周 枫 齐丹丹

上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

通信机房的能耗主要来自程控交换机配置、空调体系、电源配置和照明四个方面。其中，空调系统的能耗占到整个数据中心能耗的近40%，通信机房的空调能耗还有很大的节能空间。目前，机房空调已有很多成熟的应用技术，包括变频节能、冷凝器雾化喷淋、乙二醇节能机组、湿膜加湿节能技术等。在节能领域研究比较火热的当下，近几年出现的氟泵自然冷空调节能技术体现出独特的特点。

通信设备发热量大。机房空调与舒适性空调机的最大区别在于一年四季都需要制冷，当过渡季节室外温度低于通信机房环境的设计参数时，利用室外自然冷源降低机房温度是一种有效的节能方式。本文对氟泵自然冷空调节能技术进行了阐述，对上海电信机房精密空调改造加装氟泵的节能效果进行测试与分析，为上海地区机房空调的节能改造提供技术参考。

1 自然冷源利用技术发展状况

传统空调是压缩机将冷媒从低压蒸汽压缩成高温高压蒸汽，能量消耗较大。在具备自然冷源利用和过渡季节等合适的条件下，无需开启压缩机同样使空调器获得制冷效果，供冷量满足室内冷负荷需求，可获得较好的节能效果，这就是自然冷空调节能技术。

早在上世纪70年代，日本电话电信建筑部就成功研发了冷媒主动循环系统与压缩机机械循环并用式空调机组。冷媒主动循环系统即是冷媒循环流动不用提供其它动力作用，依靠自身液相与气相间的密度差来提供的动力进行循环流动，形成一个闭环式的冷媒主动循环。

1985年，日本大金工业株式会社研制成冷媒主动循环的计算机专用空调机。专用空调机由室内机和室外机组装而成，其中室外机组为风冷式冷凝器。20世纪90年代，日本三菱电机株式会社等4家单位共同合作研发了采用冷媒主动循环的空调机。在过渡季和冬季，室外温度较低，该机组优先运行冷媒主动循环，停止运行压缩机，以此大幅降低机组的耗电量。

在国内，冷媒主动循环系统研究起步较晚。2010年后，自然冷空调节能技术得到了很大发展，氟泵循环冷媒式自然冷却系统逐渐投入实践应用，部分时段采用氟泵代替压缩机运行。制冷剂在无气体压缩和节流降压的循环过程中，利用氟泵克服制冷剂管道的阻力，实现制冷循环。一般氟泵功率远小于压缩机功率。当室外温度下降到设定的低点情况下，氟泵可提供的制冷量与压缩机基本相同，这就是氟泵节能的关键。

国内氟泵空调的主流厂商多采用“双擎三模”技术，即压缩机模式、混合动力模式、氟泵自然冷模式，可根据室外气候条件及室内负荷需求智能动态切换，高效节能。在我国北方地区，室外温度低于0℃的天数占全年的百分比相当可观，利用这一有利条件，氟泵空调节能技术得到广泛推广应用，节能效果非常明显。测试数据显示，一般全年节能量可达40%以上。

上海地区属于长江流域，室外温度低于0℃的天数占全年的百分比相对较少，早期研发的氟泵空调限制了应用范围和效果。近几年，生产厂家为扩大利用自然冷源的温度范围，加大投入和研发，氟泵空调的功能得到了提升。创新的“双擎”混合制冷技术，在室外20°C即可开启节能运行模式，能够充分利用室外自然冷源，最大化提升整机全年运行能效比。

2 氟泵自然冷空调系统的构成和原理

传统空调系统主要由蒸发器、冷凝器、压缩机和节流装置四大部件组成。针对一般冷媒主动循环要求冷凝器与蒸发器之间必须要有一定的高度差才能实现系统循环，循环动力较小，且要求室内外要有较大温差，制冷量相对较小，难以控制机组的有效出力等缺点，科技人员在传统的冷媒主动循环的基础上，设置、加装了一个工质泵来实现冷媒的被动循环，减少了启用压缩机的运行时间，有效地保护了压缩机的使用寿命，实现了更长时间的供冷效果，节能效果更加明显。

加入工质泵后的氟泵空调系统，包括机房内的蒸发器、外部的风机冷凝器、制冷剂气液分离器、油分离器和制冷剂循环泵（见图1）。

图1 氟泵空调系统工作原理示意图

氟泵强制液体制冷剂流过蒸发器，室内热空气放热给蒸发器内循环的制冷剂，制冷剂吸热且少部分的制冷剂吸热气化，带气泡的制冷剂液体循环到冷凝器内，再将携带的热量释放到室外，制冷剂放热后变为过冷液体。如此循环工作，实现室外冷空气在不接触的情况下冷却室内热空气。在该系统内，氟泵强制循环制冷剂液体，使其流过蒸发器、冷凝器内的流速增加，提高换热效率。

3 氟泵自然冷空调的特点和运行模式

氟泵空调是机房精密空调。常规机房空调在制冷方面，全年依靠压缩机。氟泵空调根据室外温度环境的变化进行电控调节，用氟泵节能单元代替压缩机，降低机组整体功耗。氟泵机组采用间接利用室外低温空气源技术，具有如下特点：

