客专调度楼精密空调系统节能降耗的思考与对策

2015-12-16张鸿强上海铁路局办公室

上海铁道增刊 2015年4期

关键词：冷却塔机房风机

张鸿强上海铁路局办公室

张鸿强上海铁路局办公室

通过对路局客专调度楼精密空调系统目前运行现状的分析，针对产生高能源消耗的问题点，提出节能改造的技术设想和管理措施，以实现节能减排和降低运营成本的目的。

调度楼；精密空调；节能降耗；技术改造；管理

1 引言

路局客专调度楼现有各类专用机房33处、面积4 266 m2，精密空调101台。精密空调系统消耗的电能，占到整个客专调度楼电力消耗的50%，去年的电费支出达1 310.26万元。因此，有针对性地提出精密空调系统的节能降耗措施，对解决目前路局客专调度楼的能源成本日益增高及电费开支偏大等问题具有较强的现实意义。

2 精密空调系统概述

机房精密空调是能够充分满足机房环境条件要求的机房专用精密空调机，它不但可以控制机房温度，也可以同时控制湿度，因此也称为恒温恒湿空调。客专调度楼共有101台精密空调机组，均为四川依米康空调，其中风冷单体空调3台，安装在地下二层，水冷机组98台，安装在1至7层。楼顶有16只冷却塔，主要作用是对空调机组的循环水进行冷却。4台55 kW的卧式循环水泵，为水循环系统提供动力。

3 产生高能耗的现状分析及节能降耗的思考与对策

借助于对当前客专调度楼精密空调系统的运行分析，找出产生高能耗的问题点，有针对性地进行思考和分析，提出对策措施，向管理维护、技术改造要效益，做到科学节能、有效节能。

3.1 外循环水质偏差，导致热交换效率偏低

循环水在使用过程中，随着时间的推移，水质将逐渐恶化。如果不进行水质处理，将在热交换器的壁上沉积生成活动污垢，使得热交换效果降低，造成机组高压逐渐升高，轻则高压运行增加耗电，重则高压停机、中断运行。

3.1.1 能耗现状分析

现客专调度楼16只闭式冷却塔的外循环喷淋水采用城市自来水，未经过水处理。其喷淋水的水量与开式冷却塔相比要少，蒸发引起的浓缩周期较短，并且与大气接触水质容易恶化。由于水温高，夏季还孳生大量藻类，这不仅大大降低了冷却塔的换热效果，还增加了电力能耗，并对整个系统产生安全隐患。根据理论及实践经验证明:外循环冷却塔的污垢达 0.1 mm，散热效率将降低5～10%，机组耗电量则增加8%。

3.1.2 对策措施

除目前添加药剂、定期排放及除垢等措施外，建议安装自动水处理装置—高频脉冲水处理机（见图1）。该设备根据目前国内及国际上“以电治水”的最新理念，采用电化学方法对循环水进行水处理，通过特殊的高频电流方式彻底改变水质，使循环水变成具有杀菌、除垢、除锈、防垢、防锈的小分子团还原水（见图2）。安装时将该水处理机置于冷却塔的积水盘，无需拆卸、改变原有设备及管道结构，安装方便，在线清洗。提高循环水的利用率，减少耗水量、耗电量。根据上海仁济医院的使用结果表明能节约设备能耗达15%左右。

图1 高频脉冲水处理机

图2 小分子团还原水结构示意图

3.2 机房冷热风短路，造成了不必要的能源浪费

精密空调的气流流向对节能起到至关重要的作用。空调的气流组织不仅能有效地带走机房设备产生的热量，降低设备运行的环境温度，而且还决定了空调的节能效率。

3.2.1 能耗现状分析

调度大楼内机房精密空调均采用下送风上回风形式，机房采用架空地板，模块化设计，根据机柜放置位置在其侧面设置送风口。回风口在吊顶处，在装修时即确定位置，新增机柜设备时一般不会予以调整。目前机房存在大量送风口与回风口正对、气流短路（回流、漏流）的情况，造成了不必要的能源浪费（见图3）。与此同时，还导致气流盲区的出现，局部区域高温制冷效果欠佳。

