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1 概 述
當(dāng)前,節(jié)能已成為數(shù)據(jù)中心規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行的最重要的工作之一,而空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心總體能耗的40%,無論從減少能源消耗,還是從降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行成本獲取商業(yè)價(jià)值的角度,空調(diào)制冷系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行已成為最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。
業(yè)內(nèi)專家們把數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用需求與空調(diào)暖通行業(yè)技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)應(yīng)用了各種節(jié)能方案,取得了較好的效果。這些措施包括:提高空調(diào)能效、選擇最優(yōu)送回風(fēng)方案、冷熱通道布局、高熱密度設(shè)計(jì)、選用變?nèi)萘靠照{(diào)設(shè)備、應(yīng)用智能群控技術(shù)等等,任何一項(xiàng)技術(shù)都值得深入研究。
近年來,針對(duì)數(shù)據(jù)中心特有的全年制冷特征,充分利用環(huán)境冷源的自然冷卻技術(shù)(FreeCooling),因其強(qiáng)大的節(jié)能能力和潛力逐漸走進(jìn)主流市場(chǎng)。由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部IT設(shè)備發(fā)熱量大,建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量很小,必須通過制冷空調(diào)設(shè)備,把室內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的熱量排到室外。當(dāng)室外環(huán)境溫度低于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部溫度時(shí),仍然需要空調(diào)提供冷量。如果把室外自然界的低溫冷源直接用來冷卻機(jī)房,減少制冷壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間甚至關(guān)閉,就可以節(jié)約能源消耗,這類方案稱為自然冷卻方案。
自然冷卻方案有多種,按熱量輸送介質(zhì)的不同,可分為兩大類。一類是以空氣為介質(zhì)的節(jié)能自然冷卻系統(tǒng),包括新風(fēng)蒸發(fā)冷自然冷、直接新風(fēng)自然冷、間接新風(fēng)自然冷等;另一類是以液體為介質(zhì)的自然冷卻系統(tǒng),包括風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)自然冷(即通常所說的氟泵自然冷機(jī)房空調(diào))、冷水系統(tǒng)自然冷、乙二醇自然冷等。每種自然冷卻方式各有優(yōu)缺點(diǎn)及相應(yīng)地應(yīng)用限制,均無法單獨(dú)完成全年的制冷要求,因此自然冷卻系統(tǒng)只能作為壓縮機(jī)機(jī)械制冷系統(tǒng)的補(bǔ)充,其價(jià)值在于節(jié)約壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)的能耗。同時(shí),由于數(shù)據(jù)中心對(duì)制冷空調(diào)系統(tǒng)的依賴性很高,這就需要自然冷卻方案與壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)緊密結(jié)合,在確保制冷系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上,最大限度地節(jié)約機(jī)械制冷能耗。
理論上,當(dāng)室內(nèi)外溫差達(dá)到某個(gè)值時(shí),自然冷卻系統(tǒng)就可以啟動(dòng)運(yùn)行。但由于系統(tǒng)可靠性、制冷量、工藝要求、實(shí)際效果等因素的影響,事實(shí)上卻不能啟動(dòng)或沒有節(jié)能經(jīng)濟(jì)性,仍要靠機(jī)械制冷方式運(yùn)行。把理論上可以自然冷卻,但卻由于種種原因不能利用的時(shí)間,稱為自然冷卻的“尷尬時(shí)段”。如何縮減自然冷卻的“尷尬時(shí)段”,成為各種自然冷卻方案所要解決的課題。對(duì)這些問題的解決或提升,成為自然冷卻方案成功與否的關(guān)鍵因素。表1給出了一些自然冷卻方案與相應(yīng)數(shù)據(jù),可供參考。
