通信机房利用自然冷源降温案例

要：本文对通信机房利用自然冷源为机房降温进行探讨，论证了不同方式利用自然冷源替代机房空调的可行性和利弊。 前言

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，空调用电费占有相当大的比例。据调查，在机房中 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，空调用电量基本站基站或模块局用电量的70%左右。因此，如何降低空调用电的开支，成为通信企业迫切需要研究的重要课题。

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：变频技术；机房空调机组自适应控制技术；新风冷却技术等。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。本文就自然冷源制冷解决方案进行介绍。

一、电信机房节能降耗的可行性

北京电信公司为保证通信系统设备的正常运行,对机房运行环境要求严格,主要体现对机房环境空间〝四度〞的要求,即机房环境的湿度、温度、洁净度和送风的均匀度。

?温度控制范围是20℃-27℃

?湿度控制范围是40%RH-60%RH

?洁净度的要求为空气中的含尘小于50μg/m3

?送风的均匀度应保证机房空间温湿度场梯度最小（没有温湿度死点）

为保证机房设备的环境空间〝四度〞的需求,给设备提供安全可靠的运行环境，需要合理的配备机房专用空调。一般通信机房选配机房空调时，单位面积热负荷为

250W/M2-350W/M2，而我公司IDC机房由于设备密度高发热量大，单位面积热负荷达到800W/M2-1500W/M2。所以，即使在寒冷的冬季也需要空调制冷降温,这也是通信机房必须配备机房专用空调的原因之一。

下表为某电信机房空调数据：电费：1元/度

上述数据表明机房空调为通信设备制冷降温须消耗大量的能源,而在北方地区冬季室外却有丰富的自然冷源——冷空气。

一方面空调压缩机消耗能源制冷，另一方面室外有丰富的自然冷源。如能合理的使用自然冷源为机房降温,空调压缩机的运行时间就会缩短运行5个月左右时间。这样不但节约了大量的电能，同时也延长了空调机的使用寿命,减少了空调机组的维护工作量,降低了维护成本。

下表是北京地区的历史气候资料：

从北京历史气象资料的室外温度数据分析来看，北京地区一年中有5个月的时间，最高平均气温低于11.3oC。因此，北京地区利用室外自然冷源为机房降温的节能方式是可行的。 二、电信机房节能降耗的可行性

这种节能技术原理就是利用室外的自然环境冷源，当室外空气温度低于室内温度一定程度时，通过相应的技术手段将室外冷源引入机房内，把机房的热量带走，达到降低机房温度的目的。从而减少机房空调的使用时间，达到节约电能的目的。利用室外冷源的方式主要有三种方式：

1、直接引入式新风系统

直接将室外新风送入机房内，当室外空气温度较低时，可以直接将室外低温空气送至室内，为室内降温。当室外温度高不足以带走室内热量时，则仍然开启空调工作。

2、热回收式新风换气机新风系统

使用显热或全热交换器利用室外新风的作为冷源带走热量，室外空气并不直接进入室内；而是和室内空气在显热或全热交换器内换热后在排出室外。

3、乙二醇干冷器热交换系统

乙二醇溶液通过干冷器与室外冷空气进行热交换，将其自然冷却获取冷量，再由循环泵把低温乙二醇溶液送入机组内表冷器冷却室内回风空气，最后由送风机将冷却后的空气送入室内。

我国幅员辽阔，地形复杂。各地由于纬度、地势和地理条件不同，气候差异悬殊。因此，同样方式的节能效果会因地而异，因此，在对机房空调节能改造时，要根据当地的气象条件和室内安装空间选择合理的利用室外冷源的方式。

1)直接引入式新风系统

图1为直接利用室外冷空气进行空气处理过程的i-d图.由于机房的空调送风温度不得低于机房空气的露点温度,所以首先要对室外空气进行加热(及过程①),使送风温度达到t=10℃;过程②是冬季干燥空气的加湿的过程;过程③是利用送风温差进行吸热(制冷)的过程.

图1 直接里哟偶那个室外冷空气进行空气处理

下面对空气处理过程的能耗进行分析.

