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通信机房专用空调系统的节能
添加时间:2017-07-27
        近年来,全国通信网络规模和用户规模不断扩大,通信企业设备运行的耗电量已经成为不断增加的重要成本。在众多的用电成本中,空调用电费用占有相当大的比例。据调查,在机房机柜中仅精密空调的运行耗电量就占机房总用电量的50%以上,在数量众多的基站、模块局中,空调用电量基本占基站或模块局用电量的70%左右。因此,如何降低机房空调用电的开支,成为通信企业迫切需要研究的重要课题。
        采用正确、合理的综合解决方案可以有效减少空调的运行时间,在节约空调用电的同时延长空调的使用寿命,提高能源利用率,保护环境,减轻国家能源的供需压力。
        对于通信机房这类几乎全年都需要向外排热的特殊场所,全年运行空调能耗很大,目前国内存在以下几种节能手段。
 
1、机房温湿度设定值节能控制
        在满足机房工艺的前提下,确定合理的温度、湿度值和新风量,可以降低电信运营成本,同时延长空调设备的使用寿命,是节能的重要体现。通过部分机房现场测试,发现机房空调设置温度每调高1℃,可以节能5%~12%。
        (1)考虑电信机房的空调一般始终处于制冷状态,所以设定温度值越高越节能。
        (2)在温度优先原则下,放宽湿度控制标准,可根据季节的不同,改变湿度的设置值;如夏季的室内相对湿度值可适当提高,减少空调的除湿时间;冬季机房相对湿度值尽量降低,减少空调的加湿时间。对于一些等级低的机房,可以考虑关闭空调加湿和加热功能。
        (3)需熟知机房所有设备的工作温度,温度控制不好会降低通信设备寿命,最好在选用通信设备时就选用耐高温性设备。
        (4)不用才是最省的,该法属于典型的防守性节能,不会增加任何成本,而且节能效果明显。
 
2、空调自适应节能控制技术
        机房专用空调自适应节能控制技术充分利用遇信机房空调冷量的富裕量而达到节能的目的,机房空调冷量的设计原则为N+1,其中N为夏天最高气温时的全冷量需求,1为备用机组台数。当N能满足全部冷量需求时,则机房冷量的富裕量是很大的,其富裕量主要体现如下:
        (1)一台备用空调的冷量。
        (2)昼夜之间温差较大,即使夏天也可达10℃。
        (3)季节温差,如上海地区冬夏季温差达30℃以上。
        因此,可以利用空调自适应控制原理,解决最需要解决的通信设备的环境控制问题。
        (1)自适应由点到面:改变专用空调只利用本机回风口传感器的温、湿度值,无法监测整个机房平面的真实环境温、湿度数据,准确性不够的状况,对整个机房的温、湿度整体进行控制。
        (2)自适应由“单兵”到“团队”作战:改变“空调群”的组合使用过程中各自为政,甚至出现机房内有的空调在制冷的同时有的在制热,使用极不合理的状况,使空调机组协同工作。自适应由“缺陷”到“合理”:改变由于机房机架排列、建筑结构、线现走向排序等复杂客观因素,造成空调机组的气流组织缺乏优化处理,使机房内温差大的情况,使机房温湿度达到理性控制的目的。
        其工作原理如下:
        (1)模糊控制技术:自动跟踪昼夜、季节、地区、机房内区域环境温、湿度值的变化。准确计算通信机房各“区域”与外部环境温、湿度值之间的关系。
        (2)PID技术:动态调整空调的设定温度、湿度、修正值等参数,根据空调设备的实时运行状况,配以智能化的控制算法软件,优化压缩机的运行周期,平衡空调设备供冷量与 标温湿度值之间的关系。
        ① 比例幅度(P)——稳定:是实际温度与设定温度之间的允许偏差,以℃表示。
        ② 积分控制(I)——准确:是由实际温度与设定温度的差值大小及差值持续时间长短来决定的。积分控制是对总控制输出连续轻微地增加或减小制冷或加热,以使实际温度续渐靠近并到达设定值。
        ③ 微分控制(D)——预期:是根据温度的变化速率而做出反应的。温度变化越快,微分控制便会越大。微分控制可以阻止因负荷突然变化造成实际温度过度偏离温度设定值,起到预期控制的作用。
        (3)计算机温度场模拟技术:根据机房不同的工况条件、空调冷量分布、风量扩张循环等综合数据,提高优化冷量利用效率,排列出空调优先资格顺序,达到冷量效率最大化精确控制“N+1”“N+0”“N-1”等台空调数量的开启与关闭,使空调始终处于最佳工作状态,有效地实现机房整体环境的恒温恒湿,提升通信设备的环境安全、节约空调能源消耗、延长空调机组的使用寿命。
 
