氟泵空调在淮安电信某IDC机房的节能应用研究

崔凌闯

中国电信股份有限公司淮安分公司

随着大数据、人工智能等信息通讯的飞速发展，在降本增效的大环境下，节能是目前集团和公司关注的重点。在通信机房耗电组成中，有研究发现，机房空调耗电约占总耗电量的30%，照明和一般负荷耗电约只占2%。随着云计算和IDC业务的发展，机房中高功率密度设备越来越多，机房空调数量随之增多，因此节能减排工作的重点和方向首先就是空调系统的节能。目前对于机房空调节能已经有很多成熟的应用技术，包括变频节能、背板空调、空调冷水机组水处理节能技术、氟泵节能技术和AI群控节能技术等。

IDC机房一年四季都需要制冷，氟泵空调可以利用室外自然冷源来给机房降温，维护操作简单，机房洁净度保持良好，不仅能实现空调的节能，而且还便于进行节能效果评估。本文重点介绍氟泵空调在淮安电信某IDC机房中的技术应用和节能效果分析。

氟泵节能空调主要由氟泵、贮液器、管路阀门等组成，对于正常的风冷精密空调，制冷系统只有室内双压缩机系统，而对于氟泵系统而言，不仅室内有双压缩机系统，室外侧还有氟泵系统，室外侧可以是双氟泵机组，也可以仅改造其中一套机组，即单氟泵机组。根据氟泵空调系统室外侧氟泵机组的数量，氟泵节能空调可分为单系统氟泵机组和双氟泵机组。氟泵机组必须与专用型或者改装后的风冷型机房空调配套使用，组成2套制冷循环系统，即压缩式制冷循环和氟泵制冷循环，形成一个完整的全天候制冷系统。根据研究地区室外环境温度随季节变化的特点，设定机房内环境温度一定的情况下，由室内外环境温差的大小控制压缩机和氟泵的启停。当室内外环境温差不满足氟泵启动条件时，通过压缩机系统正常运行输出制冷量；
当室内外环境温差达到氟泵启动条件时，压缩机停止工作，氟泵启动运行。蒸发器中与室内空气换热后的制冷剂，直接进入风冷冷凝器与室外冷源进行换热，冷却成液态后的制冷剂在氟泵的作用下克服管阻回到蒸发器继续换热，从而形成节能模式下的制冷循环。氟泵空调原理图如图1所示。

图1 氟泵空调原理

针对淮安电信某IDC机房电费较高的情况，结合省公司节能减排的重点工作，在IDC机房对原有的的四台佳力图空调（每台制冷量80kW）进行了氟泵技术改造，安装双机组氟泵空调。设定机房要达到的室内温度为25℃，冬季淮安地区室外温度一般在10℃以下，设置氟泵空调氟泵工作的室内外温差为15℃以上，即室外温度低于10℃的时候氟泵运行，压缩机停止工作。选择其中的一台改造后的佳力图空调机组，针对氟泵运行和压缩机单独运行模式，在冬季分别进行4天的挂表测试，通过读取氟泵空调面板上安装的能耗电表和红外线测温仪获得实验数据。

2.1 氟泵运行模式

设定机房温度为25℃，设定氟泵工作的室内外温差为15℃，也就是室外低于10℃的环境下氟泵运行，压缩机停止工作。测试期间室外温度为-5~0℃的测试数据见表1；
测试期间室外温度为0~5℃的测试数据见表2。从表1可以看出24h耗能169.52kWh；
从表2可以看出24h耗能197.22kWh。

表1 氟泵运行模式的现场测试数据（室外温度：-5~0℃）

表2 氟泵运行模式的现场测试数据（室外温度：0~5℃）

2.2 压缩机运行模式

设定机房温度为25℃，为了在室外环境温度一致的情况下进行氟泵工作和压缩机工作模式的用电对比，设定氟泵工作的室内外温差为30℃（为启动压缩机制冷），也就是室外环境温度低于-5℃时氟泵运行，室外环境高于-5℃的时候压缩机工作。测试期间室外温度为-5~0℃的测试数据见表3；
测试期间室外温度为0~5℃的测试数据见表4。从表3可以看出24h耗能392.40kWh；
从表4可以看出24h耗能390.17kWh。

表3 压缩机运行模式的现场测试数据（室外温度：-5~0℃）

表4 压缩机运行模式的现场测试数据（室外温度：0~5℃）

2.3 节能效果分析对比

（1）氟泵制冷系统运行时耗能情况（48 h）：169.52+197.22＝366.74 kWh。

（2）压缩机制冷系统运行时耗能情况（48 h）：392.40+390.17＝782.57 kWh。

（3）氟泵制冷系统运行节能率：（782.57-366.74）/782.57＝53.14%。

（4）根据上述试验数据，估算单台氟泵空调年投资回报率。

此次改造的单台机房专用空调双氟泵机组改造费用为6万元，按照上述试验数据，在室内外温差满足氟泵运行的情况下，单台空调每小时耗电量为：（169.52+197.22）/48＝7.64 kWh。

在室内外温差满足压缩机运行的情况下，单台空调每小时耗电量为：（392.40+390.17）/48＝16.3 kWh。

根据淮安地区当地冬季气候特点，按照氟泵空调一年中氟泵开启运行的总运行时间为3个月（主要为12月至2月），每个月平均30天估算，氟泵空调节电量为：（16.3-7.64）*24*30*3＝18705.6 kWh。