室外冷空的加热过程可以写成:Qj=L*G*ρ*(th-tW)---(1)

其中:Qj-所需加热量(KJ/h)L-机组风量(m3/h)

G-空气的比热(1.01KJ/KG?℃)ρ-空气比重(kg/m3)

Th-送风温度(℃)tW-室外空气计算温度(℃)

空气的加湿量可以写为:

W=L*(dn-dw)/1000---(2)

其中:W-所需的加湿量(kg/h)dn-室内空气含湿量(g/kg)

dw-室外空气含湿量(g/kg)

机房专用空调通常使用电极式加湿,电极式加湿器每小时、每千克加湿量耗电0.74KW,所以,电极式加湿器的耗电为:

N=W/0.74=L*(dn-dw)/740---(3)

室外冷空气的有效制冷量为:

Ql=L*G*ρ*(tn-th)---(4)

其中:Ql-有效制冷量(KW)tn-室内温度(℃)

空气处理过程的能耗分析:

从图1中可以知道,tn=10℃、tW=-29℃、ρ=1.2将这些数据代入式⑴、式⑵、式⑶和式⑷可以得到:

Qj=L*1.01*1.2*(10+29)/3600=0.0131L

Ql=L*1.01*1.2*(20-10)/3600=0.00334L

N=L*(6.7-0.3)/740=0086L

由上述计算结果可以得到:

Qj/Ql=0.0131L/0.00334L=3.8

N/Ql=0.0086L/0.00334L=2.5

通过以上计算可以得出如下结论:在室外气温-29℃,若引入室外冷空气满足交换机房室内的温湿度,虽然利用了自然冷源,但是要花费所节省冷量3.8倍能量去加热冷空气,以保证送风温度不低于露点温度;另外还需要花费所有冷量2.5倍能量保证机房环境湿度的要求.当室外温度随季节从最低温度从最低逐渐升高时,加热所花费的能量逐渐减少,当室外温度达到10℃,不需要加热,但是仍花费的能量去加湿.

综上所述,利用室外丰富冷源对通信机房降温,必须解决对新风的二次加热和加湿问题,否则不会达到节能效果。

因此,采用智能型新风引入节能空调在引入室外空气低于10℃时，将引进的室外冷空气与室内空气混合后在送入室内，同时使用湿膜加湿器对室内空气进行等焓加湿,保证机房环境的温湿度。由于湿膜加湿器消耗电能极少，可以克服上述论证的引入室外冷空气消耗大量能源进行加热和加湿的问题。从而在室外环境温度较低时将室外冷空气引入机房降温成为现实，可以部分取代专用空调机,节约大量能源。下图所示为智能型新风引入节能空调组成示意。

这种新风混合配合湿膜加湿器的空调机组,其本身能耗低,在配套使用先进的自动控制系统,提高其可靠和稳定性.在适合的室外条件下,可以作为机房空调的补充.在北京地区可降低机房空调能耗46%以上.这样的空调在技术上是可行的,在条件适合时,完全可以取代机房空调的工作,会给企业带来巨大的经济效益.

智能型新风引入节能空调机组采用了变频调速混风、微机智能控制和湿膜加湿等空调领域先进技术研制开发的机电一体化产品。其原理是：充分利用室外环境低温时的丰富冷空气与机房内高温空气混合，控制送风温度在露点温度以上，并根据机房发热负荷的变化调节进风量，保证机房内的温度在要求的范围内；同时通过湿膜加湿器等焓加湿对机房内湿度进行控制，取代机房空调耗能高的电极式加湿器。从而在室外环境温度较低时（低于10℃），可以取代专用空调工作，节约大量能源。

2）热回收式新风换气机新风系统

热回收新风换气机就是将室内污浊空气排到室外的同时，将室外的新鲜空气送入室内，利用室外空气的温度差，将室内的部分冷（热）量进行回收的一种置换式通风换气装置。

精密机房要求恒温恒湿，而机房内由于存在大量的发热设备，所以即使在冬季仍然需要利用空调制冷对机房内的空气进行降温，由此而带来的空调能耗非常大。如果利用将室外的冷空气直接送入室内、将室内的热空气排出室外的方法给室内降温，势必会使室内的湿度大量流失，同时也影响室内空气的洁净度。利用热回收换气机的热交换功能可以既保证室内的湿度和洁净度，又能利用室内、外的温差，有效地降低室内的温度，达到节能的目的。如下图所示，室外的冷空气由室外空气入口进入换气机，经换热器后由排风机排至室外；室内热空气由室内空气入口进入换气机，在经过换热器时被冷却降温后由送风口送入室内，由于其为等湿降温过程，所以，经热交换后送风的温度降低而含湿量不变。其原理如下图所示：

