趙曉峰，劉玉民，林武雋

（中國(guó)電信北京分公司）

0 引 言

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排工作的不斷深入，企業(yè)節(jié)能的力度也在逐步加大，節(jié)能減排在企業(yè)管理中已經(jīng)占據(jù)了至關(guān)重要的地位。調(diào)查顯示，通信數(shù)據(jù)機(jī)房的運(yùn)行能耗中，空調(diào)耗能達(dá)50%左右。為降低數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)耗能，市場(chǎng)上涌現(xiàn)了許多新產(chǎn)品和新技術(shù)，如新風(fēng)節(jié)能空調(diào)、冰蓄冷制冷系統(tǒng)、大型水冷空調(diào)、變頻制冷空調(diào)等，這些產(chǎn)品和技術(shù)的節(jié)能效果在實(shí)際應(yīng)用中都得到了驗(yàn)證。北京電信根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房運(yùn)維管理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合北方地區(qū)固有的氣溫變化特征，首次應(yīng)用水冷自然冷源空調(diào)技術(shù)來(lái)降低數(shù)據(jù)機(jī)房的能耗，經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行，節(jié)能效果十分顯著。

1 水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)的原理及分類

1.1 水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)的原理

在北方地區(qū)，春秋季節(jié)和冬季時(shí)間較長(zhǎng)，室外氣溫較低，利用這一點(diǎn)，把室外的低溫自然風(fēng)與冷卻水進(jìn)行熱交換，冷卻水水溫降至10℃以下，再通過(guò)冷卻水循環(huán)泵、板式換熱器與冷凍水進(jìn)行換熱，把冷量傳給冷凍水，這樣冷凍水就可通過(guò)冷凍水循環(huán)泵為需要冷卻的區(qū)域進(jìn)行冷量供應(yīng)。水冷自然冷源是在水冷制冷系統(tǒng)上繁衍的一個(gè)分支，可充分利用自然界中的冷量，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)閉制冷主機(jī)，達(dá)到節(jié)能的目的，應(yīng)用簡(jiǎn)單，投資回報(bào)高。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行能耗比對(duì)，水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)比普通空調(diào)，節(jié)能效率提高51%。如圖1所示。

圖1 水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)原理圖

1.2 水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)的分類

水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)低溫冷卻水是否直接送入空調(diào)末端設(shè)備，劃分成為兩大類：間接供冷系統(tǒng)和直接供冷系統(tǒng)。

1.2.1 水冷自然冷源間接供冷系統(tǒng)

水冷自然冷源間接供冷系統(tǒng)是指系統(tǒng)中冷卻水環(huán)路與冷凍水環(huán)路相互獨(dú)立，不相互連接，能量傳遞主要依靠中間板式換熱設(shè)備來(lái)進(jìn)行熱交換，這可以保證冷凍水系統(tǒng)環(huán)路的完整性，確保冷凍水水質(zhì)不發(fā)生變化，減少了排污的水量和加藥處理的環(huán)節(jié)，最大程度的減少了水資源的浪費(fèi)。但由于間接供冷系統(tǒng)存在中間板式換熱損失，致使供冷效果有所下降，同時(shí)間接供冷系統(tǒng)的投資會(huì)比直接供冷系統(tǒng)大。在使用自然冷源間接供冷時(shí)，將制冷機(jī)組關(guān)閉，將冷卻水與冷凍水在板式換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)間接換熱，冷凍水吸收冷卻水的冷量，而冷凍水的熱負(fù)荷由冷卻水帶走，經(jīng)冷卻塔與室外空氣對(duì)流換熱后溫度降低，再經(jīng)此板式換熱器和冷凍水進(jìn)行熱交換，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)了自然冷源間接供冷。如圖2、圖3所示。

圖2 自然冷源冷卻塔

圖3 水冷自然冷源板式換熱器

1.2.2 水冷自然冷源直接供冷系統(tǒng)

水冷自然冷源直接供冷系統(tǒng)是指在原有空調(diào)水系統(tǒng)管路中設(shè)置旁通管道，將冷凍水環(huán)路與冷卻水環(huán)路連接在一起的系統(tǒng)，夏季按常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)入冬季水冷自然冷源直接供冷時(shí)，將制冷機(jī)組關(guān)閉，打開冷凍水旁通閥門，使冷卻水直接進(jìn)入機(jī)房空調(diào)進(jìn)行制冷，其冷卻塔開式閉式均可。采用開式冷卻塔時(shí)，冷卻水與外界空氣直接接觸易被污染，隨著冷卻水的循環(huán)，污染物易進(jìn)入機(jī)房空調(diào)水管路和表冷器，從而造成表冷器阻塞，所以開式冷卻塔在自然冷源直接供冷系統(tǒng)中應(yīng)用很少。而采用閉式冷卻塔雖可滿足水質(zhì)要求，但由于閉式冷卻塔是通過(guò)間接蒸發(fā)冷卻原理來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫的，因而傳熱效果受到影響，同時(shí)在北方－12℃以下時(shí)，其換熱管極容易凍裂，維修非常困難，因此閉式冷卻塔在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的也比較少。

2 水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用概況

目前水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)在國(guó)際空調(diào)制冷領(lǐng)域上是一項(xiàng)比較創(chuàng)新的制冷方式，但在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較少，尚處于發(fā)展初期，可廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)機(jī)房、食品儲(chǔ)藏、制藥企業(yè)、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所，因此發(fā)展前景廣闊。

