮离心式压缩机将空调制冷剂压缩成液态后送入冷凝器中，冷凝器中的冷媒通过电子膨胀阀节流后进入储液器，储液器中的冷媒直接通过冷媒泵将液态冷媒送入室内换热器盘管中与空气进行热交换。机房内的空气吸收液态冷媒的冷量后变为冷空气，进而给机房设备降温。液态冷媒吸收机房内热量后变为气态，又回到压缩机，经压缩后变为高温高压气体，被冷凝器冷却，冷凝器连接冷却塔，经冷却水系统进行冷却降温。冬季时，冷却水直接与循环冷媒进行换热冷凝进入自然冷却模式。

图1 冷媒直冷空调系统原理

1.2 运行模式

冷媒直冷空调系统可在3种模式下运行，分别是机械制冷模式、混合制冷模式以及自然冷却模式。夏季室外空气温度较高时，机组在机械制冷模式下运行，蒸发后的冷媒气体经由Free Cooling冷凝器直接回到压缩机，然后经压缩、冷凝、节流后回到Free Cooling冷凝器，再由冷媒泵送入室内换热器中，完成制冷循环。此时，Free Cooling冷凝器作为储液器使用，不参与制冷循环。机械制冷示意如图2所示。

图2 机械制冷示意

环境温度降低后，机组进入混合制冷模式（见图3），即部分自然冷却制冷+部分压缩制冷。冷却水先进入Free Cooling冷凝器对冷媒回气进行预冷却，不足的部分由压缩制冷进行二次补充制冷。室外环境温度越低，自然冷却部分提供的冷量越大，压缩制冷系统需要补充的越小，压缩机降频运行可以大幅减少压缩机功率，降低系统能耗。

图3 混合制冷示意

随着环境温度的进一步降低，自然冷却部分提供的冷量能够完全满足供冷需求，机组进入完全自然冷却模式（见图4），压缩机制冷系统停止运行。经过冷却塔冷却的水给机组Free Cooling冷凝器降温，进而给冷媒降温，冷媒再经过氟泵输送至各机房内部，吸收机房热量后变为气体重新回到Free Cooling冷凝器，这样来回循环达到给机房降温的目的。

图4 自然冷却示意

1.3 冷媒直冷技术与冷冻水技术对比

（1）冷媒直冷空调系统采用磁悬浮变频离心式压缩机制冷，磁悬浮轴承无任何接触摩擦，且不需要润滑油，该方法可以提高蒸发器、冷凝器的换热效率。据估算，相比传统的水冷式离心机组，大约可提高15%。由于不需要考虑压缩机的回油问题，管路系统更加简单，机组冷凝端采用冷却塔给冷凝器降温，排热效率高、耗水量低[2]。

（2）冷媒直接进入机房，减少了冷冻水系统冷冻泵的能源消耗，冷媒的流动直接由氟泵驱动。由于机房内末端采用相变换热，潜热容量大，氟泵流量小，输送功率可降低80%～90%，节能效果明显。

（3）传统冷冻水系统末端精密空调内部为显热换热，机组蒸发温度为8 ℃左右；冷媒直冷空调系统末端精密空调内部为相变换热，换热温差小，机组冷媒蒸发温度可控制为15 ℃左右。研究表明，蒸发温度每增加1 ℃，机组能效提高3%，通过提高机组的蒸发温度可有效降低制冷机组能耗水平。

（4）冷媒直冷系统具有自然冷却运行模式，冬季及过渡季节采用氟泵技术进行换热。由于蒸发温度的提高，可大幅延长自然冷源的利用时间，以北京为例，传统冷冻水空调系统自然冷却时间约2 700 h左右，而采用冷媒直冷技术后的完全自然冷却时间约4 200 h左右，提升约55%，可大幅降低系统能耗。

（5）传统冷冻水空调机组由于压缩机回油问题导致调节范围变窄，一般在30%～100%调节，冷媒直冷空调机组由于采用的是变频无油磁悬浮压缩机，调节范围广，可在10%～100%调节。另外，系统通过智能控制保持在最优模式下运行，最大限度地降低系统能耗，远程实时监测运行状态，做到故障可预警并及时应对[3]。

2 冷媒直冷空调系统应用案例及分析

2.1 案例概况

北京电信某数据中心2011年投入使用，该楼建筑面积约1.8万m2，机楼地上5层，地下1层。大楼采用冷冻水型空调系统，数据机房内采用地板下送风模式进行送风，机柜侧设置封闭冷通道。空调系统年用电量约为1118万kW·h，电费约783万元，年平均电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）约为1.45，节能改造潜力较大。

2.2 节能改造方案

根据现有空调系统的现状，形成整体的改造方案如下文所述。

（1）增设水冷式冷媒直冷空调机组。通过水冷冷却配合冷媒直冷技术，可有效降低制冷机组冷凝温度，提升蒸发温度，降低压缩比，提高主机机组能效，充分利用自然冷源进行自然冷却运行，降低整体能耗。

（2）增设顶置式回风冷却器。安装于风冷精密空调室内机的回风口处，对室内回风进行优先处理，并借用精密空调风机将处理后的冷空气送入冷通道，改造过程不改变原有空调送风形式，并采用逐台改造的形式进行冷却器的加装，施工过程不影响空调的正常运行[4]。

（3）增设横流式冷却塔、冷却水循环泵、补水设备、水处理等设备。改变现有风冷冷凝的形式，集中散热，提高冷凝效率。

（4）增设中央集控系统及精密空调智能控制终端。通过优化温湿度控制，将新增制冷系统与原风冷空调系统运行无缝衔接，确保机房运行安全，通过对室内温度的监测，优化室内风机运行效果，降低风机功率。

新增两套水冷式冷媒直冷空调机组（单套制冷量1 934 kW）以及101台顶置式回风冷却器（含备份机），替代现有风冷精密空调进行制冷，通过冷媒泵将低温液体制冷剂输送到机房顶置式回风冷却器内，蒸发吸热，再由压缩机压缩后通过冷却塔将热量排放到室外。机房内空气通过顶置式回风冷却器降温后，送入机房冷通道内，整套系统可大幅提高制冷效率，实现空调系统节能。

现有精密空调回风口顶部安装有回风管道，拟拆除精密空调连接部分的管道，加装顶置式回风冷却器，然后重新与上端回风箱连接。原空调系统处于热备份状态，通过对回风温度的监测，可与新增空调系统无缝对接，保证机房运行安全[5]。

2.3 系统实际应用效果分析

通过对2022年冷媒直冷空调系统的互联网技术（Internet Technology，IT）设备总负荷、室内机房空调负荷、机组运行功率及配套的水泵和冷媒泵运行功率进行统计，得到如表1所示的系统节能量统计表。

表1 冷媒直冷空调系统节能量统计

从表1可以看出，水冷式冷媒直冷空调系统节能效果显著，平均PUE值为1.25，节能率为44.7%，预计年度PUE值为1.27，每年节电量约为493万kW·h，减少CO2排放量4 915 t，节约了标准煤1 972 t。

3 结 论

节能减排是我国的基本国策，也是当前我国经济社会发展的一项紧迫任务，在全国“双碳”政策背景下，北京电信启动了“碳中和”相关节能规划，推动和践行节能举措，落实国家节能减排政策。

本文通过介绍冷媒直冷空调节能系统的原理及运行模式，分析了该系统的节能优势，并结合实际应用案例分析了老旧机房绿色节能改造的可行性及经济性，为其他省公司落实中国电信“双碳”行动计划相关工作要求以及其他数据中心运营商的设计建设与节能改造提供了相应的技术参考。