通信机房空调系统利用自然冷却换热技术的节能研究

邹 艳，武 岩

(1.北京京北职业技术学院，北京 101400;2.北京市怀柔区政府信息中心，北京 101400)

通信机房是保障通信设备可靠运行的重要场所，对温湿度和洁净度等内部环境参数要求较高。由于通信机房内的各类设备散热量大且稳定，即使在冬季也可能需要空调系统提供冷量来维持通信设备正常运行所需的环境要求。根据电信相关资料统计，通信机房耗电量占到了整个电信企业用电的90%以上，而机房空调耗电占到了整个机房设备耗电量的40%以上［1］。通信机房节能潜力巨大，而降低空调能耗是机房节能的关键。

邓晨冕、秦红［2］针对通信机房空调系统耗电量大的问题，介绍了一些节能降耗技术:室外大气冷源的利用;变频技术;机房空调机组自适应控制技术等。在室外空气温度较低的过渡季节和冬季，利用室外新风作为自然冷源对通信机房空气进行冷却换热是降低空调能耗的有效措施。尹贞勤、钱康、董峰、Wang Shengwei、Omar M.Al－Rabghi［3－7］等都提出合理充分地利用室外新风作为冷源可以提高空调系统的能效，达到节能的目的。文献［8］的节能测试结果表明，新风系统比隔离换热系统的节能效果好，但会将灰尘引入机房，从而造成设备积尘，不利于设备安全运行，因此要根据实际情况选择节能系统。

本研究以北京地区通信机房空调系统为研究对象，采用自然冷却换热技术，利用北京地区过渡季及冬季的室外低温空气为通信机房提供天然冷源，分析其节能效果。

1 可行性分析

1.1 通信机房环境要求

《中国电信数据中心机房电源、空调环境设计规范(暂行)》［9］对通信机房环境参数的基本要求是:

(1) AA 级、A 级机房温度为21～25℃，B 级、C 级机房温度为18～28℃;

(2) 相对湿度40%～70%，温度变化率小于5℃/h，且不结露;

(3) 直径大于0.5μm 的灰尘粒子浓度不大于18000粒/L，直径大于5μm 的灰尘粒子浓度不大于300 粒/L。

1.2 北京地区室外气象特点

北京地区属于气象分区中的寒冷地区，根据北京地区标准气象年干球温度年变化规律(如图1 所示)，全年约有9个月的时间室外空气日平均温度低于25 ℃，其中低于15 ℃的时间长达4867 h 之多，占全年总小时数的55.6 %。可见，良好的自然气候条件为自然冷却换热技术在通信机房空调系统中的应用提供了有力保证，利用室外自然冷源为机房空调提供冷量具有巨大潜力。

图1 北京地区标准气象年干球温度年变动曲线和温度频数

2 自然冷却换热系统及节能效益分析

2.1 自然冷却换热系统基本原理

通信机房空调用自然冷却换热系统即是将换热技术与自然冷却通风技术相结合。鉴于通信设备对工作环境洁净度要求的严格性，并结合北京地区室外空气洁净度的具体情况，笔者考虑采用间接换热的方式，即室外低温空气与室内空气不直接接触，通过换热器间接显热换热，从而充分利用北京地区过渡季及冬季的室外低温空气为通信机房提供天然冷源，减少通信机房空调系统电能消耗，达到节能减排的目的。基本原理见图2。

图2 热管换热器原理

换热器显热效率η可表达为式(1)。显热效率η 是换热器换热性能的体现，当通信机房室内温度较稳定时，室外空气温度(或室内外温差)是影响换热器显热效率η 的重要因素。另外，自然冷却换热系统在获取室外天然冷量的同时，必须借助风机设备为室内外空气提供流动动力，是以消耗一定的电能为代价的，即存在投入与产出，笔者借用能效比EER 的概念来评价其投入产出比，如式(2)。

式中:η为换热器显热效率;tW，tW'分别为室外空气进、出显热换热器时的温度;tN，tN'分别为室内空气进、出显热换热器时的温度;EER为系统能效比;GN，GW分别为室内、室外侧空气质量流量;Q’为系统换热量;N1，N2分别为室内、室外侧风机电机功率;Cp为空气比热。

