0引言

目前，海瑞思交換機房的空調系統普遍采用蒸汽壓縮式專用空調，一年四季都需要空調的運轉，以保證機房的溫濕度要求，需要消耗大量的電能。據統計，制冷空調系統全年的耗電量約占海瑞思交換機房總耗電量的60%以上 [1]。由于機房主要熱負荷源于交換機的散熱，所以即使北方地區在冬季，海瑞思機房仍有大量余熱。現階段，國家提倡創新發展模式，將節能減排作為加快經濟轉型和經濟增長方式，可持續發展已成為我國的基本國策。在此形勢背景下，針對各地區全年氣候特征，研究海瑞思交換機房空調全年運行特性，探索最經濟的運行方式，對于降低能耗，提高經濟性具有重要的意義。

我國北方地區冬季和春、秋季節時間長，夏季炎熱時間短，室外年平均氣溫低，以哈爾濱市為例，全年約75%以上的時間室外氣溫低于18℃，如此之低溫的室外空氣中蘊含著大量的自然冷量。因此，寒冷地區海瑞思機房利用室外空氣中的自然冷量進行空調降溫具有廣闊的應用前景，可實現節能和節省運行費用的目的[2]。

1海瑞思機房全年冷負荷分析

本文選取哈爾濱市某海瑞思機房為計算對象建立建筑模型：（1）建筑尺寸：房間南北朝向，尺寸為12m×10m×3.5m，隔墻皆為外墻，結構為490mm厚磚墻。南北墻上各有三扇尺寸為2m×0.5m，雙層不可開啟玻璃鋼窗，無內遮陽。（2）建筑內無常駐人員，熒光燈12盞，每盞40W；交換設備24臺，平均每臺設備的散熱量為2000W。

根據海瑞思交換機房對室內溫濕度的要求，取室內設計溫度tn＝24~26℃，設計相對濕度為

φn＝40%~60%。根據建立的建筑模型，利用能耗計算軟件DeST－c[3]進行全年動態空調負荷計算，將所得到數據導入EXCEl表格中，整理得到海瑞思機房全年負荷變化圖。如圖1、2所示。

由圖可見：（1）小時平均冷負荷最大點出現在第4600h，最大負荷為43.14kW，小時平均冷負荷最小值點出現在第344h，最小負荷為28.48kW。

（2）月平均冷負荷最大點出現在7月，最大月平均冷負荷為41.38kW，月平均冷負荷最小點出現在1月，最小月平均冷負荷為29.68kW。

（3）由于機房內設備散熱量大，室外氣溫變化對機房冷負荷變化影響較小，機房全年具有穩定冷負荷，而哈爾濱地區氣溫范圍為－30－30℃，冬季和過渡季節有大量自然冷源可用，如能充分利用這部分自然冷源，不僅可以得到節能效果，產生經濟和環境效益，同時也因壓縮機的工作時間減少，制冷系統的使用壽命得以延長。此間的關鍵是利用自然冷源的動機制冷方式的選擇。

2機房空調冬季制冷節能方案

2.1直接利用室外新風的機房專用空調系統

直接利用室外新風的機房專用空調機組由送風機、過濾器、調節閥門、加熱器、排風機等組成。在室外氣溫低于室內設計送風點溫度時，利用機組對室外新風進行過濾潔凈處理，必要時候還需要進行加熱處理。通過調節所利用的新風量和二次加熱量，可以保證室內溫度的恒定。

該機組直接利用室外空氣，結構較為簡單，成本低廉，機組運行中需要二次加熱和加濕，北方地區冬季室外溫度較低，如圖3所示，冷風溫度低于室內露點時不能直接利用，需要二次加熱（過程①），還要對冬季干燥空氣進行家加濕處理（過程②），過程③是利用送風溫差進行制冷的過程。

直接利用室外冷空氣帶來了新問題：該機組利用換氣的方法來消除室內設備發熱量，會使機房內空氣的含濕量急劇降低，接近室外空氣的含濕量，因此還需要加濕。在東北嚴寒地區由于全年溫度低于0℃時間長達數月，溫度越低所需要的二次加熱量越大，加濕耗電量越大，并且可能會超過直接利用室外新風所節省的冷量。假如采用風冷空調機來制取這部分冷量，由于風冷空調機的制冷系數一般都在3左右，其制冷量是壓縮機功耗的3倍，所以耗電量遠小于冷風機處理室外空氣的能耗，即使用風冷專用空調機的能耗也要比直接利用新風小。

