機房精密空調變頻節能改造的效果分析

李 菁，王靜鋒，龍志國

（中國電信武漢分公司，湖北 武漢 430064）

0 引 言

2021年，我國開啟碳中和元年，國家提出了綠色低碳循環發展的生產體系要求，加快信息服務業綠色轉型，做好大中型數據中心、網絡機房綠色建設和改造，建立綠色運營維護體系。響應中國電信集團推進落實3060雙碳行動目標，開展重要資源效能提升的工作戰略，武漢分公司積極試行節能新技術、新方法，其中機房精密空調變頻節能改造已列入《綠色數據中心先進適用技術產品目錄》，它是指根據蒸氣壓縮式制冷理論循環熱力計算結果輸出相應控制信號控制壓縮機、室內風機工作頻率，進而達到降低能耗的目的[1]。

1 機房精密空調的能耗問題

數據中心機房空調的配置往往是一步到位，按機房IDC機柜合計的最大負荷所需制冷量并留有冗余，而IDC機房機柜占用率是根據業務發展變化的，在機房開通初期甚至較長一段時間內機柜使用數量達不到設計容量，這就造成機房空調制冷量有較大冗余[2]。同時，即使機柜使用達到設計容量，由于設備功率的差異和季節、晝夜等變化，對空調的制冷量需求不同，造成機房空調長期部分負載運行（30%～90%），實際運行中很少有滿負荷情況，在空調制冷量冗余較大時，只能通過人工定期開關機、調整溫度設定值等管理手段來實現節能，因此在用數據中心機房具有節電空間。

早期建設投運的機房風冷空調均為工頻壓縮機，僅提供開啟、停止的調節，調節幅度過大從而頻繁啟停，無法精確控制機房溫度；大功率的風冷空調還配置兩個壓縮機和兩套制冷循環系統，但在部分負載下，一個壓縮機停機，造成單路的冷凝器／蒸發器處于閑置，相同冷量輸入的情況下，降低了制冷效率，增加了能耗。此外，除近年來風冷空調逐漸采用EC風機外，早期的空調風機均為定風量運行，無法根據實際需求風量變速調節。上述問題都導致了電能的浪費[3]。

2 機房空調變頻改造

變頻節能技術是目前空調節能技術中較為成熟、應用較為廣泛的一種節能技術。變頻空調通過變頻器動態調節壓縮機和風機的轉速，頻率高，壓縮機轉速就快，空調產生的制冷量就大；而頻率較低時，制冷量相應變小，自動調節的結果使空調能夠根據周圍環境溫度變化的實際需要快速產生可變的制冷量。與傳統定頻方式相比主要優點有：

（1）風冷機房空調制冷效率與室外溫度和負荷率相關。定頻風冷機房空調的壓縮機全年以恒定轉速運行，而變頻風冷機房空調壓縮機可根據負荷變化，調整壓縮機轉速和出力。在部分負荷和過渡季節、冬季運行時，變頻機房空調相比定頻空調制冷效率更高，適應能力更強，用電量更少。

（2）變頻風冷空調在部分負荷運行制冷能效更高。風冷機房空調運行的高效區一般是在負載率40%～75%。變頻改造后采用智能控制系統，將壓縮機的有級啟停變為無極調速，最大程度利用冷凝器/蒸發器換熱，提升制冷效率，降低風冷空調的負載率，確保整個機房內的空調系統運行總能耗最低[4]。

目前機房精密空調變頻改造實現以變頻控制技術為主，并包含多種根據溫度調節的自適應智能控制技術，主要包含：①壓縮機及風機變頻調節技術；②壓縮機群控技術；③溫度優化控制技術；④壓縮機回油保障控制技術；⑤低諧波變頻技術。在實現節能降耗的同時，也對空調運行質量、電能質量采取了保障措施。

3 變頻改造的效果分析

3.1 變頻改造的節能效果分析

某IDC機房設備總功率為238 kW，機房內配置的空調制冷量為921 kW，所有空調變頻改造后，對原模式和變頻改造后的節能模式進行空調用電量對比分析，原模式日均能耗4 156.0 kW·h，節能模式日均能耗2 812.4 kW·h，測試期間平均節電率達到32.33%，節能效果明顯，具體節能數據如表1。

表1 某IDC機房空調變頻改造節電率分析表

3.2 變頻改造的機房溫度分析

對上述變頻改造的IDC機房在原模式和節能模式下機房內溫度監控數據進行分析：改造后機房溫度波動值由3.1℃降至1.5℃以內，具體見圖1、圖2。機房溫度整體上震蕩幅度更小，溫度控制更加平穩，同時有效地降低了壓縮機啟停次數，有利于降低空調故障率，延長空調的使用壽命。

圖1 某IDC機房空調在原模式下回風溫度圖

圖2 某IDC機房空調在節能模式下回風溫度圖

3.3 變頻改造對電能質量的影響分析

變頻器運行過程中，需要對輸入電源用大功率二極管整流（或晶體管/逆變模塊）進行逆變；在其逆變過程中，在輸入輸出回路產生的高次諧波；變頻器諧波對數據中心對供電系統、負載及其鄰近電氣設備產生干擾，影響供電可靠性[5]。

對上述機房的空調輸入端電能質量進行了測試，節能模式和原模式下電壓、電流畸變率和功率因數的對比，節能模式下電壓畸變率基本無變化、電流畸變率略有增加，功率因數明顯提升，接近于1。

本次改造的每臺空調變頻控制器內均安裝了有源濾波器，采用直流矩陣式變頻技術，內置9個雙向開關進行格子狀連接，實現雙向AC-AC的直接轉換回路，降低電源輸入側諧波畸變，達到輸入端電壓諧波畸變小于3%，電流畸變小于10%，整體功率因數0.95以上，對低壓系統的電能質量影響較小，電磁兼容性較好。如圖3所示。

圖3 某IDC機房空調節能改造前后的電能質量對比圖

對比另一個IDC機房進行空調變頻改造試點時，在空調配電柜的電能質量測試數據：電壓諧波2.2%，符合要求；電流諧波16.2%～19.7%，超出允許范圍，具體如圖4所示。經檢查分析，該變頻控制器未進行諧波治理。

4 結 論

通過對比在用數據中心機房空調變頻節能改造前后的測試驗證數據，得出以下結論：

（1）機房精密空調變頻改造具有顯著的節電效果。目前各機房的測試節電率在12.61%～35%，制冷量冗余度越大的機房其節能改造效果越好。建議在進行變頻改造前先對機房PUE進行分析，優先應用于PUE高、空調制冷量冗余大的機房。

（2）機房精密空調變頻改造后，機房溫度在節能模式下比原模式整體上波動幅度更小，機房溫度更加穩定，空調溫度控制精度更高。但目前機房溫度控制來源單一，一般是空調回風溫度或送風溫度，往往導致空調近端溫度達標但遠端及高功率區溫度過高，建議根據機房溫度熱力圖和氣流組織圖增加溫度監控點，引入AI大數據分析，建立多維度的變頻節能智能控制系統。

（3）機房精密空調變頻改造后，如果不采取諧波治理，會導致輸入側電流諧波明顯增加，建議空調變頻改造采取就近諧波治理措施，在變頻控制器或空調配電柜內安裝有源諧波裝置，降低電流諧波，同時提高功率因數，以降低對低壓系統電能質量產生影響，減少對附近電氣設備的干擾和影響。