氟泵空調在IDC機房中的節能運用

黃 霄，吳 捷，朱 斌

（中國電信江蘇分公司，江蘇 南京 210037）

0 引 言

隨著互聯網和計算機技術的快速發展，數據中心的數量逐年增加，其對應的能耗也越來越大，僅2016年一年，數據中心的耗電量就相當于三峽水電站一年的發電量[1]。據相關統計數據，目前我國數據中心大約有55萬個，隨著大數據、人工智能等信息通訊的飛速發展，在降本增效的大環境下，電費壓降逐步成為通訊業內關注的焦點[2]。在通信機房耗電組成中，有研究發現，機房空調耗電約占總耗電量的30%，照明和一般負荷耗電約占2%[3]。隨著云計算和IDC業務的發展，機房中高功率密度的設備越來越多，由于這些設備對機房空間溫濕度有較高要求，而數據中心設備發熱量通常又很高，因此全年都需要使用空調對數據中心機房空間進行降溫。機房空調的大范圍應用使得其數量也隨之增加，因此機房空調設備的節能成為了當今節能減排工作的重中之重[4]。目前已知有很多針對機房空調成熟的應用技術，包括背板空調技術、變頻節能技術、空調冷水機組水處理節能技術、氟泵節能技術和AI群控節能技術等。該方向的節能潛力巨大，本文從氟泵節能技術出發，通過案例的方式給出其在IDC機房中的節能應用與成果，以此為例，希望可以在業內更好地推廣開來。

1 氟泵節能技術原理介紹

氟泵節能空調分為雙氟泵機組和單系統氟泵機組。其通過與改裝后或者專用型的風冷型機房空調配套使用，組成壓縮蒸汽和氟泵兩套制冷循環系統，形成一個全天候制冷系統[5]。

壓縮蒸汽制冷循環采用壓縮機作為該循環的驅動裝置，其重點是將制冷劑從蒸發器輸送至冷凝器，驅動整個循環，同時將制冷劑壓縮至高溫高壓的狀態，便于制冷劑在較高溫度下在冷凝器中冷凝。由于該循環可以在較高的冷凝溫度下產生冷量，因此在夏季等高溫季節運行，其運行效率和可靠性依舊可以得到很好的保證，該循環是目前最常用的制冷循環。

氟泵制冷循環主要是使用氟泵在冷凝器出口增加制冷劑的壓力，達到克服節流閥阻力的作用，從而提升系統流量。特別地，該循環方式解決了低冷凝溫度條件下，傳統壓縮蒸汽循環出現的供液不足問題[6]。

當室外溫度相較室內溫度高時，壓縮蒸汽制冷循環正常運行，氟泵制冷循環停止工作；當室外溫度在10℃以下遠小于室內溫度，達到系統控制的設定點時，壓縮機停止運行，氟泵制冷循環開始工作。蒸發器中的制冷劑與室內空氣換熱后，進入風冷冷凝器與室外冷源進行換熱，在冷凝器中冷卻成液態后，在氟泵的作用下克服管阻回到蒸發器，形成良性閉環制冷循環。氟泵節能空調原理如圖1所示。

圖1 氟泵節能空調原理

由于IDC機房一年四季都需制冷，因此采用氟泵空調節能潛力較大，優點如下：

室外低溫環境條件下，氟泵驅動制冷劑工作，從而使得室外自然冷源可以得到循環利用，提高運行效率的同時，更加便捷了系統的運行；

間接采用室外自然冷源以使機房降溫，極大地縮減了機房內潔凈度的影響；

可在原有機房空調基礎上改造，增加相應的控制措施，簡單方便；

維護操作簡單，不僅能實現空調的節能，而且還能方便進行節能效果評估。

本文重點介紹該設備在某IDC機房中的技術應用效果和節能成果分析，旨在針對較為寒冷地區的機房空調節能改造起到指導借鑒作用。

2 案例措施

2.1 氟泵節能空調的應用

針對機房電耗較高的問題，同時結合國家節能減排重點工作，選擇某IDC機房進行氟泵技術改造。已知該機房含有4臺制冷量為60 kW的佳力圖空調，現改造安裝為4臺制冷量60 kW的雙機組氟泵空調。時間選擇在冬季進行了為期4天的掛表測試，對該節能產品在冬季進行現場測試和試驗，通過讀取面板上安裝的能耗電表和紅外線測溫儀獲得實驗數據。

2.1.1 氟泵運行模式

將機房設定溫度為25 ℃，氟泵工作的室內外溫差為15 ℃，即室外低于10 ℃的環境下氟泵運行，壓縮機停止工作。測試期間室外溫度為-5～0 ℃的測試數據見表1，室外溫度為0～5℃的測試數據見表2。

