氟泵空调在IDC机房中的节能运用

黄 霄，吴 捷，朱 斌

（中国电信江苏分公司，江苏 南京 210037）

0 引 言

随着互联网和计算机技术的快速发展，数据中心的数量逐年增加，其对应的能耗也越来越大，仅2016年一年，数据中心的耗电量就相当于三峡水电站一年的发电量[1]。据相关统计数据，目前我国数据中心大约有55万个，随着大数据、人工智能等信息通讯的飞速发展，在降本增效的大环境下，电费压降逐步成为通讯业内关注的焦点[2]。在通信机房耗电组成中，有研究发现，机房空调耗电约占总耗电量的30%，照明和一般负荷耗电约占2%[3]。随着云计算和IDC业务的发展，机房中高功率密度的设备越来越多，由于这些设备对机房空间温湿度有较高要求，而数据中心设备发热量通常又很高，因此全年都需要使用空调对数据中心机房空间进行降温。机房空调的大范围应用使得其数量也随之增加，因此机房空调设备的节能成为了当今节能减排工作的重中之重[4]。目前已知有很多针对机房空调成熟的应用技术，包括背板空调技术、变频节能技术、空调冷水机组水处理节能技术、氟泵节能技术和AI群控节能技术等。该方向的节能潜力巨大，本文从氟泵节能技术出发，通过案例的方式给出其在IDC机房中的节能应用与成果，以此为例，希望可以在业内更好地推广开来。

1 氟泵节能技术原理介绍

氟泵节能空调分为双氟泵机组和单系统氟泵机组。其通过与改装后或者专用型的风冷型机房空调配套使用，组成压缩蒸汽和氟泵两套制冷循环系统，形成一个全天候制冷系统[5]。

压缩蒸汽制冷循环采用压缩机作为该循环的驱动装置，其重点是将制冷剂从蒸发器输送至冷凝器，驱动整个循环，同时将制冷剂压缩至高温高压的状态，便于制冷剂在较高温度下在冷凝器中冷凝。由于该循环可以在较高的冷凝温度下产生冷量，因此在夏季等高温季节运行，其运行效率和可靠性依旧可以得到很好的保证，该循环是目前最常用的制冷循环。

氟泵制冷循环主要是使用氟泵在冷凝器出口增加制冷剂的压力，达到克服节流阀阻力的作用，从而提升系统流量。特别地，该循环方式解决了低冷凝温度条件下，传统压缩蒸汽循环出现的供液不足问题[6]。

当室外温度相较室内温度高时，压缩蒸汽制冷循环正常运行，氟泵制冷循环停止工作；当室外温度在10℃以下远小于室内温度，达到系统控制的设定点时，压缩机停止运行，氟泵制冷循环开始工作。蒸发器中的制冷剂与室内空气换热后，进入风冷冷凝器与室外冷源进行换热，在冷凝器中冷却成液态后，在氟泵的作用下克服管阻回到蒸发器，形成良性闭环制冷循环。氟泵节能空调原理如图1所示。

图1 氟泵节能空调原理

由于IDC机房一年四季都需制冷，因此采用氟泵空调节能潜力较大，优点如下：

室外低温环境条件下，氟泵驱动制冷剂工作，从而使得室外自然冷源可以得到循环利用，提高运行效率的同时，更加便捷了系统的运行；

间接采用室外自然冷源以使机房降温，极大地缩减了机房内洁净度的影响；

可在原有机房空调基础上改造，增加相应的控制措施，简单方便；

维护操作简单，不仅能实现空调的节能，而且还能方便进行节能效果评估。

本文重点介绍该设备在某IDC机房中的技术应用效果和节能成果分析，旨在针对较为寒冷地区的机房空调节能改造起到指导借鉴作用。

2 案例措施

2.1 氟泵节能空调的应用

针对机房电耗较高的问题，同时结合国家节能减排重点工作，选择某IDC机房进行氟泵技术改造。已知该机房含有4台制冷量为60 kW的佳力图空调，现改造安装为4台制冷量60 kW的双机组氟泵空调。时间选择在冬季进行了为期4天的挂表测试，对该节能产品在冬季进行现场测试和试验，通过读取面板上安装的能耗电表和红外线测温仪获得实验数据。

2.1.1 氟泵运行模式

将机房设定温度为25 ℃，氟泵工作的室内外温差为15 ℃，即室外低于10 ℃的环境下氟泵运行，压缩机停止工作。测试期间室外温度为-5～0 ℃的测试数据见表1，室外温度为0～5℃的测试数据见表2。

