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动力热管型自然冷机房空调的节能技术和对比分析
  • 动力热管型自然冷机房空调是近年来运营商机房最有效的节能方案之一,本文介绍动力热管型自然冷空调的节能组成以及工作原理,并通过焓差实验测试数据,分析和评估综合节能效果。同时分析市场上两种动力热管型的实现形式的优缺点,并通过数据以及理论分析总结两种实现形式的节能对比。最后阐述在网运行的风冷直接膨胀式空调基础上改造动力热管型空调的可行性和前景。

    近年来,全国通信网络规模和用户规模不断扩大,通信企业设备运行的耗电量已经成为不断增加的重要成本。在众多的用电成本中,空调用电费占有相当大的比例。
      
      电信运营商通过多年的持续的节能减排产品试用与推广,核心是围绕机房空调的节能。

     动力热管型自然冷节能技术以优秀的节能、维护便捷、机房洁净度保持良好等优点成为近年来机房空调节能的最佳实践。
      
      1 动力热管型自然冷机房空调的技术原理
      
      动力热管型工作原理如图1所示。当室外温度较高时,按照传统的直接膨胀压缩机系统运行制冷;当室外温度较低时,利用室外自然冷源对机房进行冷却,不必开启压缩机制冷,仅开启动力热管型,将在室外冷凝后液态制冷剂运送至室内蒸发器进行制冷。此种情况下,动力热管型运行功率约几百瓦至一千瓦,相比压缩机的十几千瓦,达到节能的效果。
      
      图1和图2分别给出了目前市场上的动力热管型自然冷机房空调两种实现方式。
      
      图3为动力热管型模式下的压焓图,C至D至E过程为动力热管型模式制冷剂的冷凝过程,冷凝以后为液态制冷剂;E到A至B是动力热管型增压同时将制冷剂输送至室内机蒸发器入口的过程;B至C是制冷剂在蒸发器中蒸发过程,蒸发器出口应该有一定的过热度,但由于无压缩机液击因素,出口过热度可以低于压缩机制冷系统,进一步利用蒸发器换热可能。
      
      2 动力热管型自然冷机房空调的实测节能分析
      
      近几年运营商已经开始对动力热管型自然冷机房空调进行集采,下面针对某集采测试80kW机组的焓差实验室实测结果进行实测节能分析。

      被测机组基本信息:80kW双系统动力热管型自然冷机房空调+室外冷凝器×2+动力热管型柜×2;铭牌标称制冷量82.1kW,风量21400m3/h,冷媒R410A,动力热管型标称功率为550W。
      
      详细测试结果如表1所示,其中室外15℃时,动力热管型自然冷运行在厂家所说的泵和压缩机同时运行的压泵模式;室外5℃以下运行在动力热管型模式。
      
      通过表1的测试数据,我们按照GB/T19413-2010机房精密空调的国家标准中对全年能效比的规定(见表2),计算出此动力热管型自然冷空调在北京地区的全年能效比AEER为7.37,而仅仅运行压缩机的全年能效比AEER为3.91,从AEER计算满负荷运行全年节约为46.9%。节能效果是非常明显的。
      
      笔者同时也关注到以上机组在室外温度-15℃时运行在压缩机与动力热管型共同运行的压泵模式。图4为压缩机和泵一起运行时的压焓图,从原理上看由于压缩机的排气压力有运行范围(图5),同时在为了保证室外低温情况下,传统的直接膨胀阀风冷机房空调为保证吸气压力和稳定性,会通过冷凝风机调节使冷凝温度维持在36℃以上。那么增加泵运行后,可以将冷凝温度无限接近压缩机的运行边界的27℃。总而言之,通过很少的动力输入实现冷凝后制冷剂压力提升,确保节流前的供液状态。可以认为:
      


      ①压泵模式理论上是有效降低压缩机的冷凝压力,降低了压缩机运行功率;
      
      ②同时压增过程能有效节流前的过冷度,进一步提高制冷量;
      
      ③压增过程也有效地提高了室内蒸发温度,有效提高压缩机制冷剂循环质量流量,提高制冷量,同时提高了机组显热比,进一步提高有效的显热量;
      
      ④变频泵控制技术,50kW系统,泵输入功率300W;压缩机功率下降1450W。同时在实际应用时,机房空调一般都有一定连管长度和落差,混动模式可使用泵的动力输入,克服连管和落差带来的压降,从而避免应用制冷量衰减;
      
