鄒 艷，武 巖

(1.北京京北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 101400;2.北京市懷柔區(qū)政府信息中心，北京 101400)

通信機(jī)房是保障通信設(shè)備可靠運(yùn)行的重要場(chǎng)所，對(duì)溫濕度和潔凈度等內(nèi)部環(huán)境參數(shù)要求較高。由于通信機(jī)房?jī)?nèi)的各類(lèi)設(shè)備散熱量大且穩(wěn)定，即使在冬季也可能需要空調(diào)系統(tǒng)提供冷量來(lái)維持通信設(shè)備正常運(yùn)行所需的環(huán)境要求。根據(jù)電信相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，通信機(jī)房耗電量占到了整個(gè)電信企業(yè)用電的90%以上，而機(jī)房空調(diào)耗電占到了整個(gè)機(jī)房設(shè)備耗電量的40%以上［1］。通信機(jī)房節(jié)能潛力巨大，而降低空調(diào)能耗是機(jī)房節(jié)能的關(guān)鍵。

鄧晨冕、秦紅［2］針對(duì)通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)耗電量大的問(wèn)題，介紹了一些節(jié)能降耗技術(shù):室外大氣冷源的利用;變頻技術(shù);機(jī)房空調(diào)機(jī)組自適應(yīng)控制技術(shù)等。在室外空氣溫度較低的過(guò)渡季節(jié)和冬季，利用室外新風(fēng)作為自然冷源對(duì)通信機(jī)房空氣進(jìn)行冷卻換熱是降低空調(diào)能耗的有效措施。尹貞勤、錢(qián)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風(fēng)作為冷源可以提高空調(diào)系統(tǒng)的能效，達(dá)到節(jié)能的目的。文獻(xiàn)［8］的節(jié)能測(cè)試結(jié)果表明，新風(fēng)系統(tǒng)比隔離換熱系統(tǒng)的節(jié)能效果好，但會(huì)將灰塵引入機(jī)房，從而造成設(shè)備積塵，不利于設(shè)備安全運(yùn)行，因此要根據(jù)實(shí)際情況選擇節(jié)能系統(tǒng)。

本研究以北京地區(qū)通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用自然冷卻換熱技術(shù)，利用北京地區(qū)過(guò)渡季及冬季的室外低溫空氣為通信機(jī)房提供天然冷源，分析其節(jié)能效果。

1 可行性分析

1.1 通信機(jī)房環(huán)境要求

《中國(guó)電信數(shù)據(jù)中心機(jī)房電源、空調(diào)環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)范(暫行)》［9］對(duì)通信機(jī)房環(huán)境參數(shù)的基本要求是:

(1) AA 級(jí)、A 級(jí)機(jī)房溫度為21～25℃，B 級(jí)、C 級(jí)機(jī)房溫度為18～28℃;

(2) 相對(duì)濕度40%～70%，溫度變化率小于5℃/h，且不結(jié)露;

(3) 直徑大于0.5μm 的灰塵粒子濃度不大于18000粒/L，直徑大于5μm 的灰塵粒子濃度不大于300 粒/L。

1.2 北京地區(qū)室外氣象特點(diǎn)

北京地區(qū)屬于氣象分區(qū)中的寒冷地區(qū)，根據(jù)北京地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年干球溫度年變化規(guī)律(如圖1 所示)，全年約有9個(gè)月的時(shí)間室外空氣日平均溫度低于25 ℃，其中低于15 ℃的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4867 h 之多，占全年總小時(shí)數(shù)的55.6 %?？梢?jiàn)，良好的自然氣候條件為自然冷卻換熱技術(shù)在通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了有力保證，利用室外自然冷源為機(jī)房空調(diào)提供冷量具有巨大潛力。

圖1 北京地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年干球溫度年變動(dòng)曲線(xiàn)和溫度頻數(shù)

2 自然冷卻換熱系統(tǒng)及節(jié)能效益分析

2.1 自然冷卻換熱系統(tǒng)基本原理

通信機(jī)房空調(diào)用自然冷卻換熱系統(tǒng)即是將換熱技術(shù)與自然冷卻通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合。鑒于通信設(shè)備對(duì)工作環(huán)境潔凈度要求的嚴(yán)格性，并結(jié)合北京地區(qū)室外空氣潔凈度的具體情況，筆者考慮采用間接換熱的方式，即室外低溫空氣與室內(nèi)空氣不直接接觸，通過(guò)換熱器間接顯熱換熱，從而充分利用北京地區(qū)過(guò)渡季及冬季的室外低溫空氣為通信機(jī)房提供天然冷源，減少通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)電能消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的?；驹硪?jiàn)圖2。

圖2 熱管換熱器原理

換熱器顯熱效率η可表達(dá)為式(1)。顯熱效率η 是換熱器換熱性能的體現(xiàn)，當(dāng)通信機(jī)房室內(nèi)溫度較穩(wěn)定時(shí)，室外空氣溫度(或室內(nèi)外溫差)是影響換熱器顯熱效率η 的重要因素。另外，自然冷卻換熱系統(tǒng)在獲取室外天然冷量的同時(shí)，必須借助風(fēng)機(jī)設(shè)備為室內(nèi)外空氣提供流動(dòng)動(dòng)力，是以消耗一定的電能為代價(jià)的，即存在投入與產(chǎn)出，筆者借用能效比EER 的概念來(lái)評(píng)價(jià)其投入產(chǎn)出比，如式(2)。