根据淮安地区当地冬季气候特点，按照氟泵空调一年中氟泵开启运行的总运行时间为3个月（主要为12月至2月），每个月平均30天估算，氟泵空调年运行节能率：（16.3*24*30*12）-（16.3*24*30*9+7.64*24*30*3）/（16.3*24*30*12）=13.28%。

按照每度电1元的价格，单台氟泵空调年投资回报率为：（18705.6*1）/60000＝31.2%。

在IDC机房温度和室外环境温度基本相同的情况下，比较氟泵制冷和压缩机单独制冷，分析得到：氟泵系统能效比高，节能效果明显；
在氟泵运行工作模式中，随着室外环境温度变低，氟泵开启效果更好更省电。由于氟泵制冷循环时的消耗功率远远小于相同制冷量下压缩机的消耗功率，利用冬天室外环境温度低，氟泵模式运行情况下就可以输出机房内所需要的冷负荷，达到机房空调节能的目的。

对于正常的机房专用空调系统，进行氟泵系统改造后，若有利于氟泵制冷循环运转的环境天数较少，或者即将超期使用的机房专用空调，都不适合进行氟泵空调改造。

氟泵空调的新建和改建要综合考虑机房地理位置、机房所需冷负荷的大小、室内外温差的大小及维持时间长短、现有机房空调的使用寿命，不能盲目改造或新建氟泵节能空调，否则不但达不到节能降费的效果，反而会使投入成本成倍增加。对于要改造的通信机房，我们需要科学合理地分配好氟泵节能空调在整个机房空调运用中的占比。一般来说，针对热负荷较大的通信机房，双压缩系统风冷精密空调进行氟泵节能空调新建或改造后，氟泵系统输出额定制冷量占机房最大总制冷量35%～50%相对比较合理，有利于企业较早收回投资成本。

本次研究的某IDC机房经过氟泵节能技术改造后的4台佳力图机房专用空调，改造后空调在运行过程中也存在一些问题，如压缩机噪声电流偏大和损坏故障、系统堵塞、泵流量丢失、泵锁定等。通过后续几个月的分析研究，初步总结了一些解决方法。

4.1 压缩机相关的故障处理

压缩机运行时，制冷剂的蒸发压力和冷凝压力压差要比氟泵运行时两者的差值大，两种运行模式下，为了保证压缩机正常运行，不适合共用一个膨胀阀，需额外增加一个膨胀阀。在氟泵制冷模式下，机组膨胀节流采用的是10 mm的铜管，导致较多的液态制冷剂进入蒸发器。从氟泵制冷切换到压缩机制冷模式时，存在压缩机吸入液态氟利昂引起液击风险。因此在压缩机循环中，需要在蒸发器出口和压缩机吸气口之间增加一个气液分离器，从而保证压缩机安全运行。

4.2 模式切换相关故障处理

在实际应用中，常常出现氟泵流量丢失、泵锁定等故障，氟泵经常会遇到泵前后压差较小的情况，导致氟泵不能正常运行。经过研究发现，氟泵正常运行需要满足两个条件：一是贮液灌内制冷剂液体应有一定余量；
二是进入氟泵的制冷剂液体应有一定的过冷度。

采用压缩机抽真空循环，能够使贮液灌内有足够的制冷剂液体，由于制冷剂液体温度比较高，机组会自动切换到压缩机运行模式，出现泵锁定告警。如果贮液灌的制冷剂液体得不到充分冷却，在氟泵工作模式下，冷凝器启动后会有较多的液态制冷剂截留在冷凝器中，很容易造成氟泵断流，引起氟泵气蚀，从而出现泵流量丢失等告警。经过不断摸索发现，把原来的抽真空循环进行调整，通过加强室外风冷冷凝器冷凝效果，把变速运行的冷凝风机调整为全速运行，贮液灌制冷剂液体实现充分冷却，顺利进入氟泵循环。通过这种方法，很好地避免了氟泵误切换成压缩机运行的故障。

由于氟泵和压缩机两套循环制冷系统中的制冷剂流量和状态不同，在压缩机运行时，压缩机侧为流量小的气态制冷剂，而氟泵侧为流量较大的液态制冷剂，在两种制冷模式切换时很容易发生液击和气蚀现象，所以在机房内外温差达到系统制冷模式切换的过渡季节，机房内外环境温差变化快，为避免氟泵与压缩机频繁切换问题，在实际运行中，可采取关闭氟泵制冷系统的措施，以保护设备不受损坏。

分析解决氟泵空调常见问题障碍后，淮安电信某IDC机房4台改造的氟泵空调运行情况良好，能够平稳运行并实现节能。

通过探讨和分析得出淮安电信某IDC机房氟泵节能空调系统运行节能率为53.14%，氟泵空调年运行节能率为13.28%，其年投资回报率在31%左右，节能效果显著。氟泵空调通过间接利用冷源的方式，消除了直接利用冷源的所有弊端，不影响机房空气质量，维护量小，可靠性高，系统运行稳定，是值得在寒冷季节大力推广的双工况复合制冷循环节能产品。根据前述氟泵空调年运行节能率方法计算，对于全年8760小时，要求氟泵空调年运行节能率不低于5%的情况下，氟泵自然冷却温度低于10℃的启动要求时长不低于825小时；
在要求氟泵空调年运行节能率不低于10%的情况下，氟泵自然冷却温度低于10℃的启动要求时长不低于1649小时。

由于电源动力专业是实施和发挥节能减排工作的主力，在积极主动完成公司节能减排目标的同时，要关注节能产品的应用是否真实达到了节能的目标。对节能效果不明显、评估模糊的产品一定要谨慎试用，让安全可靠的新节能技术真正助力企业降本增效。