（1）利用原制冷系统的蒸发器和冷凝器，不增加设备投资，不占用空间；

（2）对机房的洁净度和湿度没有任何影响；

（3）两种循环共用一种制冷剂，机房无水患忧虑；

（4）投资低，节能效果明显。

氟泵制冷系统的三种运行模式：

（1）压缩机运行模式。氟泵制冷系统和常规风冷机房空调系统完全相同。低温、低压的制冷剂在蒸发器内吸热汽化后，被压缩机压缩成高温高压蒸汽，然后进入冷凝器进行排热，该模式对应于室外温度较高的条件。

（2）压缩机和泵混合运行模式。制冷剂泵（或叫液泵）和压缩机共同运行，当过渡季节室外温度较低时，可显著提高整机的能效比。

传统的风冷空调随室外温度降低,需通过风机降低转速或冷凝压力控制等方式保持冷凝温度(冷凝压力)不低于35℃(约12．5bar)。压缩机和氟泵同时运行的混合模式可继续降低冷凝温度至最低点的25℃左右，有利于整机能效提高，同时氟泵增压辅助压缩机通过提高液体压力，增加液体过冷度,既消除气体闪发，又增强了膨胀阀供液动力，有助于增强冷媒流量，提高蒸发温度(压力)，提高制冷能力，保证了空调高显热比。氟泵的功耗因远低于压缩机功耗，从而提高整机能效，实现节能运行。

（3）泵运行模式。制冷剂泵单独运行，在室外低温条件下应用，能效表现远高于压缩机运行模式，大大节省了机房内空调制冷的耗电量。

在室外低温情况下，泵循环系统工作时由于不需要将制冷剂的压力大幅提高，因此能耗也远小于压缩机模式。在输出相同制冷量的情况下，泵运行功率远小于压缩机功率。

4 测试方法

2017年，上海电信机房空调节能改造时，采用了氟泵节能技术。氟泵具有“双擎三模”工作模式（压缩机与氟泵两个动力，压缩机模式、混合模式、纯泵模式）。为了验证空调增加氟泵的节能效果，我们分别对三个不同品牌的加装氟泵空调进行了能耗监测，分别记录三种不同模式下的运行能耗，计算出各个模式的节能率，再根据2017年上海地区的气象资料，计算出平均全年节能率（压缩机模式是指室外温度＞20℃，混合模式是指室外温度为10℃～20℃，纯泵模式是指室外温度＜10℃）。

测试期间，系统分别采用压缩机模式、混合模式、纯泵模式运行进行测量能耗情况。然后，以压缩机模式为基准值，三者进行对比，分析计算节能率。

测试节能率计算按以下公式：

其中：

S1——混合模式节能率（%）；

S2——纯泵模式节能率（%）；

S3——全年节能率（%）；

P1——混合模式小时用电量；

P2——纯泵模式小时用电量；

P3——压缩机模式小时用电量；

X1——混合模式年运行小时；

X2——纯泵模式年运行小时；

X3——压缩机模式年运行小时。

5 测试数据与分析

节能率的测试，用挂电表的方式对同一台空调，在不同的运行模式下进行能耗情况监控（此台空调已经具备氟泵）。智能电表监控、测量机组的功率和电能，实时存储记录数据，查询任意时刻的功率和耗电量。系统分别测量压缩机模式、混合模式、纯泵模式运行能耗情况。然后，系统以压缩机模式为基准值，三者进行对比，分析计算节能率。

5.1 不同运行模式的功率曲线

同一台空调在不同的运行模式下，可通过软件查询某一时段功率曲线。图2为不同运行模式在功率曲线上的实时情况。

图2 氟泵空调机组在三种不同运行模式下的功率曲线图

5.2 不同运行模式的用电量测试

电信机房的三个品牌空调在加装氟泵后进行了用电量测试，并计算节能率，结果见表1。

表1 测试综合数据表

上表可见：电信机房的三个品牌空调在不同运行模式下，纯泵运行节能率高于混合运行模式；三种不同品牌空调加装氟泵后的节能率也有不同。

5.3 年节能率计算

2017年，根据上海地区的气象资料统计，压缩机模式年运行1 864h，混合模式年运行3 098h，纯泵模式年运行3 798h（见表2和表3）。

表2 不同运行模式年运行时间统计表

表3 年节能率计算表

6 结论

信息产业的高速发展，通信网络节能减排已经成为考核各运营企业的重要指标之一。机房空调耗电占比大，是节能的重要环节。氟泵机组采用间接利用室外低温空气源技术，节能效果十分明显。在改造机房空调时，可利用原制冷系统的蒸发器和冷凝器，投资较低，不占用机房空间，对机房的洁净度和湿度没有任何影响。

上海电信机房三个不同品牌的空调，在加装氟泵后，进行节能效果测试，计算得出全年平均节能率19．08%。从节能效果和系统运行条件来看，氟泵机组作为风冷型机房空调的配套是一个较好的选择。当然，不同品牌的氟泵空调节能效果存在着差距。因此，我们要加强项目的投资经济核算，选择节能效果高和投资经济合理的技术方案，充分发挥氟泵自然冷空调节能技术在节能创新绿色数据中心建设中的独特优势。