图5 机房冷通道封闭图

图3 机房内气流短路现象

3.2.2 对策措施

机房空调气流组织优化是指合理输配空调送风，做到“先冷设备，后冷环境”，合理设置空调送风，使空调送、回风形成完整流畅的循环，不出现空调送风短路、冷热空气掺混现象，持续稳定地消除设备与机房环境热负荷。

（1）对于存在冷热空气短路的机房，一般只需合理调整送风口的位置。使得送风与回风分别位于设备两侧（见图4），减少气流混合短路的可能，提高送风效率。

图4 调整后合理的送风口位置

（2）对于发热量很大的机房，尤其是高功率密度机架的散热；一是通过划分冷热通道的方法。封闭冷通道（见图5），则冷通道内会比较冷，除冷通道外其余环境温度提高且小区域封闭，冷量损失小，能耗相对较小，可有效遏制气流短路，提高空调的送回风效率，为机房设备提供良好的散热效果。二是可在机房局部增加风机强制通风的配风地板来满足机房热点冷却需求。强制定向送风，可解决局部热点，进而可以避免对整个机房的过度冷却。解决了局部热点的问题，就可以通过提高空调设置温度来减少空调机组的运行数量和供冷量，最终达到机房节能的效应。

（3）对于一些空闲的机架安装隔离的盲板，避免出现冷空气短路。

3.3 精密空调设置节能优化

3.3.1 能耗现状分析

精密空调参数设置不合理。设计上，调度大楼机房精密空调温度设置范围夏季在23±2℃，冬季在20±2℃，相对湿度30%～75%之间。

（1）根据现场调研，大部分机房实际运行时机房温度基本也都在22℃左右，湿度也在40%～60%之间。但是也有少量的机房实测温度为20℃左右。个别机房甚至因持续的低温运行，致使隔壁的普通办公室墙体因温差太大发生大量的潮湿、霉变。

（2）精密空调风机可实现0%～100%无级调速，风机功率跟转速呈三次方关系，对能耗影响极大。目前风机转速通常由运行人员根据经验设置0～10档，缺乏较科学的操作指导。

3.3.2 对策措施

（1）机房室内温湿度设置优化：我国现行的机房标准对温度设定过低，不利于机房节能。合理设定机房空调的温度显得尤其重要，随着服务器的功能的提升，机房环境温度可以为28℃。查阅部分服务器的性能指标，机箱内温度在40℃以下是可以正常运行的。国际上有越来越多的数据中心设计和管理人员在讨论现有的数据中心运行温度是否太低，认为应该设置到81°F（27.2℃），甚至有人建议达到 95°F（35℃）。适当提高机房温度的设定值，可有效缩短压缩机运行时间，降低制冷能耗。对于机房设定温度提高后的节能效果，虽然目前还没有非常权威的数据，但有提高1℃温度大约能节约空调耗电2%～5%的结论。

（2）依米康机组调适：通过降低空调冷凝压力与优化空调制冷剂运行状态来提高机房空调能效。机房空调采用压缩式制冷，当蒸发温度一定时，降低冷凝温度与冷凝压力，可减少压缩机能耗，提高能效比。目前依米康机组冷凝压力统一设为18 kg，根据季节变化可适当降低，可有效提高机组COP。

（3）依米康机组送风调适：根据每个机房的实际需求和空调热湿比合理确定每台风机运行转速，既保证运行效果，又能有效降低风机能耗。一般情况下，夏季送风可设定在7～8级，冬季送风可设置在6～7级。

3.4 将精密空调系统控制联网，实现“群控”

3.4.1 现状分析

调度大楼数据机房基本都由两个或两个以上精密空调供冷，目前存在以下两种情况。一是机房专用空调有智能功能，但是在实际运行中，有时会出现一台空调加湿，另一台去湿；有一台在制冷，另一台在加热的不合理现象，造成不必要的浪费，空调使用效率不高。二是每台精密空调只对本空调机回风口采用传感器方式作为数据采样参考点，无法监测整个机房内的真实环境温湿度，导致数据准确性不够，使用效率不高，能耗浪费较为严重。

3.4.2 对策措施

现有的机房监控系统还是以监测功能为主，对于远程机房设备，尤其是空调设备几乎没有控制功能。制冷主机群控系统的工作原理是根据机房负载的情况，能自动调整制冷机组的运行数量，实现机组、水泵和相关设备之间的相互控制。按机房具体的情况，精确控制“N+1”“N+0”、“N-1”等台空调数量的开启与关闭，使空调始终处于最佳工作状态，通过机组开启的改变，提高制冷的效果和效率。