板式换热器的原理和实物图

3）乙二醇干冷器热交换系统

乙二醇干冷器热交换系统采用间接利用自然冷源的方式，也称其为自然冷却型节能空调。利用室外干冷器与室外空气换热,在利用乙二醇水溶液作为载冷剂为室内机组节能盘管提供冷源降低机房温度。该机组采用微电脑控制,当乙二醇回水温度与机房温度相差7℃时,便可以部分利用自然冷源,不足部分由压缩机补充。当上述温差14℃以上时便可完全取代压缩机制冷,达到节能的目的。

自然冷却型空调是利用乙二醇水溶液冰点低的特性,在冬季用其做载冷剂制冷降温.乙二醇水溶液浓度越高其冰点越低,所以在应用时应根据当地冬季的最低温度调配乙二醇溶液的浓度。乙二醇水溶液的比热小于水的比热,随着其浓度的增加其比热会进一步降低。自然冷却型专用空调机组在冬季乙二醇溶液浓度一般为30%,此时其冰点为-28℃,比热为3.412KJ/KG?℃.而在东北地区应用时,乙二醇的配比浓度为50%,此时其冰点为-35℃,比热为2.931KJ/KG?℃。由此可以看出乙二醇溶液的配比浓度影响其换热能力的大小。根据传热计算公式可计算出乙二醇溶液和干冷器换热量。

下图所示为自然冷却型节能空调组成示意。

乙二醇溶液的传热量为:Q1=GCPΔTP

其中Q1为乙二醇水溶液载热量(KW)

G流量(KG/S)

CP比热(KJ/KG?℃)

ΔTP乙二醇与空气间温差

干冷器的散热量为:Q2=KFΔTP

其中:Q2为干冷器的散热量(KW)

F为干冷器的散热面积(M2)

从上面的计算公式可以看出,影响乙二醇换热能力的因素有流量和浓度,而干冷器的面积和换热温差是决定机组节能能力的重要因数。自然冷却型空调,冬季运行时,可以完全停用压缩机,即节能又延长压缩机的使用寿命。同时,由于采取间接换热方式,运行时不会对机房的洁净度和湿度造成影响。

4）利用室外冷源的三种方式比较

在利用室外冷源的三种方式中，直接新风引入节能效果最好，但是，机房环境将直接受外界的影响，需要相应的技术措施保证机房的温度、湿度、洁净度满足通信设备运行需要。另外二种方式均是采用二次热交换的方式利用室外冷源，机房环境不会受外界的影响，而换热器的效率决定节能效果。 三、结论

智能型新风引入节能空调机组是采用低温送风技术、变风量空调技术、变频调速技术、微机智能控制技术、湿膜等焓加湿降温技术和空调品质处理技术等国际空调领域先进技术研制生产的机电一体化产品。其原理是：最大限度利用室外环境天然低温冷源的新风空气与机房内回风空气混合，然后再送回机房来达到消除室内余热的目的，并根据机房发热负荷的变化调节进风量，保证机房内的温度在要求的范围内；同时为补偿机房因引入新风后室内空气含湿量的降低，通过湿膜加湿器进行等焓加湿、降温对机房内温度、湿度进行控制。在室外环境温度较低时，可以部分或全部取代传统机房专用空调工作，从而大大地降低了能源的消耗。这种新风混合型空调机，与依据等焓加湿、降温原理工作的湿膜型空调机所组合成的节能空调系统,具有自身工作能耗低，能最大限度利用天然冷源对室内空气进行降温和加湿处理的特点。该空调系统配合使用先进的自动控制装置，进一步提高其对气候变化的适应型和可靠性，在适合的室外条件下可以长期稳定运行，用来作为机房空调的补充。在北方地区可降低机房空调能耗46%以上。可以广泛的应在交换机房、IDC数据机房、电力机房和实验室，完全可以部分取代机房空调的工作。采用这种方式进行机房节能改造，投资少资金回报周期短，可以给企业带来巨大的经济效益。

责任编辑：Kelly