李 菁，王靜鋒，龍志國

（中國電信武漢分公司，湖北 武漢 430064）

0 引 言

2021年，我國開啟碳中和元年，國家提出了綠色低碳循環(huán)發(fā)展的生產體系要求，加快信息服務業(yè)綠色轉型，做好大中型數據中心、網絡機房綠色建設和改造，建立綠色運營維護體系。響應中國電信集團推進落實3060雙碳行動目標，開展重要資源效能提升的工作戰(zhàn)略，武漢分公司積極試行節(jié)能新技術、新方法，其中機房精密空調變頻節(jié)能改造已列入《綠色數據中心先進適用技術產品目錄》，它是指根據蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)熱力計算結果輸出相應控制信號控制壓縮機、室內風機工作頻率，進而達到降低能耗的目的[1]。

1 機房精密空調的能耗問題

數據中心機房空調的配置往往是一步到位，按機房IDC機柜合計的最大負荷所需制冷量并留有冗余，而IDC機房機柜占用率是根據業(yè)務發(fā)展變化的，在機房開通初期甚至較長一段時間內機柜使用數量達不到設計容量，這就造成機房空調制冷量有較大冗余[2]。同時，即使機柜使用達到設計容量，由于設備功率的差異和季節(jié)、晝夜等變化，對空調的制冷量需求不同，造成機房空調長期部分負載運行（30%～90%），實際運行中很少有滿負荷情況，在空調制冷量冗余較大時，只能通過人工定期開關機、調整溫度設定值等管理手段來實現節(jié)能，因此在用數據中心機房具有節(jié)電空間。

早期建設投運的機房風冷空調均為工頻壓縮機，僅提供開啟、停止的調節(jié)，調節(jié)幅度過大從而頻繁啟停，無法精確控制機房溫度；大功率的風冷空調還配置兩個壓縮機和兩套制冷循環(huán)系統(tǒng)，但在部分負載下，一個壓縮機停機，造成單路的冷凝器／蒸發(fā)器處于閑置，相同冷量輸入的情況下，降低了制冷效率，增加了能耗。此外，除近年來風冷空調逐漸采用EC風機外，早期的空調風機均為定風量運行，無法根據實際需求風量變速調節(jié)。上述問題都導致了電能的浪費[3]。

2 機房空調變頻改造

變頻節(jié)能技術是目前空調節(jié)能技術中較為成熟、應用較為廣泛的一種節(jié)能技術。變頻空調通過變頻器動態(tài)調節(jié)壓縮機和風機的轉速，頻率高，壓縮機轉速就快，空調產生的制冷量就大；而頻率較低時，制冷量相應變小，自動調節(jié)的結果使空調能夠根據周圍環(huán)境溫度變化的實際需要快速產生可變的制冷量。與傳統(tǒng)定頻方式相比主要優(yōu)點有：

（1）風冷機房空調制冷效率與室外溫度和負荷率相關。定頻風冷機房空調的壓縮機全年以恒定轉速運行，而變頻風冷機房空調壓縮機可根據負荷變化，調整壓縮機轉速和出力。在部分負荷和過渡季節(jié)、冬季運行時，變頻機房空調相比定頻空調制冷效率更高，適應能力更強，用電量更少。

（2）變頻風冷空調在部分負荷運行制冷能效更高。風冷機房空調運行的高效區(qū)一般是在負載率40%～75%。變頻改造后采用智能控制系統(tǒng)，將壓縮機的有級啟停變?yōu)闊o極調速，最大程度利用冷凝器/蒸發(fā)器換熱，提升制冷效率，降低風冷空調的負載率，確保整個機房內的空調系統(tǒng)運行總能耗最低[4]。

目前機房精密空調變頻改造實現以變頻控制技術為主，并包含多種根據溫度調節(jié)的自適應智能控制技術，主要包含：①壓縮機及風機變頻調節(jié)技術；②壓縮機群控技術；③溫度優(yōu)化控制技術；④壓縮機回油保障控制技術；⑤低諧波變頻技術。在實現節(jié)能降耗的同時，也對空調運行質量、電能質量采取了保障措施。