3、采用高效机房空调
        从机房空调演变过程可以知道,机房空调的效率一直在提高。例如,机房空调的压缩机从半封活塞到全封闭活塞式,再到全封闭涡旋式,能效比增强25%左右;所以我们现在采用全封闭涡旋式压缩机比20世纪80年代初期的空调设各要节能25%;另外,在空调的室内送风系统中,风机电动机直联比风机皮带传动节能,而涡旋直联风机又比前两者更节能,如涡旋风机比皮带传动要节能20%以上。
        (1)为了节能,优先选用高效压缩机和风机。
        (2)分析在网的空调设备,对高耗能老型号设备建议淘汰。
 
4、通倍机房建筑节能
        早先一些机房由于设计较早,未考虑机房建筑节能,围护结构传热损失比较大,加上一些大楼内机房和办公用房混用,建造时为追求建筑立面效果,窗墙比例偏大,井大量采用玻璃幕墙,这些因素均增加了空调负荷,导致机房空调系统的浪费。
        (1)通信机房建筑进行机房节能设计。例如,玻璃窗和墙体采用保温隔热性能好的材料。
        (2)在需要对室外新风进行冷却的季节,新风量越少越节能;所以要确保机房的密闭性,减少漏风等新风进入机房。
 
5、采用新型环保制冷剂
        目前,机房空调使用的制冷剂为氟利昂R22,依据蒙特利尔协定将于2030年停止使用。近年来,市场上替换品以亚共沸制冷剂为多,如407C、418A、410A(需重新制作系统)等,环保同时有一定节能效果。更换新型制冷剂后,一方面达到子对臭氧层的环保要求,另一方面在合理调整空调运行工况后新型制冷剂可适当降低空调压缩机运行电流。
        (1)有一定节能效果,但和厂家资料有出入。例如,某制冷剂,推广厂家资料显示节能效果在9%~15%;现场自己做的节能效果为5%~8%,测试人员不同、测试方法的差异导致节能效果差异很大。
        (2)实际操作步骤较麻烦,需对制冷剂进行回收,最好由专业人员进行操作,更换费用较高。
 
6、添加耐磨剂
        专用空调是按照大风量、低焓差的原理设计的,能效比明显优于民用空调,属于节能型空调,要进一步提高效率、降低能耗有一定难度。由于考虑到目前专用空调部分还是采用活塞式压缩机,因此采用冷冻油添加剂增加润滑,减少压缩机的运行阻力,同时增强冷凝器和蒸发器的换热效率是解决方法之一。
        极化分子添加剂技术起源于美国,最早用于军事领域,1996年开始民用,对于减少机件摩擦效果十分明显,可以提高润滑度1500%,将其用于空调冷冻油添加剂,将大幅提高压缩机效率。
        极化分子冷冻油添加剂的机理如下:极化分子带有电荷,这种分子对金属表面具有极强的亲和力,在制冷循环的压缩机、冷凝器、蒸发器、管路的内表面形成一层单层分子薄膜,在形成过程中,逐步驱赶原来附着在金属表面的沉淀物和冷冻油膜,直至极化分子布满制冷循环系统内壁。
        为制冷系统添加极化分子有如下几个好处。
        (1)减少压缩机的活塞环与缸壁的摩擦阻力,同工况下减小压缩机的输入功率。
        (2)保护压缩机的摩擦部件损耗,增加压缩机内密封,延长压缩机寿命。
        (3)阻止氧化,提高金属抗氧化能力78%。
        (4)由于润滑度提高,因此降低压缩机起动电流冲击。
        (5)降低压缩机的噪声和振动。
        (6)极化分子具有趋油作用,有利于制冷系统回油,避免制冷系统的油堵和脏堵。
        (7)减少压缩机冷冻油的更换次数。
        极化分子冷冻油添加剂的加注方法很简单,仅需要使用手动泵连接空调加液口,按每冷吨0.5盎司或冷冻油量5%的比例加注,10min可以完成1台。机组在添加极化分子后,15年内不需要再次添加(极化分子具有自我修补能力)。因为一般专用空调的使用寿命在12年左右,所以一台空调终生添加一次即可。
 
