氟泵自然冷空調節能技術在上海電信機房的應用測試與分析

周 楓 齊丹丹

上海市質量監督檢驗技術研究院

0 引言

通信機房的能耗主要來自程控交換機配置、空調體系、電源配置和照明四個方面。其中，空調系統的能耗占到整個數據中心能耗的近40%，通信機房的空調能耗還有很大的節能空間。目前，機房空調已有很多成熟的應用技術，包括變頻節能、冷凝器霧化噴淋、乙二醇節能機組、濕膜加濕節能技術等。在節能領域研究比較火熱的當下，近幾年出現的氟泵自然冷空調節能技術體現出獨特的特點。

通信設備發熱量大。機房空調與舒適性空調機的最大區別在于一年四季都需要制冷，當過渡季節室外溫度低于通信機房環境的設計參數時，利用室外自然冷源降低機房溫度是一種有效的節能方式。本文對氟泵自然冷空調節能技術進行了闡述，對上海電信機房精密空調改造加裝氟泵的節能效果進行測試與分析，為上海地區機房空調的節能改造提供技術參考。

1 自然冷源利用技術發展狀況

傳統空調是壓縮機將冷媒從低壓蒸汽壓縮成高溫高壓蒸汽，能量消耗較大。在具備自然冷源利用和過渡季節等合適的條件下，無需開啟壓縮機同樣使空調器獲得制冷效果，供冷量滿足室內冷負荷需求，可獲得較好的節能效果，這就是自然冷空調節能技術。

早在上世紀70年代，日本電話電信建筑部就成功研發了冷媒主動循環系統與壓縮機機械循環并用式空調機組。冷媒主動循環系統即是冷媒循環流動不用提供其它動力作用，依靠自身液相與氣相間的密度差來提供的動力進行循環流動，形成一個閉環式的冷媒主動循環。

1985年，日本大金工業株式會社研制成冷媒主動循環的計算機專用空調機。專用空調機由室內機和室外機組裝而成，其中室外機組為風冷式冷凝器。20世紀90年代，日本三菱電機株式會社等4家單位共同合作研發了采用冷媒主動循環的空調機。在過渡季和冬季，室外溫度較低，該機組優先運行冷媒主動循環，停止運行壓縮機，以此大幅降低機組的耗電量。

在國內，冷媒主動循環系統研究起步較晚。2010年后，自然冷空調節能技術得到了很大發展，氟泵循環冷媒式自然冷卻系統逐漸投入實踐應用，部分時段采用氟泵代替壓縮機運行。制冷劑在無氣體壓縮和節流降壓的循環過程中，利用氟泵克服制冷劑管道的阻力，實現制冷循環。一般氟泵功率遠小于壓縮機功率。當室外溫度下降到設定的低點情況下，氟泵可提供的制冷量與壓縮機基本相同，這就是氟泵節能的關鍵。

國內氟泵空調的主流廠商多采用“雙擎三模”技術，即壓縮機模式、混合動力模式、氟泵自然冷模式，可根據室外氣候條件及室內負荷需求智能動態切換，高效節能。在我國北方地區，室外溫度低于0℃的天數占全年的百分比相當可觀，利用這一有利條件，氟泵空調節能技術得到廣泛推廣應用，節能效果非常明顯。測試數據顯示，一般全年節能量可達40%以上。

上海地區屬于長江流域，室外溫度低于0℃的天數占全年的百分比相對較少，早期研發的氟泵空調限制了應用范圍和效果。近幾年，生產廠家為擴大利用自然冷源的溫度范圍，加大投入和研發，氟泵空調的功能得到了提升。創新的“雙擎”混合制冷技術，在室外20°C即可開啟節能運行模式，能夠充分利用室外自然冷源，最大化提升整機全年運行能效比。

2 氟泵自然冷空調系統的構成和原理

傳統空調系統主要由蒸發器、冷凝器、壓縮機和節流裝置四大部件組成。針對一般冷媒主動循環要求冷凝器與蒸發器之間必須要有一定的高度差才能實現系統循環，循環動力較小，且要求室內外要有較大溫差，制冷量相對較小，難以控制機組的有效出力等缺點，科技人員在傳統的冷媒主動循環的基礎上，設置、加裝了一個工質泵來實現冷媒的被動循環，減少了啟用壓縮機的運行時間，有效地保護了壓縮機的使用壽命，實現了更長時間的供冷效果，節能效果更加明顯。

加入工質泵后的氟泵空調系統，包括機房內的蒸發器、外部的風機冷凝器、制冷劑氣液分離器、油分離器和制冷劑循環泵（見圖1）。

圖1 氟泵空調系統工作原理示意圖

氟泵強制液體制冷劑流過蒸發器，室內熱空氣放熱給蒸發器內循環的制冷劑，制冷劑吸熱且少部分的制冷劑吸熱氣化，帶氣泡的制冷劑液體循環到冷凝器內，再將攜帶的熱量釋放到室外，制冷劑放熱后變為過冷液體。如此循環工作，實現室外冷空氣在不接觸的情況下冷卻室內熱空氣。在該系統內，氟泵強制循環制冷劑液體，使其流過蒸發器、冷凝器內的流速增加，提高換熱效率。

3 氟泵自然冷空調的特點和運行模式

氟泵空調是機房精密空調。常規機房空調在制冷方面，全年依靠壓縮機。氟泵空調根據室外溫度環境的變化進行電控調節，用氟泵節能單元代替壓縮機，降低機組整體功耗。氟泵機組采用間接利用室外低溫空氣源技術，具有如下特點：

