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摘要：風冷精密空調是早期數據機房建設中大量采用的冷卻設備，至今仍有大量的１０００機架以下的低功率密度的數據機房采用該設備。但常規的風冷精密空調是基于商用柜式空調的設計邏輯，在實際應用中與數據機房全年散熱的特征不吻合。隨著節能降耗工作的進一步推進，此類數據機房精密空調必須進行節能改造。本文介紹了加裝水預冷系統和加裝氟泵裝置２項風冷精密空調節能改造技術的原理，并結合案例實測數據分析了其節能效果。２項技術均可在原有精密空調不拆除且機房正常運行的條件下直接進行改造。根據測試結果，水預冷技術在夏季可節電１３％，但綜合考慮新增冷卻水泵的能耗，則能效提升有限，僅為２．４４％。氟泵技術全年可節電１８％左右，但在全氟泵模式下制冷量下降較為明顯。根據分析，總負荷較大且室外散熱不佳的數據機房可采用水預冷改造技術，可在保障總制冷量的同時有效改善散熱。總負荷不大且室外散熱條件良好的數據機房可采用氟泵改造技術，可在冬季及過渡季節提高能效。

關鍵詞：數據機房；精密空調；節能改造；水預冷技術；氟泵技術

根據工信部《新型數據中心發展三年行動計劃（２０２１—２０２３年）》中提出的要求和上海市發改委、經信委《關于做好２０２１年本市數據中心統籌建設有關事項的通知》等文件的要求，上海市將分類型、分批次推進“老小散舊”數據中心改造和淘汰，將承載業務逐步向大型數據中心遷移。受到數據中心既有業務轉移困難的限制，大部分數據中心無法在近幾年內遷移，而只能開展基于原有條件的節能改造。其中，數據機房空調是節能改造的重點。這些老舊數據中心大多以風冷精密空調作為冷卻設備。這些設備能效較低、可擴容性不強、維護成本較高。在實際運行中還容易存在多種安全或環境風險，例如：風冷冷凝器密集布置于屋外，形成局部熱聚集，效率大幅度下降；在夏季，空調冷凝壓力過高，機組頻繁出現高壓保護，嚴重威脅設備安全運行；在夏季，室外風機持續高速運轉，風機噪聲極大，引起周邊居民不滿。這些數據機房原有建筑體量較小，沒有足夠的室內空間增加全套水冷冷站或增加水冷精密空調間。同時，它們的ＩＴ負荷總量較小，若采用大型高效的冷水機組，容易出現喘振等問題。另外，在機房內進行水冷系統改造存在機房進水等安全風險。因此，不適合進行完全的冷水系統改造。本文通過對加裝水預冷系統（以下簡稱“水預冷”）和加裝氟泵裝置（以下簡稱“氟泵”）的節能改造技術的測試分析，總結提煉這２項技術的適宜性和可行性。

１水預冷技術

１．１水預冷技術節能原理

在原精密空調的冷凝器至室內蒸發器的管路中間串聯一個水冷殼管式換熱器。高溫制冷劑氣體進入風冷冷凝器換熱冷卻后，再進入換熱器中換熱變為低溫制冷劑。低溫冷卻水從冷卻塔通過水泵輸送到水冷殼管式換熱器內，換熱升溫后循環回到冷卻塔內，通過冷卻塔降溫后進入下一個循環。由此，將冷凝方式由原本的風冷模式轉變為水冷模式。水預冷技術改造方案原理見圖１。

１．２水預冷技術案例介紹

某數據中心設有６０余套風冷精密空調，在保留原有風冷冷凝器的基礎上，根據上節技術方案，加裝一套水冷換熱系統。項目新增了６０余套殼管式冷凝器、２臺循環水泵（一用一備）、１臺冷卻塔及配套循環水系統管路。由水冷系統作為主要冷源，原有風冷冷凝器作為備用。在水冷系統檢修或故障時各精密空調可自動投入運行，確保機房時時處于安全穩定的運行環境。

１．３水預冷技術測試工況

該數據中心由動力環境監控系統提供能耗監測數據。由于單臺空調用電量無計量，本文對該數據中心２層某數據機房內空調機組的整體用電量進行計量。在對比測試時，考慮機房安全運行的要求，水預冷系統不能長時間關閉。本文將水預冷系統關閉２４ｈ和運行２４ｈ作為２種工況，記錄２種工況條件下空調設備的用電量，進而計算得出２種工況的能耗差，并分析計算節電率。（１）式中Ｓ為水預冷空調系統節電率；Ｐ１為水預冷系統關閉模式的平均小時用電量；Ｐ２為水預冷系統運行模式的平均小時用電量。

