智能双循环空调在南方地区的应用研究

2021-03-29

智能城市 2021年5期

（中讯邮电咨询设计院有限公司广东分公司，广东广州 510000）

1 概述

1.1 研究目的

统计显示，制冷系统能耗在通信机房能耗中的占比约为35%，随着通信行业飞速发展，通信机房的能耗问题日益突出。因此，进一步挖掘空调系统节能潜力、降低其能耗，已成为重大挑战与值得深入研究的课题。通过本项目的实施及测试，对“智能双循环技术与封闭热通道”在南方地区通信机房的节能情况进行评估，为其向南方地区推广提供参考。

1.2 主要内容及关键技术问题

由于北方室外气候条件好，全年平均温度较低，智能双循环技术可大规模应用，无须提高回风温度即可实现智能双循环机组的节能运行。南方地区的室外气温对智能双循环技术的应用限制较大，因此，需要解决智能双循环技术在南方地区应用的温度限制。

本项目以广东通信局房为案例，利用智能双循环机组+封闭热通道的创新组合，通过智能电表分别记录每台普通风冷列间空调和、每台智能双循环空调的分别耗电量，以普通空调的耗电量作为对比依据，计算智能双循环空调的节能数值。（1）解除室外温度对智能双循环技术的限制。由于数据中心常年需要制冷，为自然冷源的利用创造了条件，南方地区夏热冬暖，室外气候条件对可用的空调节能技术影响较小。常使用发室外冷源技术有间接蒸发冷、板换自由冷、智能双循环等，针对风冷分散式空调系统，智能双循环技术比较常见，但广东气温较高，常规机房的回风温度下，智能双循环机组无法节能运行。本项目通过将封闭热通道做法与智能双循环技术相结合，尝试通过提高回风温度，使智能双循环技术得以应用。（2）测试时间段的选择限制。由于智能双循环机组只在特定温度区间（T＜20 ℃）能够发挥节能效果，因此选择测试验证的时间节点应处于智能双循环机组节能运行的温度区间。南方地区常年气温较高，为了在10 ℃以上的室外气候条件进行测试，需要较高的回风温度，通常高于35 ℃，超过正常运维的体感舒适温度。因此，采用封闭热通道做法与智能双循环技术结合的方法，克服在热通道维护时的困难。

2 实施方法

2.1 场地部署

测试的机房位于综合楼5楼DC机房（综合楼共5层），约500 m2，梁底净高3 m。

机房内近期规划机柜108个（5 kW/柜），共5个封闭热通道；远期预留机柜位置57个（5 kW/柜），共2个封闭热通道。北侧4个封闭热通道；南侧1个封闭热通道，机房平面如图1所示。

图1 机房平面图

本项目采用的智能双循环空调机（即氟泵空调机）是一种高效节能的自然冷却系统（使用变频压缩机、电子膨胀阀、多变频风机送风、V形室外机等核心部件）。室外温度降至10～20 ℃，氟泵启动运行，室内外温差增加，利于氟泵供冷能力提高，压缩机能耗下降；室外温度降到10 ℃以下时，压缩机可停止运转，氟泵提供全部冷量，可降低机组能耗。南方地区室外气温常年较高，需提高回风温度，增加室内外温差，延长智能双循环节能运行时间，以充分测试其节能效果。结合机房环境温度要求，通常封闭冷通道时回风温度为28～30 ℃，封闭热通道时回风温度为35～37 ℃。本项目对列间智能双循环空调节能效果进行现场测试，并基于现场测试与厂家实验室测试数据的拟合情况，对智能双循环空调的整体节能效果进行测算。

2.2 测试方法

使用智能电表分别记录每台智能双循环列间空调、普通风冷列间空调的空调耗电量。以普通风冷列间空调的耗电量为基础，对比计算智能双循环列间空调的节能效果。通过修正参数，测算其他型号智能双循环空调的节能率。

2.3 测试过程

2.3.1 测试对象

测试对象示意图如图2所示。

图2 测试对象示意图

由图2可知，2个测试对象在机房两侧，分别为测试通道一和二；每个测试通道均安装2台普通风冷列间空调和2台智能双循环列间空调，其外机也在屋面分区域安装。每个封闭通道均增设了电能计量装置，对空调和IT的实际用电量进行记录，便于计算PUE。

2.3.2 空调设备编号及温湿度点位

为了均匀测试房间的温度湿度值，将测点分散在机房内布置，高度统一距活动地板1.5 m，编号和位置如图3所示，同类型空调编号如表1所示。

图3 空调编号及室内的温湿度点位图

表1 不同类型空调编号

2.3.3 准备工作

完成机房密封，2个测试封闭热通道假负载正常运行，测试对象中列间空调温度参数设置一致，各温湿度表安装到位，调试完成。每个测试通道的列头柜显示屏监测对应通道内不同类型空调的功率和能耗情况，实时存储记录数据。