2.1 水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用分析

2.1.1 水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用計(jì)算

水冷自然冷源系統(tǒng)供冷模式取決于室外溫度、節(jié)能效果及投資回收期。根據(jù)地區(qū)歷史溫度記錄可以計(jì)算出每年可運(yùn)行自然冷源系統(tǒng)的時(shí)間、節(jié)約的資金和投資回收期。假設(shè)數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)制冷所需供水水溫為7℃，考慮冷卻塔冷幅度、管路及板式換熱器等熱損失使水溫溫升2.5℃，則可得出：當(dāng)室外濕球溫度等于或低于10℃時(shí)，即可切換為自然冷源系統(tǒng)供冷模式。水冷自然冷源系統(tǒng)中冷卻塔應(yīng)以夏季冷負(fù)荷及夏季室外計(jì)算濕球溫度來(lái)進(jìn)行選型，同時(shí)還應(yīng)對(duì)自然冷源系統(tǒng)供冷模式下的供冷能力進(jìn)行校核，計(jì)算方法可以用焓濕圖計(jì)算，也可以采用簡(jiǎn)單的概算法。

2.1.2 水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)的安裝與運(yùn)行管理

在直接供冷系統(tǒng)中，冷卻水環(huán)路應(yīng)與冷凍水管道旁通相連，使用自然冷源供冷模式時(shí)關(guān)閉冷凍水泵，打開冷凍水旁通閥門，此時(shí)水循環(huán)動(dòng)力由冷卻水泵提供。在自然冷源供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮轉(zhuǎn)換供冷專用泵和水路的平衡，還應(yīng)注重冷卻水的除菌過(guò)濾，防止阻塞空調(diào)換熱管道和表冷器。

間接供冷系統(tǒng)中換熱器應(yīng)選擇板式換熱器，因?yàn)榘迨綋Q熱器與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，換熱效率較高。

考慮到在特定室外濕球溫度和建筑負(fù)荷下，冷卻塔冷幅（冷卻塔出水溫度與室外濕球溫度之差）隨冷卻填料尺寸的增大而減小，我們可采用多套冷卻塔串聯(lián)的方法來(lái)增加冷卻效果，提高節(jié)能指數(shù)。

由于水冷自然冷源供冷系統(tǒng)主要在春秋季和冬季運(yùn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮北方較低的氣溫，在冷卻水系統(tǒng)中設(shè)置防凍設(shè)施，如設(shè)置化冰噴淋管、增設(shè)蒸汽除冰器等。

2.2 水冷自然冷源系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例及節(jié)能效果分析

中國(guó)電信北京公司永豐數(shù)據(jù)中心，首次成功應(yīng)用水冷自然冷源系統(tǒng)供冷，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，節(jié)能效果十分明顯。與技術(shù)較成熟的新風(fēng)節(jié)能空調(diào)進(jìn)行對(duì)比，其具有很多優(yōu)越性。新風(fēng)節(jié)能空調(diào)是通過(guò)直接引入室外新風(fēng)來(lái)對(duì)機(jī)房進(jìn)行降溫的，但新風(fēng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾后仍有較多的細(xì)塵進(jìn)入機(jī)房，影響機(jī)房環(huán)境，再者新風(fēng)過(guò)濾所必需的高效、中效、初效過(guò)濾網(wǎng)更換比較頻繁，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較大，所以對(duì)于環(huán)境要求不高的數(shù)據(jù)機(jī)房可以采用，但對(duì)于環(huán)境要求較高的就無(wú)法應(yīng)用。而采用水冷自然冷源系統(tǒng)供冷時(shí)，機(jī)房環(huán)境不受外界空氣因素的影響，可大大降低維護(hù)費(fèi)用。如表1所示。

2.2.1 水冷自然冷源系統(tǒng)的運(yùn)行方案

當(dāng)室外環(huán)境溫度在10℃～－2℃之間時(shí)，運(yùn)行水冷自然冷源系統(tǒng)，制冷主機(jī)停止運(yùn)行，這樣機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)耗能每天可節(jié)約18 264 k W，其運(yùn)行時(shí)間為3月份和11月份，歷時(shí)49天，總耗能共節(jié)約890 000 k W，節(jié)省資金約70萬(wàn)元。如表2所示。

當(dāng)室外環(huán)境溫度低于－2℃時(shí)，關(guān)閉2臺(tái)水泵、運(yùn)行2臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)，日耗能節(jié)約27 672 k W，其運(yùn)行周期為3個(gè)月，分別為12月、1月、2月，歷時(shí)90天，共節(jié)約能耗2 480 000 k W，節(jié)約資金約197萬(wàn)元。如表3所示。

2.2.2 水冷自然冷源系統(tǒng)節(jié)能效果分析

經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，使用水冷自然冷源系統(tǒng)供冷后，日耗能減少18 264 k W，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用14 472元，每月可節(jié)省資金434 160元。在冬季氣溫較低的時(shí)間段，水冷自然冷源空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在最佳工況，日耗能減少27 672 k W，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用21 926元，每月可節(jié)省資金657 780元。通過(guò)運(yùn)行及數(shù)據(jù)分析，永豐數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)制冷采用水冷自然冷源系統(tǒng)后，一年可節(jié)約資金約267萬(wàn)元。

表1 北京電信永豐數(shù)據(jù)中心制冷機(jī)組供冷模式耗能統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用水冷自然冷源系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行空調(diào)節(jié)能改造，節(jié)能效果顯著，可以在有條件的機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行推廣，為企業(yè)節(jié)省更多資金，為國(guó)家能源可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

表2 北京電信永豐數(shù)據(jù)中心機(jī)房水冷自然冷源供冷模式耗能統(tǒng)計(jì)表（1）

表3 北京電信永豐數(shù)據(jù)中心機(jī)房水冷自然冷源供冷最佳模式耗能統(tǒng)計(jì)表（2）