式中:η為換熱器顯熱效率;tW，tW'分別為室外空氣進(jìn)、出顯熱換熱器時(shí)的溫度;tN，tN'分別為室內(nèi)空氣進(jìn)、出顯熱換熱器時(shí)的溫度;EER為系統(tǒng)能效比;GN，GW分別為室內(nèi)、室外側(cè)空氣質(zhì)量流量;Q’為系統(tǒng)換熱量;N1，N2分別為室內(nèi)、室外側(cè)風(fēng)機(jī)電機(jī)功率;Cp為空氣比熱。

筆者擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，把握室外溫度(或室內(nèi)外溫差)對(duì)自然冷卻換熱系統(tǒng)傳熱特性及能效比的影響規(guī)律。

2.2 系統(tǒng)節(jié)能效益分析

2.2.1 通信機(jī)房冷負(fù)荷

通信機(jī)房冷負(fù)荷Q 計(jì)算(如式(3))，是進(jìn)行空調(diào)及換熱器選型的主要依據(jù)。

式中:Q1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷;Q2為通信機(jī)房設(shè)備發(fā)熱量;Q3為機(jī)房工作人員散熱量;Q4為機(jī)房照明散熱量。

由于室外溫度變化對(duì)冷負(fù)荷以及換熱器換熱量有較大影響，因此，采用動(dòng)態(tài)仿真模擬將大大提高計(jì)算準(zhǔn)確度。

2.2.2 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗

當(dāng)采用自然冷卻換熱無(wú)法滿(mǎn)足通信機(jī)房所需冷量時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行以維持機(jī)房環(huán)境要求，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行折算時(shí)間H可表示為式(4)，進(jìn)而由式(5)、式(6)計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)耗電量W。

2.2.3 節(jié)能效益分析

(1)節(jié)電率

采用自然冷卻換熱技術(shù)后，通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間減少，與采用空調(diào)系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行方式相比較，其節(jié)電率為(式(7)):

(2)投資回收期

投資回收期是對(duì)節(jié)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，只有技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的節(jié)能技術(shù)才有廣泛的推廣價(jià)值。

［10］的建議，節(jié)能設(shè)計(jì)工程投資回收期宜控制在5 a 以?xún)?nèi)，當(dāng)熱回收裝置回收期在3 a 以?xún)?nèi)時(shí)應(yīng)予以采用。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

基于以上分析，本研究以北京地區(qū)某通信機(jī)房為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套自然冷卻換熱系統(tǒng)。此機(jī)房建筑面積145 m2，層高3.4 m，僅東墻為外墻，并設(shè)三面外窗;通信設(shè)備布置密度大，設(shè)備發(fā)熱量約為551.7 W/m2，安裝有兩臺(tái)機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)，單臺(tái)制冷量為80.3 kW，額定功率為26.81 kW;采用地板送風(fēng)，頂回風(fēng)的氣流組織形式。該機(jī)房室內(nèi)環(huán)境控制溫度為24℃，高溫和低溫報(bào)警溫度分別為28℃和14℃，相對(duì)濕度為55 %±10 %。由于機(jī)房建筑空間有限且潔凈度要求較高，故選用結(jié)構(gòu)較為緊湊的隔離型熱管換熱器，室內(nèi)與室外側(cè)風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)熱管換熱器間接換熱(圖2)。

3.2 通信機(jī)房冷負(fù)荷計(jì)算

采用能耗分析軟件DeST可得該通信機(jī)房全年逐時(shí)冷負(fù)荷，從而計(jì)算得到月平均冷負(fù)荷。由于通信機(jī)房無(wú)人員長(zhǎng)期值守，故人員散熱量Q3可忽略。通信機(jī)房冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 通信機(jī)房冷負(fù)荷

續(xù)表1

根據(jù)計(jì)算得到的通信機(jī)房冷負(fù)荷，選擇設(shè)置兩臺(tái)同型號(hào)熱管換熱器，每臺(tái)換熱器額定風(fēng)量為18000 m3/h，額定功率為8 kW，換熱量為45 kW。

3.3 換熱器性能實(shí)驗(yàn)

為掌握北京地區(qū)室外溫度(或室內(nèi)外溫差)變化對(duì)自然冷卻換熱系統(tǒng)傳熱特性及能效比的影響規(guī)律，利用實(shí)驗(yàn)方法，在室內(nèi)、室外側(cè)風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)、出口上設(shè)置四個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，采用Pt100 熱電阻(量程為－50～150℃，精度為±3 %)測(cè)量溫度值，待溫度值穩(wěn)定后讀數(shù)，對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集(如圖2 所示)。利用式(1)和式(2)計(jì)算熱管換熱器顯熱效率η 和換熱系統(tǒng)能效比EER，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 顯熱效率和能效比隨室內(nèi)外溫差的變化