笔者拟通过实验研究，把握室外温度(或室内外温差)对自然冷却换热系统传热特性及能效比的影响规律。

2.2 系统节能效益分析

2.2.1 通信机房冷负荷

通信机房冷负荷Q 计算(如式(3))，是进行空调及换热器选型的主要依据。

式中:Q1为围护结构冷负荷;Q2为通信机房设备发热量;Q3为机房工作人员散热量;Q4为机房照明散热量。

由于室外温度变化对冷负荷以及换热器换热量有较大影响，因此，采用动态仿真模拟将大大提高计算准确度。

2.2.2 空调系统运行能耗

当采用自然冷却换热无法满足通信机房所需冷量时，空调系统运行以维持机房环境要求，空调系统运行折算时间H可表示为式(4)，进而由式(5)、式(6)计算空调系统耗电量W。

2.2.3 节能效益分析

(1)节电率

采用自然冷却换热技术后，通信机房空调系统运行时间减少，与采用空调系统单独运行方式相比较，其节电率为(式(7)):

(2)投资回收期

投资回收期是对节能技术的经济性评价，只有技术上可行、经济上合理的节能技术才有广泛的推广价值。

［10］的建议，节能设计工程投资回收期宜控制在5 a 以内，当热回收装置回收期在3 a 以内时应予以采用。

3 工程应用

3.1 工程概况

基于以上分析，本研究以北京地区某通信机房为研究对象，设计了一套自然冷却换热系统。此机房建筑面积145 m2，层高3.4 m，仅东墙为外墙，并设三面外窗;通信设备布置密度大，设备发热量约为551.7 W/m2，安装有两台机房专用空调，单台制冷量为80.3 kW，额定功率为26.81 kW;采用地板送风，顶回风的气流组织形式。该机房室内环境控制温度为24℃，高温和低温报警温度分别为28℃和14℃，相对湿度为55 %±10 %。由于机房建筑空间有限且洁净度要求较高，故选用结构较为紧凑的隔离型热管换热器，室内与室外侧风系统通过热管换热器间接换热(图2)。

3.2 通信机房冷负荷计算

采用能耗分析软件DeST可得该通信机房全年逐时冷负荷，从而计算得到月平均冷负荷。由于通信机房无人员长期值守，故人员散热量Q3可忽略。通信机房冷负荷计算结果见表1。

表1 通信机房冷负荷

续表1

根据计算得到的通信机房冷负荷，选择设置两台同型号热管换热器，每台换热器额定风量为18000 m3/h，额定功率为8 kW，换热量为45 kW。

3.3 换热器性能实验

为掌握北京地区室外温度(或室内外温差)变化对自然冷却换热系统传热特性及能效比的影响规律，利用实验方法，在室内、室外侧风系统进、出口上设置四个温度测点，采用Pt100 热电阻(量程为－50～150℃，精度为±3 %)测量温度值，待温度值稳定后读数，对温度数据进行采集(如图2 所示)。利用式(1)和式(2)计算热管换热器显热效率η 和换热系统能效比EER，实测结果如图3 所示。

图3 显热效率和能效比随室内外温差的变化

由图3可知，热管换热器显热效率η 随室内外温差Δt增大而降低，当室内侧温度较稳定时，随室外侧温度的下降而降低。室内外温差Δt 在5～30℃之间时，显热效率在较高的范围变动，为63.6 %～44.1 %。小温差条件下显热效率较高，5℃温差(室外温度tW=19℃)时，显热效率η可达63.6 %;温差Δt 大于10℃(室外温度tW＜14℃)后，显热效率η 低于60 %。经拟合得到热管换热器显热效率η 与室内外温差Δt(室外温度tW)的关系曲线(式(9)):