7、关闭备用空调
        在空调能量满足机房要求的条件下,部分空调的压缩机就不再工作,而这些空调的风机仍然在继续工作,开启的风机在不停地输送空气气流,消耗能量,因此可以在满足机房负荷和气流循环量的情况下,关闭备用空调,节约风机工作的能量。一些机房空调厂家已经提供联机热备份和轮换功能,可以使用此项功能关团备用空调,柜式空调可以采用人工方法关闭。
        (1)费用低,由于风机运行时间长,关闭备用风机有一定的节能效果。
        (2)仅适用于机房负荷较小,空调富裕有备机的机房。
 
8、机房空调压缩机采用变频技术
        传统的机房专用空调,是依靠压缩机不断地“开、停”来调整室内温度的;而变频技术是对机房专用空调压缩机加装变频器,通过变频器来改变压缩机的供电频率,调节压缩机转速,依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的,避免了压缩机频繁启停。
        (1)变频器的使用避免了压缩机的频繁启停,对延长压缩机的使用寿命和防止机房温度波动有好处。
        (2)这种方法需外加变频器,操作性差;变频器本身要消费电能,会产生谐波,通信机房空调普遍采用N+1配置,导致节能效果不明显。
 
9、装设水喷淋装置
        IDC机房的主要热源具有发热的相对均衡性和显热性,为保证机房的运行要求,机房空调基本上长期连续运行。随着通信设备集成度的不断提高,通信设备向密集型、高负荷发展、单位机架用电量从最初设计容量的8A提高到13A、16A、20A,甚至更高,造成机房热负荷持续增大,空调排列越来越密集。
        通信机房在局房建设时因受种种条件限制,风冷型空调配套的室外机平台预留不够充分,造成个别机房专用空调配套室外机安装间距较密,散热效果受到很大的影响,不利于机房专用空调系统充分发挥最大效能,降低了其制冷效率。有些机房通过室内空调扩容和室外机移位,达到机房发热量和制冷量匹配、散热量和环境温度匹配,从而有效抑制机房温度的攀升。但由于受到室外机安装位置的限制,室外机摆放过密,环境温度逐年升高,散热环境温度高,一些负载较大的空调在高温环境下工作电流大,经常出现高压跳机导致空调停机的现象。
        在室外机背面位置安装滴水雾化装置来降低冷凝器进风侧空气的温度,增加冷却侧的散热效率,提高了空调的经济性能及安全性能,不会损伤到空调设备的可靠性及使用寿命。
        雾化喷淋的工作原理:通过对空调室外机的水喷淋,可以降低室外机的工作温度。通过高速直流电动机的大于10000r/min的转速,可将每一滴水雾化成原水滴体积的1/500左右,使蒸发速度加快。由于水滴的体积大大缩小,因此雾化蒸发速度比水滴的蒸发速度快300倍以上。雾化喷淋使得水喷淋到空调室外机冷凝器散热片上时能够产生从液态到气态的物理相变,使吸收的热量大大增加。水从液态到气态吸收热量为水升温1℃吸热的539倍,在很短的时间内使冷凝器背后局部降温2~5℃。考虑功率损耗及效率等因素,其散热能力也可以比一般的喷淋高。水也是能源,不能浪费,雾化器将每一滴水都打成雾状,基本不浪费一滴水。
        其主要特点和优势如下:
        (1)改变空调冷凝器工况条件使冷凝器冷凝效果大大改善,可降低冷凝器的内部压力。例如,启动该系统后,机房专用空调的室外冷凝压力可以从原先的23~24 ㎏f/cm²降低至18~19 ㎏f/cm²,下降4~5 ㎏f/cm²,即冷凝温度从60℃降低至50℃,降温达10℃之多,节能效率约为20%。
        (2)经雾化后,冷凝器的清洁度大大提高,铝翅片不再积满灰尘,使败热效果大大提高。
        (3)一些负载较大的空调机以前经常会高压跳机,使用了冷凝器雾化装置后由于降低了冷凝器的内部压力,使高压停机的故障大大降低,恢复到较佳空调运行工况。
 