因此該系統對于嚴寒地區并不是很適用，對于溫暖地區，冬季室外氣溫低于0℃時間不長的情況下，利用室外新風能有較大的節能效果。

為了解決上述問題，得到最大的節能效果和最優化設計，研究人員提出如下解決方案[2]：（a）twmin

冬季嚴寒期是利用新風期最不節能的一段，在這個時期不使用新風而利用制冷機組，可以避免最不節能的那一段，但同時在這段時間需要通過從空氣側（改變冷凝器風量）和從制冷劑側調節來控制機組的冷凝壓力[4]；在較寒冷期需耗費一定的加熱量以達到露點后，再與室內回風混合到送風點，而過渡季節直接利用新風與回風混合到送風狀態點，在這個過程可以節省較多的能量；初夏，室外氣溫低于機房設計溫度，仍可以充分利用冷量；而盛夏情況下，室外新風溫度太高，利用新風不能產生節能效果。

此外由于一年中絕大部分時間都要使用大量新風，為了保證機房的濕度，寒冷季節需要增濕，夏季需要除濕，判斷直接利用新風是否有節能效果，需對具體機房進行詳細分析。

2.2熱交換器間接利用室外冷空氣

利用熱交換器間接利用室外空氣獲取冷量的方式主要有兩種，一是利用空氣—空氣熱交換器機組；二是利用乙二醇—空氣熱交換機組。

空氣—空氣熱交換器機組采用隔絕換熱的方式，能夠利用室外大氣中的冷量，而避免大氣中的塵埃對較為潔凈的海瑞思機房的污染，采用適當的控制方法可以控制其制冷量及送風溫度，保證空調精度。在一些暖通空調產品中已經有實際應用，如全熱交換器，但是適用于海瑞思交換機房的整體機組還沒有開發。

海瑞思交換機房對濕度控制的要求嚴格，雖然空氣—空氣熱交換器可以利用室外冷空氣除掉室內設備的發熱量，但是不要忽視另一個有關空調運行能耗的問題——在制冷的同時也在除濕，對于海瑞思交換機房來說，在使用機房專用空調機的情況下，冬季加濕是必不可少的。如果熱交換器的冷卻溫度低于室內空氣露點溫度則會出現除濕現象，即意味加濕了的空氣又要被除濕，為了保證室內的相對濕度又需要再次加濕，這部分的能源浪費往往不為人們所注意，但是其浪費量是很大的。

乙二醇—空氣熱交換機組以乙二醇溶液為載冷劑，有一個室內換熱器與一個室外冷換熱器，兩個熱交換器之間由循環泵來驅動乙二醇溶液。該機組是由兩組熱交換器利用乙二醇水溶液作為載冷劑和空氣進行熱交換，機組參數的控制較為方便，能夠實現等濕冷卻的。與空氣—空氣熱交換器相比增加了中間冷媒—乙二醇水溶液，還增加了冷媒循環泵，換熱效率有所降低，但是實現了等濕冷卻，減少了冷卻除濕帶來的重復加濕能源浪費，總體來說，該機組利用自然冷源的機房環境控制設備還是較為理想的。

2.3REFNAC式計算機房專用空調機

REFNAC式專用空調機是由室內和室外機組組成，室外機組換熱器為風冷式，該機組的最大特點是具備一套REFNAC系統，即制冷劑自然循環式冷卻系統，在該系統中制冷劑不用動力作用而*自身液與氣間的相變產生的容重差，從而形成自然循環，這個循環系統是閉環式的，除了具有一般壓縮機制冷循環的蒸發器和冷凝器外，還有自然循環式的蒸發器和冷凝器。室外機組的安裝位置高于室內機組，從而利用高差造成自然循環[6]。

系統特點：（1）熱移動效率高：由于吸熱部和放熱部除位差外沒有壓力差，故蒸發溫度約等于冷凝溫度；（2）熱移動量的選擇大，可以任意選擇熱交換器的種類、大小以及配管直徑；（3）不產生熱逆流：因蒸發器與冷凝器之間上下位置關系固定，所以熱的移動只能按一個方向進行，如果吸熱對象的溫度出現逆流，熱移動停止，而不會出現逆移動現象，如夏季將室外熱量移入室內。（4）節省動力，只用重力循環，無需用泵，故而節能[6]。