（1）利用原制冷系統的蒸發器和冷凝器，不增加設備投資，不占用空間；

（2）對機房的潔凈度和濕度沒有任何影響；

（3）兩種循環共用一種制冷劑，機房無水患憂慮；

（4）投資低，節能效果明顯。

氟泵制冷系統的三種運行模式：

（1）壓縮機運行模式。氟泵制冷系統和常規風冷機房空調系統完全相同。低溫、低壓的制冷劑在蒸發器內吸熱汽化后，被壓縮機壓縮成高溫高壓蒸汽，然后進入冷凝器進行排熱，該模式對應于室外溫度較高的條件。

（2）壓縮機和泵混合運行模式。制冷劑泵（或叫液泵）和壓縮機共同運行，當過渡季節室外溫度較低時，可顯著提高整機的能效比。

傳統的風冷空調隨室外溫度降低,需通過風機降低轉速或冷凝壓力控制等方式保持冷凝溫度(冷凝壓力)不低于35℃(約12．5bar)。壓縮機和氟泵同時運行的混合模式可繼續降低冷凝溫度至最低點的25℃左右，有利于整機能效提高，同時氟泵增壓輔助壓縮機通過提高液體壓力，增加液體過冷度,既消除氣體閃發，又增強了膨脹閥供液動力，有助于增強冷媒流量，提高蒸發溫度(壓力)，提高制冷能力，保證了空調高顯熱比。氟泵的功耗因遠低于壓縮機功耗，從而提高整機能效，實現節能運行。

（3）泵運行模式。制冷劑泵單獨運行，在室外低溫條件下應用，能效表現遠高于壓縮機運行模式，大大節省了機房內空調制冷的耗電量。

在室外低溫情況下，泵循環系統工作時由于不需要將制冷劑的壓力大幅提高，因此能耗也遠小于壓縮機模式。在輸出相同制冷量的情況下，泵運行功率遠小于壓縮機功率。

4 測試方法

2017年，上海電信機房空調節能改造時，采用了氟泵節能技術。氟泵具有“雙擎三?！惫ぷ髂Ｊ剑▔嚎s機與氟泵兩個動力，壓縮機模式、混合模式、純泵模式）。為了驗證空調增加氟泵的節能效果，我們分別對三個不同品牌的加裝氟泵空調進行了能耗監測，分別記錄三種不同模式下的運行能耗，計算出各個模式的節能率，再根據2017年上海地區的氣象資料，計算出平均全年節能率（壓縮機模式是指室外溫度＞20℃，混合模式是指室外溫度為10℃～20℃，純泵模式是指室外溫度＜10℃）。

測試期間，系統分別采用壓縮機模式、混合模式、純泵模式運行進行測量能耗情況。然后，以壓縮機模式為基準值，三者進行對比，分析計算節能率。

測試節能率計算按以下公式：

其中：

S1——混合模式節能率（%）；

S2——純泵模式節能率（%）；

S3——全年節能率（%）；

P1——混合模式小時用電量；

P2——純泵模式小時用電量；

P3——壓縮機模式小時用電量；

X1——混合模式年運行小時；

X2——純泵模式年運行小時；

X3——壓縮機模式年運行小時。

5 測試數據與分析

節能率的測試，用掛電表的方式對同一臺空調，在不同的運行模式下進行能耗情況監控（此臺空調已經具備氟泵）。智能電表監控、測量機組的功率和電能，實時存儲記錄數據，查詢任意時刻的功率和耗電量。系統分別測量壓縮機模式、混合模式、純泵模式運行能耗情況。然后，系統以壓縮機模式為基準值，三者進行對比，分析計算節能率。

5.1 不同運行模式的功率曲線

同一臺空調在不同的運行模式下，可通過軟件查詢某一時段功率曲線。圖2為不同運行模式在功率曲線上的實時情況。

圖2 氟泵空調機組在三種不同運行模式下的功率曲線圖

5.2 不同運行模式的用電量測試

電信機房的三個品牌空調在加裝氟泵后進行了用電量測試，并計算節能率，結果見表1。

表1 測試綜合數據表

上表可見：電信機房的三個品牌空調在不同運行模式下，純泵運行節能率高于混合運行模式；三種不同品牌空調加裝氟泵后的節能率也有不同。

5.3 年節能率計算

2017年，根據上海地區的氣象資料統計，壓縮機模式年運行1 864h，混合模式年運行3 098h，純泵模式年運行3 798h（見表2和表3）。

表2 不同運行模式年運行時間統計表

表3 年節能率計算表

6 結論

信息產業的高速發展，通信網絡節能減排已經成為考核各運營企業的重要指標之一。機房空調耗電占比大，是節能的重要環節。氟泵機組采用間接利用室外低溫空氣源技術，節能效果十分明顯。在改造機房空調時，可利用原制冷系統的蒸發器和冷凝器，投資較低，不占用機房空間，對機房的潔凈度和濕度沒有任何影響。

上海電信機房三個不同品牌的空調，在加裝氟泵后，進行節能效果測試，計算得出全年平均節能率19．08%。從節能效果和系統運行條件來看，氟泵機組作為風冷型機房空調的配套是一個較好的選擇。當然，不同品牌的氟泵空調節能效果存在著差距。因此，我們要加強項目的投資經濟核算，選擇節能效果高和投資經濟合理的技術方案，充分發揮氟泵自然冷空調節能技術在節能創新綠色數據中心建設中的獨特優勢。