表1 氟泵運行模式的現場測試數據（室外溫度：-5～0 ℃）

表2 氟泵運行模式的現場測試數據（室外溫度：0～5 ℃）

從表1可以看出24 h耗能169.52 kWh；從表2可以看出24 h耗能197.22 kWh。

2.1.2 壓縮機運行模式

將機房溫度設定為25℃，氟泵工作的室內外溫差設定為30℃，此時啟動壓縮機制冷，即室外低于-5℃的環境下氟泵運行，室外環境高于-5℃的時候壓縮機工作。測試期間室外溫度為-5～0℃的測試數據見表3，室外溫度為0～5℃的測試數據見表4。

表3 壓縮機運行模式的現場測試數據（室外溫度：-5～0℃）

表4 壓縮機運行模式的現場測試數據（室外溫度：0～5℃）

從表3可以看出24 h耗能392.40 kWh；從表4可以看出24 h耗能390.17 kWh。

2.1.3 測試數據對比結論

通過2.1.1節與2.1.2節兩種工況的對比分析得出的數值，氟泵制冷系統運行48 h耗能366.74 kWh，壓縮機制冷系統運行48 h耗能782.57 kWh，氟泵制冷系統運行節能率為53.14%。同時，在IDC機房溫度基本相同情況下，當室外溫度為-5～0 ℃時，氟泵制冷系統運行節能率為56.80%；當室外溫度為0～5℃時，氟泵制冷系統運行節能率為49.45%。

從以上數據分析比較兩種制冷方式測試的結果，我們得出結論：室外溫度越低，氟泵系統能效比越高，節能越明顯，氟泵空調節能的關鍵在于其消耗的功率遠遠小于相同制冷量下壓縮機循環的消耗功率。

2.2 實際應用中解決的主要技術難題

在針對案例IDC機房，采用氟泵節能技術改造專用空調后，運行過程中出現的問題，也值得研究研討。具體問題通常出現在壓縮機系統和泵的角度，壓縮機系統會產生噪聲電流偏大、短周期、損壞、堵塞等故障，而泵則常會發生丟失流量、鎖死等問題，現場人員通過對整個氟泵系統進行冷凍油、過濾器和制冷劑等組件的更換，同時通過長期仔細觀察處理分析，初步探索出了一些解決方法，以下逐一列舉，以供氟泵節能改造參考。

2.2.1 避免壓縮機故障

首先，針對該改造機房，壓縮機運行時，氟泵進出與冷凝和蒸發壓力差值較大，兩個制冷循環顯然不宜共用同一膨脹閥，因此系統需要增設一個膨脹閥。

在氟泵制冷模式下，通常采用10 mm的銅管做為毛細管節流的節流元件，該節流方式會使蒸發器內存有較多液態制冷劑，使得當氟泵模式切換至壓縮機模式時，壓縮機會將這些液態氟利昂制冷劑吸入，極有可能的引起液擊風險。通過現場實踐，相關技術人員發現在蒸發器出口和壓縮機吸氣口間增加一個氣液分離器，可以有效地解決這一問題。

2.2.2 兩種循環的切換技術

兩種循環的切換在氟泵新技術中至關重要，經過本次改造，得出氟泵正常運行需貯液灌內存有一定量制冷劑液體，泵入口不斷流，同時入口制冷劑液體有一定過冷度的條件，針對這些前提，我們優化改進循環切換技術。

傳統意義上制冷系統切換一般都采用抽真空循環的方式，即用真空泵抽真空，首先關閉充注閥，打開內部所有連通閥，其次將排氣閥螺塞旋下，打開旁通氣道，接上真空泵，最后起動開始抽氣。但該方式下很難將空氣完全從系統中抽出，因此，針對壓縮機到氟泵的切換問題，為保障氟泵制冷循環正常運行，在采用原有抽真空循環基礎上進行調整，將室外風冷冷凝器風機由原來的變速運行改為全速運行，經過調整后，效果顯著。

針對氟泵到壓縮機的切換問題，在室內外溫度達到系統切換溫度設置點的過渡季節，為避免雙系統的多次切換，實際運行時可將氟泵制冷系統關閉，以使設備使用期得到延長，這種方式，極大地改善了由于壓縮機和氟泵兩套循環制冷系統中的制冷劑狀態和流量完全不一致，導致的兩套系統切換時產生的液擊和氣蝕現象。

3 結 論

（1）當機房空調制冷量小于現有熱負荷，氟泵制冷循環工作時間較短甚至不工作，無需改建；

（2）對于超期服役的機房專用空調改造后制冷效果很可能不理想，不建議改造；

（3）氟泵節能空調采用間接冷源，避免了直接利用對機房空氣質量及運行穩定性的不利因素，節能效果顯著，同時維護量大大縮小，使可靠性得到質的飛躍；

（4）兩種循環切換可做以下優化：在抽真空循環的基礎上進行調整，室外風冷冷凝器風機全速運行，同時在室內外溫度達到系統切換溫度設置點的過渡季節，采取關閉氟泵制冷系統的措施，以保護設備不受損壞。