10、机房空调冷凝热回收利用
        空调在制冷时要通过风冷冷凝器排出大量的热量,而且排气温度和冷凝温度之间存在的巨大过热度会消耗相当一部分冷凝器盘管面积,如果预先将该部分过热去掉,将相对地增加冷凝面积而不增加成本。可以在冷凝器之前增加热回收器制取生活热水,通过对机房空调的改造,冷水通过水流量开关进入热交换器入口,水流量开关控制冷凝水的温度和水量,热回收装置通过逆流循环将机组运行所排放的大量废热回收再次利用,降低制冷剂温度的同时制取为45~60℃的生活热水。
        冷凝热回收节能改造的核心技术是冷凝热回收采集器,实现空调压缩机在制冷运行中排放出的高温载冷剂蒸气与被加温冷水的热交换,将压缩机排出的热量转换成可利用的热水,其实质是一个高效的板式热交换器。
        (1)一方面,降低了空调废热的排放,夏季可以很好地降低冷凝压力,提高了空调的制冷效率,达到节能的目的;另一方面,获取了免费热水,如可以供给外线人员洗澡用;综合效果比采用冷凝器单纯使用水喷淋的效果要好。
       (2)需对空调进行改造,加装水冷凝器也会增加成本;冬季情况下不易控制。
 