１．４水預冷技術測試結果及節能分析

測試時間為２０２０年８月１８—２０日，為夏季工況測試條件。通過對２種工況下的空調設備用電量的計量得到：水預冷設備運行時，精密空調平均小時用電量為２６４．９１ｋＷ·ｈ；水預冷設備關閉時，精密空調平均小時用電量為３０５．９８ｋＷ·ｈ；水預冷技術在夏季的節電率為１３．４２％。本次測試未得到冷卻水泵的能耗數據，根據廠家提供的資料，冷卻水泵額定功率為３７ｋＷ，額定水流量為３１５ｍ３／ｈ，冷卻塔為無風機冷卻塔。根據當日機房總冷量等數據，估算得冷卻水泵小時用電量為３３．１６ｋＷ·ｈ。因此，水預冷技術節電率為２．４４％。

２氟泵技術

２．１氟泵技術節能原理

在傳統風冷精密空調的制冷循環中加裝制冷劑泵、壓力傳感器、儲液罐、單向閥、控制板等部件，在控制器的集中調節下，充分利用室外低溫環境，減小壓縮機的運行功率和縮短工作時間，達到節能的目的。加裝氟泵裝置后的精密空調系統原理圖見圖２。根據廠家資料，本文案例采用的氟泵節能技術具有３種運行模式。１）壓縮機循環模式。當室外環境溫度＞２０℃時，壓縮機工作，提供較高的冷凝溫度及冷凝壓力，保證制冷劑與室外空氣的換熱量。此時制冷劑泵不開啟。２）混合制冷模式。當１０℃≤室外環境溫度≤２０℃時，系統所需冷凝溫度和冷凝壓力降低，壓縮機耗能減少，此時制冷劑泵開啟，提高液態制冷劑的壓力，保證制冷劑的正常循環。３）制冷劑泵循環模式。當室外環境溫度＜１０℃時，從蒸發器出來的氣態制冷劑可直接在室外冷凝器中冷凝換熱，壓縮機無需開啟，制冷劑泵單獨工作。

２．２氟泵技術測試工況

某數據中心的２層數據機房內設有風冷精密空調共１０臺，有６臺完成了氟泵改造。本文選取其中３臺完成氟泵改造的精密空調，選取分別采用壓縮機循環模式、混合制冷模式、制冷劑泵循環模式的時間段進行測試。通過安裝電能測試儀計量其用電量，通過現場風量、溫濕度的測試計算得到制冷量，進而計算空調制冷效率（ＣＯＰ）。分別記錄精密空調在３種模式下的制冷效率，計算不同模式下的節能率。考慮到數據中心ＩＴ負荷穩定，不同模式節能率及全年節能率按以下公式計算：式（２）～（４）中Ｓ１為混合制冷模式的節能率；Ｓ２為制冷劑泵循環模式的節能率；Ｓ３為全年節能率；Ｐ１為混合制冷模式的空調制冷效率；Ｐ２為制冷劑泵循環模式的空調制冷效率；Ｐ３為壓縮機循環模式的空調制冷效率；Ｘ１為混合制冷模式年運行時間；Ｘ２為制冷劑泵循環模式年運行時間；Ｘ３為壓縮機循環模式年運行時間。

２．３氟泵技術測試結果及節能分析

通過對３種模式下的精密空調用電量的計量，得出氟泵技術的全年節能率為１８．４２％。氟泵技術全年節能率計算數據見表１。但從測試數據可見，在制冷劑泵循環模式下，精密空調的制冷量有所下降。在此對制冷量下降的原因分析如下。在夏季常規運行工況下，該數據機房的精密空調蒸發器溫度約為５℃，冷凝器溫度約為１００℃。即在采用老舊精密空調蒸發器、冷凝器條件下，綜合考慮油膜、塵垢等換熱熱阻的存在，冷凝器溫度比室外溫度高約６０℃時可以達到額定制冷量。在運行制冷劑泵循環模式時，冷凝器冷凝溫度與蒸發器蒸發溫度較為接近。考慮制冷劑泵的壓差、室內換熱溫差等因素，若要在制冷劑泵循環模式下達到同樣的制冷量，則室內溫度與室外溫度的差應達到４５℃左右。由于室內溫度與室外溫度的溫差不大，使得制冷劑泵循環模式條件下的制冷量無法達到壓縮機循環模式的制冷量。

３結論

本文通過對水預冷和氟泵應用案例的實測和分析，得到以下結論：應用案例的水預冷技術可實現精密空調在夏季節電１３％左右，若綜合考慮新增冷卻水泵能耗，則整體節電效果不佳。應用案例的氟泵技術的全年節能率在１８％左右，但在制冷劑泵循環模式下，其制冷量下降較為明顯。根據分析，總負荷較高且室外散熱不佳的數據機房可采用水預冷改造技術，可在保障總制冷量的同時有效改善散熱。總負荷不高且室外散熱條件良好的數據機房可采用氟泵改造技術，可在冬季及過渡季節提高能效。后續將進一步開展水預冷技術的全年性能測試并對氟泵技術應用優化進行進一步的研究。

作者：朱偉峰 黃璜 沈佳 張玉燕 趙潤辰 王文達 王安光 單位：上海市建筑科學研究院有限公司 上海建科節能技術有限公司