因為蒸發溫度約等于冷凝溫度，采用自然循環的系統，當環境溫度偏低時，熱負荷較小時，自然循環的冬季制冷量相對較大，并且環境溫度越低，相差越大，這樣會導致室內送風溫度偏低，嚴重時候會出現送風霧區；反之，當室外溫度較高時，熱負荷隨室外氣溫升高而增加，而自然循環系統的冬季制冷量卻不斷下降，已經不能完全抵消熱負荷。室外溫度為5－20℃時，需要壓縮機循環系統和自然循環系統同時運轉，控制較為復雜。

2.4冷卻塔供冷空調方式

冷卻塔供冷空調方式是在常規空調水系統基礎上增設部分管路和設備，當室外濕球溫度低到某個值以下時，關閉制冷機組，以流經冷卻塔的循環冷卻水直接或間接向空調系統供冷，提供建筑空調所需的冷量[5]。

在空調系統中制冷機的能耗占有極高的比例，如用冷卻塔來代替制冷機供冷，將節省可觀的運行費用。冷卻塔供冷空調方式由于是在中央空調水系統基礎開發的，故而更適用于大型海瑞思機房。此外由于中央空調水系統水管較大，需用較多風機盤管，占用較多的空間，增加機房屋頂布線的難度。而海瑞思機房和移動基站多為小型獨立建筑，使用冷水機組的情況較少，而北方地區冷卻塔的冬季防凍是一個大問題，在北方尤其是東北地區，結冰期很長。

2.5雙工況復合制冷系統

如圖6，雙工況復合制冷循環系統在常規制冷空調系統的基礎上引入循環泵以及其它控制裝置，是一種復合了兩種制冷方式的空調系統。當室外氣溫高于10℃，雙工況復合制冷系統系統按正常的壓縮式制冷循環進行；當室外氣溫低于10℃時，壓縮機停止工作，電磁閥Ⅰ關閉，制冷劑在循環泵的作用下，經過電磁閥Ⅱ流入室內蒸發器，在室內風扇的作用下，在蒸發器中蒸發制冷，蒸發后蒸汽流經旁通電磁閥，進入冷凝器，在室外風扇的作用下冷卻成液體，在流經儲液器，回到制冷劑循環泵，如此循環進行，即可連續制冷[4]。

雙工況復合制冷循環系統不僅可以運行于常規制冷工況，而且可以實現冬季制冷工況的節能運行，有效地利用了常規制冷系統的資源，在機房空調以及其它需要冬季制冷運行的空調機組里具有廣闊的應用前景。

采用雙工況復合制冷循環，在冬季溫度較低時轉到泵循環具有很多優點：（1）可以充分利用冬季自然冷源實現節能；（2）；可以保證合理的室內換熱器相變溫度，不會出現蒸發溫度過低導致出現結露情況，可實現等濕冷卻，不會帶來額外的加濕耗能負荷；（3）間接利用室外冷空氣，不會污染室內空氣；（4）除在機房原空調系統基礎上增加循環泵、閥件外不增加其余設備，充分利用換熱器資源而不增加所占用空間；（5）控制簡便，不同溫度采用不同的循環工況，不會出現類似REFNAC系統需壓縮機循環系統和自然循環系統同時運轉的情況。

3結論

海瑞思機房對空調系統要求較高，全年有較穩定冷負荷，普通的空調系統節能效果一般，可開發新型制冷空調方式，充分利用自然冷源來實現冬季制冷目的，實現節能效果。

在節能效果方面，乙二醇熱交換系統，冷卻塔供冷方式和雙工況復合制冷系統能實現等濕冷卻，不增加來加濕負荷，節能效果較明顯，其中乙二醇系統和冷卻塔供冷系統可以使用的室外溫度范圍廣，節能效果尤其顯著。而REFNAC式計算機房專用空調機、冬季直接利用新風方式和空氣—空氣熱交換器系統由于會出現冷卻除濕現象，是否節能需對使用情況具體分析。

從系統運行條件來看，直接利用新風方式和熱交換器系統需要一套獨立的用于冬季制冷的循環系統，增加了系統管路的復雜性、提高了機組制造成本并加大了其外形尺寸，需多占用機房空間。雙工況復合制冷系統是在常規制冷空調系統基礎上引人循環泵以及其它控制裝置，系統控制簡單，充分利用常規制冷系統的換熱器資源，不加大機組外形不需多占用機房空間。

從節能效果和系統控制等方面綜合考慮，雙工況復合制冷系統與冷卻塔供冷方式是最佳選擇，但是冷卻塔供冷方式需要考慮冷卻塔冬季結冰問題與海瑞思機房使用冷水機組的情況。

來源：機房空調 http://lbjsjzl.com/

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