客專調度樓精密空調系統節能降耗的思考與對策

張鴻強 上海鐵路局辦公室

客專調度樓精密空調系統節能降耗的思考與對策

張鴻強 上海鐵路局辦公室

通過對路局客專調度樓精密空調系統目前運行現狀的分析，針對產生高能源消耗的問題點，提出節能改造的技術設想和管理措施，以實現節能減排和降低運營成本的目的。

調度樓；精密空調；節能降耗；技術改造；管理

1 引言

路局客專調度樓現有各類專用機房33處、面積4 266 m2，精密空調101臺。精密空調系統消耗的電能，占到整個客專調度樓電力消耗的50%，去年的電費支出達1 310.26萬元。因此，有針對性地提出精密空調系統的節能降耗措施，對解決目前路局客專調度樓的能源成本日益增高及電費開支偏大等問題具有較強的現實意義。

2 精密空調系統概述

機房精密空調是能夠充分滿足機房環境條件要求的機房專用精密空調機，它不但可以控制機房溫度，也可以同時控制濕度，因此也稱為恒溫恒濕空調。客專調度樓共有101臺精密空調機組，均為四川依米康空調，其中風冷單體空調3臺，安裝在地下二層，水冷機組98臺，安裝在1至7層。樓頂有16只冷卻塔，主要作用是對空調機組的循環水進行冷卻。4臺55 kW的臥式循環水泵，為水循環系統提供動力。

3 產生高能耗的現狀分析及節能降耗的思考與對策

借助于對當前客專調度樓精密空調系統的運行分析，找出產生高能耗的問題點，有針對性地進行思考和分析，提出對策措施，向管理維護、技術改造要效益，做到科學節能、有效節能。

3.1 外循環水質偏差，導致熱交換效率偏低

循環水在使用過程中，隨著時間的推移，水質將逐漸惡化。如果不進行水質處理，將在熱交換器的壁上沉積生成活動污垢，使得熱交換效果降低，造成機組高壓逐漸升高，輕則高壓運行增加耗電，重則高壓停機、中斷運行。

3.1.1 能耗現狀分析

現客專調度樓16只閉式冷卻塔的外循環噴淋水采用城市自來水，未經過水處理。其噴淋水的水量與開式冷卻塔相比要少，蒸發引起的濃縮周期較短，并且與大氣接觸水質容易惡化。由于水溫高，夏季還孳生大量藻類，這不僅大大降低了冷卻塔的換熱效果，還增加了電力能耗，并對整個系統產生安全隱患。根據理論及實踐經驗證明:外循環冷卻塔的污垢達 0.1 mm，散熱效率將降低5～10%，機組耗電量則增加8%。

3.1.2 對策措施

除目前添加藥劑、定期排放及除垢等措施外，建議安裝自動水處理裝置—高頻脈沖水處理機（見圖1）。該設備根據目前國內及國際上“以電治水”的最新理念，采用電化學方法對循環水進行水處理，通過特殊的高頻電流方式徹底改變水質，使循環水變成具有殺菌、除垢、除銹、防垢、防銹的小分子團還原水（見圖2）。安裝時將該水處理機置于冷卻塔的積水盤，無需拆卸、改變原有設備及管道結構，安裝方便，在線清洗。提高循環水的利用率，減少耗水量、耗電量。根據上海仁濟醫院的使用結果表明能節約設備能耗達15%左右。

圖1 高頻脈沖水處理機

圖2 小分子團還原水結構示意圖

3.2 機房冷熱風短路，造成了不必要的能源浪費

精密空調的氣流流向對節能起到至關重要的作用。空調的氣流組織不僅能有效地帶走機房設備產生的熱量，降低設備運行的環境溫度，而且還決定了空調的節能效率。

3.2.1 能耗現狀分析

調度大樓內機房精密空調均采用下送風上回風形式，機房采用架空地板，模塊化設計，根據機柜放置位置在其側面設置送風口。回風口在吊頂處，在裝修時即確定位置，新增機柜設備時一般不會予以調整。目前機房存在大量送風口與回風口正對、氣流短路（回流、漏流）的情況，造成了不必要的能源浪費（見圖3）。與此同時，還導致氣流盲區的出現，局部區域高溫制冷效果欠佳。

圖5 機房冷通道封閉圖

圖3 機房內氣流短路現象

3.2.2 對策措施

機房空調氣流組織優化是指合理輸配空調送風，做到“先冷設備，后冷環境”，合理設置空調送風，使空調送、回風形成完整流暢的循環，不出現空調送風短路、冷熱空氣摻混現象，持續穩定地消除設備與機房環境熱負荷。