表1 氟泵运行模式的现场测试数据（室外温度：-5～0 ℃）

表2 氟泵运行模式的现场测试数据（室外温度：0～5 ℃）

从表1可以看出24 h耗能169.52 kWh；从表2可以看出24 h耗能197.22 kWh。

2.1.2 压缩机运行模式

将机房温度设定为25℃，氟泵工作的室内外温差设定为30℃，此时启动压缩机制冷，即室外低于-5℃的环境下氟泵运行，室外环境高于-5℃的时候压缩机工作。测试期间室外温度为-5～0℃的测试数据见表3，室外温度为0～5℃的测试数据见表4。

表3 压缩机运行模式的现场测试数据（室外温度：-5～0℃）

表4 压缩机运行模式的现场测试数据（室外温度：0～5℃）

从表3可以看出24 h耗能392.40 kWh；从表4可以看出24 h耗能390.17 kWh。

2.1.3 测试数据对比结论

通过2.1.1节与2.1.2节两种工况的对比分析得出的数值，氟泵制冷系统运行48 h耗能366.74 kWh，压缩机制冷系统运行48 h耗能782.57 kWh，氟泵制冷系统运行节能率为53.14%。同时，在IDC机房温度基本相同情况下，当室外温度为-5～0 ℃时，氟泵制冷系统运行节能率为56.80%；当室外温度为0～5℃时，氟泵制冷系统运行节能率为49.45%。

从以上数据分析比较两种制冷方式测试的结果，我们得出结论：室外温度越低，氟泵系统能效比越高，节能越明显，氟泵空调节能的关键在于其消耗的功率远远小于相同制冷量下压缩机循环的消耗功率。

2.2 实际应用中解决的主要技术难题

在针对案例IDC机房，采用氟泵节能技术改造专用空调后，运行过程中出现的问题，也值得研究研讨。具体问题通常出现在压缩机系统和泵的角度，压缩机系统会产生噪声电流偏大、短周期、损坏、堵塞等故障，而泵则常会发生丢失流量、锁死等问题，现场人员通过对整个氟泵系统进行冷冻油、过滤器和制冷剂等组件的更换，同时通过长期仔细观察处理分析，初步探索出了一些解决方法，以下逐一列举，以供氟泵节能改造参考。

2.2.1 避免压缩机故障

首先，针对该改造机房，压缩机运行时，氟泵进出与冷凝和蒸发压力差值较大，两个制冷循环显然不宜共用同一膨胀阀，因此系统需要增设一个膨胀阀。

在氟泵制冷模式下，通常采用10 mm的铜管做为毛细管节流的节流元件，该节流方式会使蒸发器内存有较多液态制冷剂，使得当氟泵模式切换至压缩机模式时，压缩机会将这些液态氟利昂制冷剂吸入，极有可能的引起液击风险。通过现场实践，相关技术人员发现在蒸发器出口和压缩机吸气口间增加一个气液分离器，可以有效地解决这一问题。

2.2.2 两种循环的切换技术

两种循环的切换在氟泵新技术中至关重要，经过本次改造，得出氟泵正常运行需贮液灌内存有一定量制冷剂液体，泵入口不断流，同时入口制冷剂液体有一定过冷度的条件，针对这些前提，我们优化改进循环切换技术。

传统意义上制冷系统切换一般都采用抽真空循环的方式，即用真空泵抽真空，首先关闭充注阀，打开内部所有连通阀，其次将排气阀螺塞旋下，打开旁通气道，接上真空泵，最后起动开始抽气。但该方式下很难将空气完全从系统中抽出，因此，针对压缩机到氟泵的切换问题，为保障氟泵制冷循环正常运行，在采用原有抽真空循环基础上进行调整，将室外风冷冷凝器风机由原来的变速运行改为全速运行，经过调整后，效果显著。

针对氟泵到压缩机的切换问题，在室内外温度达到系统切换温度设置点的过渡季节，为避免双系统的多次切换，实际运行时可将氟泵制冷系统关闭，以使设备使用期得到延长，这种方式，极大地改善了由于压缩机和氟泵两套循环制冷系统中的制冷剂状态和流量完全不一致，导致的两套系统切换时产生的液击和气蚀现象。

3 结 论

（1）当机房空调制冷量小于现有热负荷，氟泵制冷循环工作时间较短甚至不工作，无需改建；

（2）对于超期服役的机房专用空调改造后制冷效果很可能不理想，不建议改造；

（3）氟泵节能空调采用间接冷源，避免了直接利用对机房空气质量及运行稳定性的不利因素，节能效果显著，同时维护量大大缩小，使可靠性得到质的飞跃；

（4）两种循环切换可做以下优化：在抽真空循环的基础上进行调整，室外风冷冷凝器风机全速运行，同时在室内外温度达到系统切换温度设置点的过渡季节，采取关闭氟泵制冷系统的措施，以保护设备不受损坏。