      3 市场上两种动力热管型自然冷机房空调的实现方式的对比分析
      
      上文提到的图1和图2的两种动力热管型自然冷机房的实现方式分别为动力热管型+DX公用系统和动力热管型+DX独立系统。
      
      (1)动力热管型+DX独立系统
      
      ①动力热管型+DX独立系统劣势
      
      蒸发器叠加放置,风阻增大约100~120Pa,室内风机功率增大,DX侧能效比降低约10%;

    冷凝器叠加放置,风阻增大约100~120Pa,降低风量,提高冷凝温度,增加了压缩机功率,能效再次降低(室外温度30℃以上明显)全年能效比对比传统DX机组没有大幅度增加;

        控制切换简单粗暴(以室外温度为切入点);

        冷媒现场充注困难,增加安装时间和成本;

        一旦有泄露维修难度大;

        系统冷媒需求量非常大,增加客户成本。
      
      ②动力热管型+DX独立系统优势
      
      动力热管型+DX系统完全独立,控制简单,技术门槛低。
      
      (2)动力热管型+DX共用系统
      
      ①动力热管型+DX共用系统劣势控制复杂,技术难度大,前期研发和测试投入大。
      
      ②动力热管型+DX共用系统优势
      
      共用蒸发器和冷凝器,室内风机功率低,冷凝温度可控,压缩机系统能效比高。与传统系统比全年能效有明显提高;
      
      控制可根据机房负荷以及室外温度综合调节,控制细致化;现场安装难度与传统空调一致,无需增加额外工作;
      
      技术实力实现泵+DX的同时运行的混合动力模式,自然冷源利用工作范围可提升。
      
      以80kW为例,如果使用独立系统动力热管型方案,室内机内阻力增加100Pa,室内风机功率增加20%;同理室外风机功率共会增加约20%。计算得到室外温度35℃时,独立系统动力热管型机组COP为2.85.同理推算各个温度点的COP如表3所示。
      
      计算北京地区全年能效比(参考GB/T19413-2010的度区间系数)AEER为5.92,相比公用系统的AEER7.37节能下降25%。
      
      4 在网运行的风冷直接膨胀式空调基础上改造动力热管型空调的可行性和前景
      
      在国家节能减排的大的策略下,传统运营商都在老旧机房中节能改造上投入了很大精力,也尝试了很多方案。随着上文提及的动力热管型自然冷机房空调的技术的成熟与稳定应用,在传统风冷机房空调基础上改造动力热管型也成为节能改造的一个优势方案。
      
      风冷机房空调的改造也可以几个演进方案。第一步:直接在原蒸发器上增加一套动力热管型蒸发器,在室外增加一套冷凝器和动力热管型系统。应用劣势与上面的动力热管型+DX独立系统类似;此方案技术粗放简单,但工程实施不易;第二步,将动力热管型并入风冷系统,公用蒸发器和冷凝器,实现和公用系统动力热管型自然冷方案一样有动力热管型节能模式和压缩机模式;此方案技术难度大,但节能效果明显且工程实现相对容易。

    通过以上分析,第二步的动力热管型改造方案一定会成为动力热管型改造的主流和优势方案,在在网机房空调体量大和节能改造急迫的背景下,在未来5年内,动力热管型改造一定有较大的前景。同时笔者认为各个设备厂商也会在动力热管型改造的快速实施和通用改造上投入较大的精力,抢占广阔的改造市场。
      
      5 结束语
      
      本文从制冷原理和焓差实验室测试数据分析看,动力热管型自然冷机房空调在淮河以北区域有较大的节能效果。同时动力热管型自然冷机房空调在安装和维护上基本维持原风冷机房空调的维护方式,相比其他节能方案有明显的优势。随着国内民族品牌的技术投入,国内机房空调品牌已经慢慢掌握了动力热管型自然冷节能技术,会逐渐打破原少数国际品牌在技术上垄断的局面。
      
      未来几年,针对传统机房空调的动力热管型自然冷节能改造也将大有可为,各大厂家中谁在动力热管型技术提升以及动力热管型改造的通用化和快速部署投入资源和精力,谁就能在未来的风冷机房空调动力热管型自然冷改造上占据最大的机会。
      
      作者简介
      
      曹维兵,男(1984-),深圳市科技创新委员会专家库专家,深圳市艾特网能技术有限公司研发部开发经理。从事数据中心热管理产品研发、设计工作14年,拥有40多项国家发明,实用新型,外观专利,曾负责深圳市重点科技攻关项目并完成验收。
      
      编辑:Harris
      
     

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