3 變頻改造的效果分析

3.1 變頻改造的節(jié)能效果分析

某IDC機房設備總功率為238 kW，機房內配置的空調制冷量為921 kW，所有空調變頻改造后，對原模式和變頻改造后的節(jié)能模式進行空調用電量對比分析，原模式日均能耗4 156.0 kW·h，節(jié)能模式日均能耗2 812.4 kW·h，測試期間平均節(jié)電率達到32.33%，節(jié)能效果明顯，具體節(jié)能數據如表1。

表1 某IDC機房空調變頻改造節(jié)電率分析表

3.2 變頻改造的機房溫度分析

對上述變頻改造的IDC機房在原模式和節(jié)能模式下機房內溫度監(jiān)控數據進行分析：改造后機房溫度波動值由3.1℃降至1.5℃以內，具體見圖1、圖2。機房溫度整體上震蕩幅度更小，溫度控制更加平穩(wěn)，同時有效地降低了壓縮機啟停次數，有利于降低空調故障率，延長空調的使用壽命。

圖1 某IDC機房空調在原模式下回風溫度圖

圖2 某IDC機房空調在節(jié)能模式下回風溫度圖

3.3 變頻改造對電能質量的影響分析

變頻器運行過程中，需要對輸入電源用大功率二極管整流（或晶體管/逆變模塊）進行逆變；在其逆變過程中，在輸入輸出回路產生的高次諧波；變頻器諧波對數據中心對供電系統(tǒng)、負載及其鄰近電氣設備產生干擾，影響供電可靠性[5]。

對上述機房的空調輸入端電能質量進行了測試，節(jié)能模式和原模式下電壓、電流畸變率和功率因數的對比，節(jié)能模式下電壓畸變率基本無變化、電流畸變率略有增加，功率因數明顯提升，接近于1。

本次改造的每臺空調變頻控制器內均安裝了有源濾波器，采用直流矩陣式變頻技術，內置9個雙向開關進行格子狀連接，實現雙向AC-AC的直接轉換回路，降低電源輸入側諧波畸變，達到輸入端電壓諧波畸變小于3%，電流畸變小于10%，整體功率因數0.95以上，對低壓系統(tǒng)的電能質量影響較小，電磁兼容性較好。如圖3所示。

圖3 某IDC機房空調節(jié)能改造前后的電能質量對比圖

對比另一個IDC機房進行空調變頻改造試點時，在空調配電柜的電能質量測試數據：電壓諧波2.2%，符合要求；電流諧波16.2%～19.7%，超出允許范圍，具體如圖4所示。經檢查分析，該變頻控制器未進行諧波治理。

4 結 論

通過對比在用數據中心機房空調變頻節(jié)能改造前后的測試驗證數據，得出以下結論：

（1）機房精密空調變頻改造具有顯著的節(jié)電效果。目前各機房的測試節(jié)電率在12.61%～35%，制冷量冗余度越大的機房其節(jié)能改造效果越好。建議在進行變頻改造前先對機房PUE進行分析，優(yōu)先應用于PUE高、空調制冷量冗余大的機房。

（2）機房精密空調變頻改造后，機房溫度在節(jié)能模式下比原模式整體上波動幅度更小，機房溫度更加穩(wěn)定，空調溫度控制精度更高。但目前機房溫度控制來源單一，一般是空調回風溫度或送風溫度，往往導致空調近端溫度達標但遠端及高功率區(qū)溫度過高，建議根據機房溫度熱力圖和氣流組織圖增加溫度監(jiān)控點，引入AI大數據分析，建立多維度的變頻節(jié)能智能控制系統(tǒng)。

（3）機房精密空調變頻改造后，如果不采取諧波治理，會導致輸入側電流諧波明顯增加，建議空調變頻改造采取就近諧波治理措施，在變頻控制器或空調配電柜內安裝有源諧波裝置，降低電流諧波，同時提高功率因數，以降低對低壓系統(tǒng)電能質量產生影響，減少對附近電氣設備的干擾和影響。