“尷尬時(shí)段“的來源有兩大類:一是因?yàn)槟承┎豢煽匾蛩赜绊懙搅讼到y(tǒng)的可靠性,如雨雪沙霾、低溫冰凍、水源水質(zhì)等,造成可用的自然冷源無法利用;二是在室外環(huán)境溫度高低變化的過渡季節(jié),因自然冷卻模式的能力或能效達(dá)不到應(yīng)用需求,而不得不繼續(xù)使用壓縮機(jī)機(jī)械制冷模式,從而減少了節(jié)能量。
避免第一類尷尬時(shí)段,需根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境情況,充分考慮節(jié)能運(yùn)行帶來的負(fù)面問題,選用合適的自然冷卻模式。如果前期方案一旦確定,到運(yùn)行時(shí)才發(fā)現(xiàn)這些問題,補(bǔ)救難度很大,而且現(xiàn)場(chǎng)的補(bǔ)救措施無法得到充分驗(yàn)證,很可能引起新的未知風(fēng)險(xiǎn),大大降低了節(jié)能運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。反過來講,如果選用了正確的自然冷方案和相應(yīng)的產(chǎn)品,則這類尷尬時(shí)段可以完全消除。
第二類尷尬時(shí)段,即從機(jī)械制冷模式向完全自然冷卻模式過渡的時(shí)段,這是無法避免的,但可以縮減。這就需要從各個(gè)細(xì)節(jié)入手,精益求精,提升所選用方案和產(chǎn)品的能力能效,把自然冷源的利用潛力“吃干榨凈”。而從全國(guó)各地的全年氣溫上來看,恰恰分布在“過渡季節(jié)”時(shí)長(zhǎng)較多,因此,如何縮減過渡季節(jié)的“尷尬時(shí)段”,是自然冷卻方案成功與否的關(guān)鍵,也是各產(chǎn)品設(shè)備廠家提升技術(shù)能力的著力點(diǎn)。
表1中所列的風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)自然冷(俗稱“氟泵空調(diào)”)方案,成功地消除了第一類尷尬時(shí)段,適應(yīng)全國(guó)各地所有的應(yīng)用場(chǎng)景,正在成為數(shù)據(jù)中心自然冷卻的主流方案。特別是在近兩年,氟泵自然冷技術(shù)與傳統(tǒng)的風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)技術(shù)完美結(jié)合,整體能效很高,同時(shí)不給數(shù)據(jù)中心帶來任何“毒負(fù)作用”,正在迅速改變業(yè)內(nèi)“風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)能效不如冷凍水系統(tǒng)”的觀念，使風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)不但保持了在中型數(shù)據(jù)中心的絕對(duì)首選地位，而且在大型/巨型數(shù)據(jù)中心開始批量應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)地位逐漸顯現(xiàn)。
氟泵自然冷機(jī)房空調(diào)歷經(jīng)十年技術(shù)沉淀、六次產(chǎn)品升級(jí),精雕細(xì)琢,匠心獨(dú)運(yùn),終于大器晚成。
其實(shí)際運(yùn)行的能效表現(xiàn)遠(yuǎn)超業(yè)界預(yù)期,以風(fēng)冷系統(tǒng)的形式,其能效水平已經(jīng)超過水冷的大型冷凍水系統(tǒng)(離心式冷水機(jī)組)的運(yùn)行能效。以北京的氣候條件和實(shí)測(cè)的能效數(shù)據(jù)為例,其全年能效比(AEER)超過6.5(仍然以國(guó)標(biāo)規(guī)定的室內(nèi)回風(fēng)溫度24℃測(cè)試)。換算到PUE的計(jì)算方法,制冷因子已降低到0.15。
擁有如此逆天的戰(zhàn)力,難道使用了傳說中的“黑科技”?當(dāng)然沒有,氟泵自然冷機(jī)房空調(diào)僅僅是把每個(gè)細(xì)節(jié)做到極致,永保“可靠運(yùn)行”底線基礎(chǔ)上,在全年環(huán)境溫度范圍內(nèi),智能選擇最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行模式,把可能挖掘的節(jié)能潛力點(diǎn)滴積累,終于表現(xiàn)出靚麗的全年能效。
如前文所述,自然冷卻的方案有多種,但唯有在過渡季節(jié)的運(yùn)行表現(xiàn),才能真正評(píng)價(jià)節(jié)能方案的高下。那么,氟泵自然冷機(jī)房空調(diào)如何縮短“尷尬時(shí)段”?