换热系统能效比EER 则随室内外温差Δt 增大而增加，室内外温差Δt 在5～30℃之间变化时，能效比EER可达2.83～5.17。根据GB/T 19576－2004《单元式空气调节机能效限定值及能源效率等级》［11］的规定，空调机的节能评价值为能效比EER=2.70。可见，热管换热器应用于北京地区通信机房具有较高能效比，满足节能要求。

3.4 节能性评估

3.4.1 热管换热器运行方案的确定

当通信机房冷负荷可完全由热管换热器承担时，换热器替代空调运行，此时有:

将式(9)代入式(10)，tN为机房室内温度24℃，计算得到tW≤12℃时，换热器可完全替代空调运行。

综合考虑北京地区室外气象条件以及热管换热器性能，为简化运行控制方案，室外空气温度tW≥12℃时空调单独运行，tW≤12℃时换热器单独运行。

3.4.2 节电率和投资回收期计算

3.4.2.1 换热器节能计算

该通信机房空调系统性能系数COP=2.9，两台热管换热器总功率为16 kW，采用自然冷却换热技术后，根据通信机房空调及热管换热器运行方案，tW≤12℃的不同室外温度条件下热管换热器系统节省电功率(空调耗功率－换热器耗功率)计算见表2。

表2 换热器运行节省电功率

由表2 数据可知，随着室外空气温度的下降，换热器替代空调运行净节省电功率占空调耗功率的比例不断增加。室外温度tW=12℃时，换热器节省电功率为空调耗功率的59%;tW=0℃时，换热器节省电功率为空调耗功率的78.8 %;当tW=－12℃时，这一数值上升至85.7 %。

3.4.2.2节电率计算

根据式(4)～式(7)，对通信机房采用自然冷却换热系统前后，仅使用空调系统制冷与空调系统联合热管换热器提供冷量全年运行能耗进行计算，结果见表3。

表3 制冷系统年运行能耗

3.4.2.3 投资回收期计算

热管换热器为11 万元/台，管道投资及安装费用共3 万元，总投资为25 万元，北京地区电费按0.8 元/kWh 计算，根据式(8)并利用表3 的计算数据，该自然冷却换热系统的投资回收期为3.88年。

4 结论

(1)北京地区良好的气候条件是自然冷却换热技术应用于通信机房空调系统的有利条件。热管换热器应用于通信机房空调系统，显热效率η 在63.6 %～44.1 %的较高范围;系统能效比EER可达2.83～5.17，高于空调机节能评价值，具有良好的节能性。

(2)热管换热器应用于通信机房替代空调系统运行时，其净节省电功率占空调耗功率的比例超过50 %，并随室外温度下降而增加。当室外温度tW由12℃降至－12℃时，这一数值由59 %提高到85.7 %。

(3)热管换热器应用于北京地区通信机房空调系统的案例表明，全年运行期间可节电30.4 %，投资回收期为3.88 a，具有良好的经济和社会效益。

参考文献

［1］胡伟，何杞鑫，俞震.通信机房节能平台及其应用［J］.电源技术应用，2008(5):50－56

［2］邓晨冕，秦红.通信机房空调系统节能技术［J］.广东工业大学学报，2009，26(4):45－49

［3］尹贞勤.程控交换机房空调设计探讨［J］.安徽建筑，1999(4):29－31

［4］钱康.建筑空调系统节能技术措施探讨［J］.制冷空调，2002，23(3):58－59

［5］董峰.高性能计算机机房专用空调节能措施的探讨［J］.电信技术，2008(2):75－77

［6］Wang Shengwei，Xu Xinhua.Optimal and robust control of outdoor ventilation airflow rate for improving energy efficiency and IAQ［J］.Building and Environment，2004，39:763－773

［7］Omar M Al－Rabghi，Moha mmed M Akyurt.A survey o f energy efficient strategies for effective air conditioning［J］.Energy Conversion and Management，2004，45:1643－1645

［8］肖斌.移动通信基站节能实施建议［J］.硅谷，2009(1):97

［9］ASHRAE.Air－to－air energy recovery［G］.ASHRAE 2000 HVAC Systems and Equipment，2000

［10］GB/T 19576－2004 单元式空气调节机能效限定值及能源效率等级［S］