（1）對于存在冷熱空氣短路的機房，一般只需合理調整送風口的位置。使得送風與回風分別位于設備兩側（見圖4），減少氣流混合短路的可能，提高送風效率。

圖4 調整后合理的送風口位置

（2）對于發熱量很大的機房，尤其是高功率密度機架的散熱；一是通過劃分冷熱通道的方法。封閉冷通道（見圖5），則冷通道內會比較冷，除冷通道外其余環境溫度提高且小區域封閉，冷量損失小，能耗相對較小，可有效遏制氣流短路，提高空調的送回風效率，為機房設備提供良好的散熱效果。二是可在機房局部增加風機強制通風的配風地板來滿足機房熱點冷卻需求。強制定向送風，可解決局部熱點，進而可以避免對整個機房的過度冷卻。解決了局部熱點的問題，就可以通過提高空調設置溫度來減少空調機組的運行數量和供冷量，最終達到機房節能的效應。

（3）對于一些空閑的機架安裝隔離的盲板，避免出現冷空氣短路。

3.3 精密空調設置節能優化

3.3.1 能耗現狀分析

精密空調參數設置不合理。設計上，調度大樓機房精密空調溫度設置范圍夏季在23±2℃，冬季在20±2℃，相對濕度30%～75%之間。

（1）根據現場調研，大部分機房實際運行時機房溫度基本也都在22℃左右，濕度也在40%～60%之間。但是也有少量的機房實測溫度為20℃左右。個別機房甚至因持續的低溫運行，致使隔壁的普通辦公室墻體因溫差太大發生大量的潮濕、霉變。

（2）精密空調風機可實現0%～100%無級調速，風機功率跟轉速呈三次方關系，對能耗影響極大。目前風機轉速通常由運行人員根據經驗設置0～10檔，缺乏較科學的操作指導。

3.3.2 對策措施

（1）機房室內溫濕度設置優化：我國現行的機房標準對溫度設定過低，不利于機房節能。合理設定機房空調的溫度顯得尤其重要，隨著服務器的功能的提升，機房環境溫度可以為28℃。查閱部分服務器的性能指標，機箱內溫度在40℃以下是可以正常運行的。國際上有越來越多的數據中心設計和管理人員在討論現有的數據中心運行溫度是否太低，認為應該設置到81°F（27.2℃），甚至有人建議達到 95°F（35℃）。適當提高機房溫度的設定值，可有效縮短壓縮機運行時間，降低制冷能耗。對于機房設定溫度提高后的節能效果，雖然目前還沒有非常權威的數據，但有提高1℃溫度大約能節約空調耗電2%～5%的結論。

（2）依米康機組調適：通過降低空調冷凝壓力與優化空調制冷劑運行狀態來提高機房空調能效。機房空調采用壓縮式制冷，當蒸發溫度一定時，降低冷凝溫度與冷凝壓力，可減少壓縮機能耗，提高能效比。目前依米康機組冷凝壓力統一設為18 kg，根據季節變化可適當降低，可有效提高機組COP。

（3）依米康機組送風調適：根據每個機房的實際需求和空調熱濕比合理確定每臺風機運行轉速，既保證運行效果，又能有效降低風機能耗。一般情況下，夏季送風可設定在7～8級，冬季送風可設置在6～7級。

3.4 將精密空調系統控制聯網，實現“群控”

3.4.1 現狀分析

調度大樓數據機房基本都由兩個或兩個以上精密空調供冷，目前存在以下兩種情況。一是機房專用空調有智能功能，但是在實際運行中，有時會出現一臺空調加濕，另一臺去濕；有一臺在制冷，另一臺在加熱的不合理現象，造成不必要的浪費，空調使用效率不高。二是每臺精密空調只對本空調機回風口采用傳感器方式作為數據采樣參考點，無法監測整個機房內的真實環境溫濕度，導致數據準確性不夠，使用效率不高，能耗浪費較為嚴重。

3.4.2 對策措施

現有的機房監控系統還是以監測功能為主，對于遠程機房設備，尤其是空調設備幾乎沒有控制功能。制冷主機群控系統的工作原理是根據機房負載的情況，能自動調整制冷機組的運行數量，實現機組、水泵和相關設備之間的相互控制。按機房具體的情況，精確控制“N+1”“N+0”、“N-1”等臺空調數量的開啟與關閉，使空調始終處于最佳工作狀態，通過機組開啟的改變，提高制冷的效果和效率。