（1）合理布点，在每个核心机房增加温、湿度传感器。采集机房温度、湿度作为主要控制的环境参数的主要依据（实际的安排布置方式可参见图6）。根据采集到的回风温湿度及设定的温度、湿度进行比较，按环境需要对空调系统的各组件进行启停控制及自动调节。而温度和湿度是相互作用的，比如温度的波动会导致湿度的剧烈波动，这要求控制逻辑设计合理（具体的空调系统主体控制逻辑如图7所示）。在该空调系统中，温湿度控制以温度优先为原则，压缩机控制为开关量控制，根据温湿度与设定值的差值来控制，加湿器为比例调节。PLC通过软件编程控制各组成部件的启停频率，调节周期，开度大小，并通过对温度、湿度变化趋势的判断，对各组成部件的动作提前预判，保组成部件进行启停控制，通过对制冷、制热部件的开关频率，开启比例，调节的时间周期等参数的自动调节来达到温度、湿度的稳定控制。

图6 机房温度、湿度传感器安排布置图

图7 空调系统主体控制逻辑图

（2）采用多层次分布式CPU结构型式，实现对机房空调的实时群控功能。此种模式由监控主机和采集模块组成，每个采集模块具有信号采集、A/D转换、信号传输功能，有其独立的CPU，可以将采集来的模拟量信号就地转换成数字量信号。监控主机通过现场总线技术轮询的监测各采集模块，再将采集的数据分析处理。这种结构型式中，每一层由不同的设备甚至是系统组成，实现不同的功能，每一层在功能上有其独立性，组合到一起形成一个完整的监测、控制系统，节约空调能源消耗、延长空调机组的使用寿命。

（3）具备安全保护策略。在集中控制方式下若运行机组中的一台有故障，则另外一台机房备用空调自动运行，如果在没有故障的情况下一台空调运行时间己经达到轮换时间，也将自动切换到备用空调运行。当集中监控系统通信故障时，机房空调可以切换到独立控制状态，每台空调机组单独受从站的PLC控制。保证机房空调无论在哪种情况下都能不间断的运行，满足程控机房24 h不间断运行的需求。这样不仅实现了对机房设备的实时群控功能，也大大减小了机房设备管理维护的难度。

借鉴上海市电信机房近几年的空调节能管理经验，采用“群控”技术改造后，年平均节电在20%左右。

3.5 冷却系统自控存不合理，冷却效率上有节能潜力可挖

3.5.1 现状分析

冷却系统设有三台控制柜，分别用于冷却风机启停及高低速控制、喷淋泵启停控制、电加热启停控制，互不关联。目前存在主要问题：（1）风机和喷淋泵分别独立控制，互不关联。（2）冷却水回水温度上限设定为30℃，下限设定为26℃，即冷却水回水低于26℃时，逐步减少风机和喷淋泵的运行数量。（3）冷却塔内循环水电动阀未接入自控系统，目前该阀处于常开状态。当部分冷却塔风机、喷淋泵关闭时，存在“混水”现象，降低了冷却塔效率，且不利于末端换热。

3.5.2 对策措施

（1）可对自控系统进行优化升级，将两组PLC实施联动。把风机、喷淋水泵的关联控制，实际上风机和喷淋泵互相关联，都是为冷却循环水进行降温，但两者效果和作用力度不一样，单位能耗也不一样，因此进行协调统筹控制，能达到最好的节能效果。

（2）优化冷却塔风机的温度设置。对于机械式冷却塔，风扇转速越高，冷却水的温度就会越低，此时冷却塔的耗电也就越多。可是对于空调主机来说，冷却水温度越低，主机的耗电就会越少。反之，冷却塔转速越低，冷却水的温度越高，这样冷却塔的耗电越少。但对于空调主机来说，由于进入冷凝器的水温升高，相应的主机耗电会增加。因此，可以考虑降低风机冷却方式（先低速、再高速）的设置温度的下限值至24℃，能有效降低精密空调的冷凝温度，提高机组整体制冷效率，从而减少整体能耗。