2.4 测试方案

为了测试时IT负载达到预定设计数值并保持稳定，采用假负载代替实际IT负载，列间空调均单独配置智能计量装置，2个通道同时运行的空调类型不同。在测试过程中，测试通道一开启普通风冷列间空调，测试通道二开启氟泵列间空调；稳定运行并记录相关数据后，再运行另一种未运行的空调类型。两个测试通道的列间空调同时工作，设置相同的送回风工况及其他状态，2台空调满载输出冷量与对应的假负载功耗相同。通过智能计量装置分别读取和存储每台普通风冷列间空调和每台氟泵列间空调的耗电量，以普通列间空调的能耗为基础，计算氟泵列间空调节能数值。不同的室外温度下，智能双循环列间空调的运行模式不同（压缩机运行模式、纯氟泵运行模式、氟泵与压缩机混合运行模式）。智能双循环空调在不同温度区间下的运行模式如表2所示。

表2 各温度区间空调运行模式单位：℃

以上三种运行模式的温度区间均以“室内冷通道温度25 ℃、室内热通道温度37 ℃”为前提。氟泵机房空调技术的节能效果在“仅氟泵运行”模式和“氟泵+压缩机”联合运行模式下才能体现。由于本测试项目所在地10 ℃以下的天气较少，不具备测试“仅氟泵运行”模式，因此，本次只测试了“氟泵+压缩机”联合运行模式。电量计量装置记录此模式下的能耗数据，同时根据空调设备厂商提供的10 ℃以下的运行数据，结合南方地区气象分布图，推算得出全年平均节能率。根据广东地区全年温度分布情况，仅氟泵运行模式下全年运行时长约为280 h（预计到2月），联合运行模式下全年运行时长约为2 734 h（预计11月至次年2月），南方地区全年温度分布情况如图4所示。

图4 南方地区全年温度分布情况

3 数据分析

3.1 混合模式节能率

2个测试通道在两种运行模式下2 h耗电量如表3所示。

表3 通道不同运行模式2 h耗电量单位：kWh

通过以上数据计算得出混合模式下的节能率为两种模式下总耗电量的差值除以普通风冷列间空调的耗电量：

测试通道一混合模式节能率S混合=7.57%；测试通道二混合模式节能率S混合=5.28%。

3.2 纯氟泵模式节能率

本项目测试期间室外气温高于10 ℃，现场不具备对纯氟泵模式节能效果测试的条件。因此，根据相同产品的实验室测试数据对纯氟泵节能率进行测算。

空调40 kW制冷量输出：氟泵空调5 ℃功耗3.4 kW、7.5 ℃功耗为4.69 kW；风冷空调5℃功耗6.96 kW、7.5 ℃功耗7.02 kW。由于项目所在地区位于南方，其室外气温低于10 ℃的时间较少，低于5 ℃的时间更少，因此，本次仅在低于10 ℃的区间推算氟泵的节能情况时，选择室外平均温度为7.5 ℃，仅氟泵运行模式下的节能率为33.2%。

3.3 智能双循环节能率

智能双循环机组三种模式的运行时间如表4所示。

表4 智能双循环空调不同运行模式持续时间

节能率S1（通道1）为3.42%；节能率S2（通道2）为2.71%；全年节能率S（两个通道平均值）为3.07%。不通厂商的设备运行节能区间和能效值不同，为了修正不同厂商对节能数值的影响，以上温度区间的取值及能效计算值，均做了修正，广东省智能双循环列间空调全年节能率为3.07%。

3.4 房间级智能双循环空调数据测算

本项目不具备对房间级智能双循环空调进行现场测试的实施条件。经过现场测试与厂家提供实验室测试数据的比对，对房间级智能双循环空调全年节能情况进行了测算，结果如表5所示。

表5 房间级智能双循环空调不同温度情况的能效比

能效比数据为本项目空调设备厂家提供实验室测试数据。智能双循环空调实验室测试回风温度为35 ℃，普通风冷空调实验室测试时回风温度最高为32 ℃。结合广东室外的气候参数，测算时取7.5 ℃与15 ℃能效比，对应纯氟泵工作模式及氟泵与压缩机混合工作模式。测算纯氟泵模式下的节能率时取7.5 ℃；室外气温在10～20 ℃时，测算氟泵与压缩机混合工作下的节能率时取15 ℃。

（1）纯氟泵模式下智能双循环空调节能率。

100 kW节能率S纯氟泵=14.1%；

80 kW节能率S纯氟泵=29%；

60 kW节能率S纯氟泵=7.3%。

（2）氟泵与压缩机混合模式下智能双循环空调节能率。

100 kW节能率S混合=7.7%；

80 kW节能率S混合=9%；

60 kW节能率S混合=0.4%。

根据广东室外气温分布小时数，对房间级智能双循环空调全年节能率计算。100 kW全年节能率S=2.86%；80 kW全年节能率S=3.75%；60 kW全年节能率S=0.36%。

房间级智能双循环空调机组自身耗电量较大，100、80、60 kW的全年综合能效比分别为4.4、4.6、4.3，空调机组全年综合耗电为22、17.5、14 kW。根据全年节能率测算100、80、60 kW房间级智能双循环空调的全年节电量：

100 kW时全年节电量为5 512 kWh；80 kW时全年节电量为5 749 kWh；60 kW时全年节电为量441.5 kWh。