由圖3可知，熱管換熱器顯熱效率η 隨室內(nèi)外溫差Δt增大而降低，當(dāng)室內(nèi)側(cè)溫度較穩(wěn)定時(shí)，隨室外側(cè)溫度的下降而降低。室內(nèi)外溫差Δt 在5～30℃之間時(shí)，顯熱效率在較高的范圍變動(dòng)，為63.6 %～44.1 %。小溫差條件下顯熱效率較高，5℃溫差(室外溫度tW=19℃)時(shí)，顯熱效率η可達(dá)63.6 %;溫差Δt 大于10℃(室外溫度tW＜14℃)后，顯熱效率η 低于60 %。經(jīng)擬合得到熱管換熱器顯熱效率η 與室內(nèi)外溫差Δt(室外溫度tW)的關(guān)系曲線(xiàn)(式(9)):

換熱系統(tǒng)能效比EER 則隨室內(nèi)外溫差Δt 增大而增加，室內(nèi)外溫差Δt 在5～30℃之間變化時(shí)，能效比EER可達(dá)2.83～5.17。根據(jù)GB/T 19576－2004《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)能效限定值及能源效率等級(jí)》［11］的規(guī)定，空調(diào)機(jī)的節(jié)能評(píng)價(jià)值為能效比EER=2.70?？梢?jiàn)，熱管換熱器應(yīng)用于北京地區(qū)通信機(jī)房具有較高能效比，滿(mǎn)足節(jié)能要求。

3.4 節(jié)能性評(píng)估

3.4.1 熱管換熱器運(yùn)行方案的確定

當(dāng)通信機(jī)房冷負(fù)荷可完全由熱管換熱器承擔(dān)時(shí)，換熱器替代空調(diào)運(yùn)行，此時(shí)有:

將式(9)代入式(10)，tN為機(jī)房室內(nèi)溫度24℃，計(jì)算得到tW≤12℃時(shí)，換熱器可完全替代空調(diào)運(yùn)行。

綜合考慮北京地區(qū)室外氣象條件以及熱管換熱器性能，為簡(jiǎn)化運(yùn)行控制方案，室外空氣溫度tW≥12℃時(shí)空調(diào)單獨(dú)運(yùn)行，tW≤12℃時(shí)換熱器單獨(dú)運(yùn)行。

3.4.2 節(jié)電率和投資回收期計(jì)算

3.4.2.1 換熱器節(jié)能計(jì)算

該通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)COP=2.9，兩臺(tái)熱管換熱器總功率為16 kW，采用自然冷卻換熱技術(shù)后，根據(jù)通信機(jī)房空調(diào)及熱管換熱器運(yùn)行方案，tW≤12℃的不同室外溫度條件下熱管換熱器系統(tǒng)節(jié)省電功率(空調(diào)耗功率－換熱器耗功率)計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 換熱器運(yùn)行節(jié)省電功率

由表2 數(shù)據(jù)可知，隨著室外空氣溫度的下降，換熱器替代空調(diào)運(yùn)行凈節(jié)省電功率占空調(diào)耗功率的比例不斷增加。室外溫度tW=12℃時(shí)，換熱器節(jié)省電功率為空調(diào)耗功率的59%;tW=0℃時(shí)，換熱器節(jié)省電功率為空調(diào)耗功率的78.8 %;當(dāng)tW=－12℃時(shí)，這一數(shù)值上升至85.7 %。

3.4.2.2節(jié)電率計(jì)算

根據(jù)式(4)～式(7)，對(duì)通信機(jī)房采用自然冷卻換熱系統(tǒng)前后，僅使用空調(diào)系統(tǒng)制冷與空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合熱管換熱器提供冷量全年運(yùn)行能耗進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 制冷系統(tǒng)年運(yùn)行能耗

3.4.2.3 投資回收期計(jì)算

熱管換熱器為11 萬(wàn)元/臺(tái)，管道投資及安裝費(fèi)用共3 萬(wàn)元，總投資為25 萬(wàn)元，北京地區(qū)電費(fèi)按0.8 元/kWh 計(jì)算，根據(jù)式(8)并利用表3 的計(jì)算數(shù)據(jù)，該自然冷卻換熱系統(tǒng)的投資回收期為3.88年。

4 結(jié)論

(1)北京地區(qū)良好的氣候條件是自然冷卻換熱技術(shù)應(yīng)用于通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的有利條件。熱管換熱器應(yīng)用于通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，顯熱效率η 在63.6 %～44.1 %的較高范圍;系統(tǒng)能效比EER可達(dá)2.83～5.17，高于空調(diào)機(jī)節(jié)能評(píng)價(jià)值，具有良好的節(jié)能性。

(2)熱管換熱器應(yīng)用于通信機(jī)房替代空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，其凈節(jié)省電功率占空調(diào)耗功率的比例超過(guò)50 %，并隨室外溫度下降而增加。當(dāng)室外溫度tW由12℃降至－12℃時(shí)，這一數(shù)值由59 %提高到85.7 %。

(3)熱管換熱器應(yīng)用于北京地區(qū)通信機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的案例表明，全年運(yùn)行期間可節(jié)電30.4 %，投資回收期為3.88 a，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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