11、加装水冷热交换装置
        目前,通信机房枢组大楼的特点主要有以下几点:
        (1)高密度、高热量:通信机房内的机柜、仪器每年都在不断增加,随着设备的体积越来越小,单位平方内的发热量也越来越大。
        (2)空调设备陈旧:通信机房枢纽大楼内的机房专用空调很多都已超出空调最佳使用期5年,空调使用效果也在逐年降低,影响了机房整体的制冷效果。
        (3)冷凝环境恶劣:通信机房枢组大楼内空调冷凝器一般都铺设于各个楼层的阳台上,或者集中摆放于顶楼或裙楼的屋面,这样密集的摆放,会导致空调冷凝器散热效果很差,形成热岛效应,影响空调的使用。
        (4)室外冷凝器工作噪声大:由于冷凝环境温度过高,冷凝器必须满负荷工作,因此风机高速运转,过大的机械嗓声及空气流动噪声会扰民,不利于环保。
        针对以上通信机房的特点,目前常用的有两套完善的系统改造方案——机房空调冷凝器水预冷和水再冷改造,能满足通信行业节能、降耗、减排、降噪的目的,并有效降低夏季机房空调的维护时间,提高通信机房的工作效率。
        1. 水预冷系统
        机房空调冷凝器水预冷改造,是指风冷型机房空调在压缩机排气口与风冷冷凝器进气口之间的管路上,串联一台壳管式水冷冷凝器,进行双冷源冷凝换热,优先进行水冷换热,从而降低风冷冷凝器的冷凝负荷,提高空调换热效率,降低空调室外机噪声,达到节能、降耗、减排、降嗓的目的。
        该系统适用于各类通信机房,尤其是夏季高温天气或空调风冷冷凝器密集布置时使用,效果更为显著。同时,可应用于机房内各种品牌型号的空调,包括佳力图 (CANATAL)、艾默生(EMERSON)、斯图斯(STULZ)、力博特(Liebert)、海洛斯(HIROSS)、梅兰日兰(MerlinGerin)等国内一线、二线品牌。不管机房空调采用的是单制冷系统还是双制冷系统,都可采用该系统完成节能改造工程。
        在我国南方采用该系统,进行节能改造,每年有效运行时间约为七个月。而在北方因平均气温过低、天气寒冷,每年的有效运行时间约为五个月。
        如若延长该系统的有效运行时间,可在供水系统中增加乙二醇自动手动补充系统,利用二乙醇溶液的防冻特性,可保证该系统在冬季也能正常运行。
        2. 水再冷系统
        与水预冷类似,只是将壳管式水冷换热器安装在风冷式冷凝器之后,机房空调压缩机排出的高温高压的制冷剂气体先经过冷凝器散热,再通过水冷热交换装置,从而提高空调的换热效率,达到节能降耗的目的。
        实际案例:杭州某机房项目改造采用水再冷方案。
        改造费用:21万元。
        改造设备:佳力图9AU20设备10台(单台制冷量71.6kW)。
        测试方式:挂表测试。
        计算方式:以每年开启五个月,电价为10元/kW·h。
        测试结果:若改造系统未开,则每天平均耗电5098kW·h;若开启该系统则耗电量为4541kW·h,每天平均可节约电能557kW·h。
        按照计算方法:(5098-4541)kW·h×150天/年×1元/kW·h=83550元/年
210000元÷83550元/年=25年(即2.5年可收回成本)
        水冷热交换装置优缺点分析:
        1)增加了一套新冷源,空调机从此具有双冷源
        水冷改造就是在原空调制冷原理不变的情况下额外增加一套新冷源,空调机从此具有了双冷源:风冷+水冷。水冷是目前常用的最为稳定的冷源,无论气温、天气状况如何恶劣,都能提供稳定的冷却效果。
        空调具备双冷源后可以根据需求选择使用其中一种冷源或水冷加风冷同时使用,这时水冷可以承担大部分的冷却任务,风冷室外机工作时间大大降低,即使其中一种冷源如室外机出现故障,停止工作,水冷系统仍然可以保证空调的正常工作,这一点同时也极大地保障了机房的安全。
        2)零腐蚀性
        水冷改造直接冷却氟利昂,对原室外机无任何负面影响,相比之下,水喷淋、潜热过度装置等方案均属于增加空气湿度,降低室外及周边温度的方式,由于室外机长期处于高热、高湿的环境内,势必加速室外机翅片的腐蚀。
        3)节能效果显著
        按照同类改造项目改造前后的节能测试,水冷系统节能率一般在10% 以上(因气候、机房实际情况不同略有差异)。
        4)系统本身使用寿命长
        水冷系统所用材料、设备采用中央空调的建设要求,使用寿命接近大型中央空调的使用寿命,显而易见,即使在机房空调报废后再更换下一批空调时,本系统仍然可以正常使用。
        5)维护工作量大大降低
        水系统运行稳定,投入使用后,机房空调夏季高温高压现象将大大减少,空调故障率及维护工作量将大大降低,同时,系统本身维护简单,只需定期清洗过滤器,每年冬季换水保养一次即可。
        综上所述,水冷系统具有安全、稳定、使用寿命长、故障低、维护简单、节能效果显著、对原空调设备无损害等特点,是日前行业内空调节能改造的首选方案。但是缺点在于初投资较高,所以通常建议用户根据自身资金情况选择分期改造的方式。

12、调整空调最佳系统工况
        再好的设备也离不开维护,机房空调只有运行在最佳的工况下,才能发挥空调的最大制冷量,达到空调节能的目的。这是维护的最高手段,也是最有效和最重要的节能方式之一,这是战斗在动力岗位一线员工的终极奋斗目标。
        维护好的空调可以很好地发挥功效,维护不好的空调只会耗能。根据资料,定期维护的空调比不维护的空调平均节能在25%以上。
        综上所述,选择哪一种节能方案需要根据机房的具体情况和机房所处地域的气候条件来做出选择。当然节能要付出一定代价,需要有一定的成本和投入。节能技术的应用要增加或改造一定数量的设备,也要增加设备维护的工作量。应在对节能项目是否能做到既节约能源又降低运营成本进行跟踪测试,并在做出综合评估之后,决定是否需要开始节能项目。
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