（1）合理布點，在每個核心機房增加溫、濕度傳感器。采集機房溫度、濕度作為主要控制的環境參數的主要依據（實際的安排布置方式可參見圖6）。根據采集到的回風溫濕度及設定的溫度、濕度進行比較，按環境需要對空調系統的各組件進行啟停控制及自動調節。而溫度和濕度是相互作用的，比如溫度的波動會導致濕度的劇烈波動，這要求控制邏輯設計合理（具體的空調系統主體控制邏輯如圖7所示）。在該空調系統中，溫濕度控制以溫度優先為原則，壓縮機控制為開關量控制，根據溫濕度與設定值的差值來控制，加濕器為比例調節。PLC通過軟件編程控制各組成部件的啟停頻率，調節周期，開度大小，并通過對溫度、濕度變化趨勢的判斷，對各組成部件的動作提前預判，保組成部件進行啟停控制，通過對制冷、制熱部件的開關頻率，開啟比例，調節的時間周期等參數的自動調節來達到溫度、濕度的穩定控制。

圖6 機房溫度、濕度傳感器安排布置圖

圖7 空調系統主體控制邏輯圖

（2）采用多層次分布式CPU結構型式，實現對機房空調的實時群控功能。此種模式由監控主機和采集模塊組成，每個采集模塊具有信號采集、A/D轉換、信號傳輸功能，有其獨立的CPU，可以將采集來的模擬量信號就地轉換成數字量信號。監控主機通過現場總線技術輪詢的監測各采集模塊，再將采集的數據分析處理。這種結構型式中，每一層由不同的設備甚至是系統組成，實現不同的功能，每一層在功能上有其獨立性，組合到一起形成一個完整的監測、控制系統，節約空調能源消耗、延長空調機組的使用壽命。

（3）具備安全保護策略。在集中控制方式下若運行機組中的一臺有故障，則另外一臺機房備用空調自動運行，如果在沒有故障的情況下一臺空調運行時間己經達到輪換時間，也將自動切換到備用空調運行。當集中監控系統通信故障時，機房空調可以切換到獨立控制狀態，每臺空調機組單獨受從站的PLC控制。保證機房空調無論在哪種情況下都能不間斷的運行，滿足程控機房24 h不間斷運行的需求。這樣不僅實現了對機房設備的實時群控功能，也大大減小了機房設備管理維護的難度。

借鑒上海市電信機房近幾年的空調節能管理經驗，采用“群控”技術改造后，年平均節電在20%左右。

3.5 冷卻系統自控存不合理，冷卻效率上有節能潛力可挖

3.5.1 現狀分析

冷卻系統設有三臺控制柜，分別用于冷卻風機啟停及高低速控制、噴淋泵啟停控制、電加熱啟停控制，互不關聯。目前存在主要問題：（1）風機和噴淋泵分別獨立控制，互不關聯。（2）冷卻水回水溫度上限設定為30℃，下限設定為26℃，即冷卻水回水低于26℃時，逐步減少風機和噴淋泵的運行數量。（3）冷卻塔內循環水電動閥未接入自控系統，目前該閥處于常開狀態。當部分冷卻塔風機、噴淋泵關閉時，存在“混水”現象，降低了冷卻塔效率，且不利于末端換熱。

3.5.2 對策措施

（1）可對自控系統進行優化升級，將兩組PLC實施聯動。把風機、噴淋水泵的關聯控制，實際上風機和噴淋泵互相關聯，都是為冷卻循環水進行降溫，但兩者效果和作用力度不一樣，單位能耗也不一樣，因此進行協調統籌控制，能達到最好的節能效果。

（2）優化冷卻塔風機的溫度設置。對于機械式冷卻塔，風扇轉速越高，冷卻水的溫度就會越低，此時冷卻塔的耗電也就越多。可是對于空調主機來說，冷卻水溫度越低，主機的耗電就會越少。反之，冷卻塔轉速越低，冷卻水的溫度越高，這樣冷卻塔的耗電越少。但對于空調主機來說，由于進入冷凝器的水溫升高，相應的主機耗電會增加。因此，可以考慮降低風機冷卻方式（先低速、再高速）的設置溫度的下限值至24℃，能有效降低精密空調的冷凝溫度，提高機組整體制冷效率，從而減少整體能耗。

4 結束語

客專調度樓的節能降耗、降低成本是一項持續性工作，只有通過路局各部門、各駐所單位之間協同努力，因地制宜地采用節約措施，有效控制能耗，大幅減少無謂的能源消耗，降低運營開支，為企業創造更大的經濟效益和社會效益。

責任編輯：許耀元

來稿日期：2015-12-02