2 氟泵自然冷縮短“尷尬時(shí)段”
(1)氟泵自然冷機(jī)房空調(diào)的工作原理
氟泵自然冷機(jī)房空調(diào)的工作原理非常簡(jiǎn)單,其工作原理如圖1所示。傳統(tǒng)的風(fēng)冷式機(jī)房空調(diào)制冷循環(huán)管路中,在冷凝器出口液管部位接入冷媒泵。在室外環(huán)境溫度較低時(shí),關(guān)閉制冷壓縮機(jī),以冷媒泵為動(dòng)力,把冷媒輸送到室內(nèi),完成制冷循環(huán)。冷媒泵的功耗極小(約為壓縮機(jī)功耗的3%～5%),從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。
(2)氟泵自然冷的三種制冷運(yùn)行模式
氟泵自然冷有三種制冷運(yùn)行模式:壓縮機(jī)機(jī)械制冷模式、“雙擎”壓泵雙驅(qū)制冷模式和氟泵自然冷節(jié)能模式,如圖2所示。
(3)氟泵自然冷機(jī)房空調(diào)如何縮短“尷尬時(shí)段”
在硬件上,風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)的能效已經(jīng)有了大幅提升,這是基礎(chǔ)。一直以來,受益于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力和持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步,行業(yè)主流產(chǎn)品的能效比(EER)比十年前提升了20%以上(基于相同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),從2.5提升到3.0)。
氟泵自然冷技術(shù)是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的,其核心器件也由初期的借用“水泵”轉(zhuǎn)向輸送飽和相變冷媒的專用泵。和水泵相比,無需為其提供“汽蝕余量”,無需為冷媒提供過冷度,在運(yùn)行上相當(dāng)于擴(kuò)大了冷凝器的換熱面積,能效得到相應(yīng)提升。
更為關(guān)鍵的是智能控制軟件的作用,實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)負(fù)荷的變化和每種運(yùn)行模式的能力能效,實(shí)時(shí)選擇最優(yōu)的運(yùn)行模式,并在熱負(fù)荷和制冷能力變化時(shí)即時(shí)切換。
①智能選擇運(yùn)行模式
該模式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)熱負(fù)荷和室外環(huán)境溫度的變化,根據(jù)三種運(yùn)行模式在不同室外環(huán)境溫度下的能力能效,選取既能滿足制冷量要求、同時(shí)在能效比最高的一種模式下運(yùn)行。當(dāng)室外溫度變化或室內(nèi)負(fù)荷變化時(shí),在達(dá)到另一種最優(yōu)模式運(yùn)行條件時(shí),即時(shí)切換。
圖2表達(dá)了三種制冷模式所提供的制冷量和室內(nèi)的熱負(fù)荷情況;圖3表達(dá)了三種制冷模式的能效比。首先保證制冷量大于室內(nèi)需求,然后確定選擇哪種能效比最高的運(yùn)行模式。
②制冷運(yùn)行模式的“即時(shí)切換”
“即時(shí)切換”在制冷系統(tǒng)的運(yùn)行中有非常高的技術(shù)難度。眾所周知,在傳統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)的制冷控制中,壓縮機(jī)停機(jī)再開啟需要有3min的緩沖時(shí)間,用于平衡系統(tǒng)壓力和油位。氟泵運(yùn)行和壓縮機(jī)運(yùn)行模式之間的切換時(shí)間,早期版本也需要30min,以避免壓縮機(jī)中積液運(yùn)行。但這個(gè)切換時(shí)間對(duì)提升節(jié)能效果是非常寶貴的,為此,開發(fā)專家團(tuán)隊(duì)設(shè)立專項(xiàng)攻關(guān),歷時(shí)一年,終于將安全切換時(shí)間縮減至零。
③單機(jī)雙系統(tǒng)互相配合運(yùn)行每臺(tái)氟泵自然冷機(jī)房空調(diào)由兩套完全相同氟泵+壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)組成。為了同時(shí)滿足總冷量和能效比的要求,可以1號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行“壓泵雙驅(qū)制冷模式”(制冷量大),而2號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行氟泵自然冷模式(能效比高,但冷量低),二者綜合起來,既能滿足冷量要求,又能得到較高能效。兩套系統(tǒng)運(yùn)行模式也可主備互換。
通過上述軟硬措施,可以把過渡季節(jié)的“尷尬時(shí)段”大幅壓縮。從圖3看出,即把原來的尷尬時(shí)段(A 0 ～D)分成了三段:
A 0 ～A,此時(shí)氟泵節(jié)能模式的制冷量雖然沒有達(dá)到同機(jī)標(biāo)稱的壓縮機(jī)制冷量,但比所需的熱負(fù)荷大,完全滿足制冷需求,因此可以完全使用氟泵自然冷節(jié)能運(yùn)行。
A～C,此時(shí)需要判斷熱負(fù)荷需求、兩種制冷模式的制冷量和能效比,智能選擇氟泵模式或壓泵雙驅(qū)制冷模式。
C～D,此時(shí)室內(nèi)外溫差較小,開啟壓泵雙驅(qū)制冷模式,用氟泵輔助壓縮機(jī)運(yùn)行。在此區(qū)間內(nèi),壓泵雙驅(qū)制冷比壓縮機(jī)機(jī)械制冷模式節(jié)能10%以上。
室外溫度高于D點(diǎn)(等于室內(nèi)溫度24℃),啟動(dòng)普通的壓縮機(jī)制冷模式。
室外溫度溫度低于A 0 點(diǎn)(約為-5℃),此時(shí)氟泵自然冷能力已達(dá)到壓縮機(jī)標(biāo)稱能力,能效比高達(dá)17,繼續(xù)保持氟泵節(jié)能運(yùn)行模式。
通過上述過程,把原來的“尷尬時(shí)段”(A 0 ～D)逐步壓縮,直至為零。用實(shí)際溫度來表達(dá),就是把過渡季節(jié)(約-5℃～24℃)取消了,大大提升了節(jié)能量(注意:過渡季節(jié)或過渡時(shí)段不是定值,隨著數(shù)據(jù)中心的設(shè)備發(fā)熱量、空調(diào)設(shè)備的配備量、室內(nèi)溫度設(shè)定值等因素的變化而變化)。
④多機(jī)群控聯(lián)合運(yùn)行
在數(shù)據(jù)中心中,往往有在多臺(tái)氟泵自然冷機(jī)房空調(diào)同時(shí)運(yùn)行,每臺(tái)機(jī)組提供了兩套氟泵自然冷制冷系統(tǒng)。可以通過中央群控單元,把這些系統(tǒng)聯(lián)合起來,統(tǒng)一指揮,各司其職,可以更加貼合負(fù)荷需求,取得更好的節(jié)能效果。當(dāng)然,群控裝置比較復(fù)雜,已經(jīng)形成為一個(gè)產(chǎn)品單獨(dú)銷售了。
事實(shí)上,由于氟泵自然冷機(jī)房空調(diào)超強(qiáng)的節(jié)能能力和極短的“尷尬時(shí)段”,使其應(yīng)用范圍已經(jīng)不再限于北方,長(zhǎng)江以南同樣也取得了顯著的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性,甚至連廣州,也有明顯的節(jié)能效果。圖4是我國(guó)部分地區(qū)利用氟泵自然冷的節(jié)電量和節(jié)電率。
本文以上的分析與實(shí)例,均建立在國(guó)標(biāo)規(guī)定的室內(nèi)回風(fēng)溫度24℃的工況條件下。隨著室內(nèi)回風(fēng)溫度的提升(房間回風(fēng)溫度30℃,封閉冷熱通道回風(fēng)溫度35℃),氟泵自然冷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)段大大提升。
未來,可能以氟泵自然冷模式運(yùn)行為主,而壓縮機(jī)僅僅做為補(bǔ)充,只在夏天短時(shí)間運(yùn)行或做僅為安全備份了。到那時(shí),低PUE的數(shù)據(jù)中心將是“尷尬時(shí)段”最短的自然冷節(jié)能技術(shù)的舞臺(tái),數(shù)據(jù)中心的無謂能耗將會(huì)變得微不足道。
3 結(jié)束語
氟泵自然冷機(jī)房空調(diào)超強(qiáng)的節(jié)能能力和極短的“尷尬時(shí)段”,可成為在我國(guó)廣大地區(qū)推廣應(yīng)用的節(jié)能技術(shù),為降低數(shù)據(jù)中心的PUE值提供了一個(gè)新的解決方案。
關(guān)鍵詞：精密空調(diào)http://mygoldentreasures.com/