机房利用新风冷源节能方法分析

前言
　　
能源是发展国民经济、改善人民生活的重要基础。目前我国能源形势相当严峻，节能减排领域的工作任务相当艰巨，在今后的长时期内也将难以缓解，有关统计数据显示，我国单位GDP能源消耗比发达国家高2.4倍。
　　
对于机房节能，其根本在于IT设备本身，IT设备每减少1kW的功率，整个机房将减少2.74kW的总输入功率。就目前的具体情况来看，机房空调，虽然制冷系数会在3.0～4.5之间，其耗电量理应为设备发热功耗的1/3～1/4，但由于风机等常行部件的恒定功耗不遵循制冷系数，祛湿和加湿需要大量功耗的原因，在很多机房里，空调的功耗都已经接近于通信设备的功耗。因此将节能重点放在空调上，是一个正确的选择。
　　
对空调而言，利用室外新风作为冷源，可以做到季节性不开或少开空调，因此其前景应该是非常乐观的。
　　
气候特点与利用新风的可行性
　　
新风作为冷源，是大自然赐予我们的，不需要人为干预。但由于我国地域辽阔，气候多样，在秋、冬、春季时间比较长的地方，尤为适用。
　　
下表为我国一些主要城市的气象数据：

表1全国主要城市历史最高最低气温纪录
　　

　　
由上表可以看出，我国的气候类型可以大致分为3类，以北京为代表的北方地区，其特点为冬季时间长，气温很低，湿度低；以上海为代表的长江中下游地区，其特点是季节明显，秋、冬、春季长，湿度高，气候相对温和；以广州为代表的南方地区，气候常年较热，低气温的时间短，但相对湿润。
　　
就气候特点而言，笔者认为，在北方，是冷资源十分丰富的地区，可以充分利用新风冷源，但由于极端气温较低，不适合直接引入机房利用。在长江中下游地区，由于其新风有大量时间处在0～18℃的最佳利用段里，且相对湿度较高，除了空气污染较严重的地方，新风是比较适合直接引入室内的。而在南方地区，则应根据当地的气候条件，慎重决定是否采用新风技术，其判别门限条件为年气温低于18℃的累计时间应不小于3500小时，如达不到此条件，新风系统能使用的时间很短，投资回报就很难保证，建议不使用新风。
　　
新风节能的利用方式
　　
新风——即室外空气，具物质性和能量性。我们取新风，就是想利用其优良的物质性和能量性，例如在舒适性空调中，用新风一般是取其中的氧气供人呼吸，而在节能中，是将其作为冷源。但空气中也有不良的成分，其中的灰尘就是有害物，我们必须将它去除，还有空气中的水分过多或过少（一般是过少），也是在利用新风时的一个重要问题。因此在采用新风节能时，如何趋利避害，就必须通过技术手段解决这些问题。
　　
机房中利用风作为载体带走设备的发热量，分为闭式循环或开式循环2种模式。传统的专用空调制冷方式，采取的是闭式循环，在保持机房适当正压的情况下，灰尘不会从室外进入室内，水分一般也只在室内循环，加湿量不大。一旦采用开式循环，把空气从室外引入机房，灰尘会随之侵入，加湿的水分会随排风一去不复返。这是两种模式最本质的区别。
　　
因此利用室外空气节能，我们最先想到的是闭式循环，取新风冷量，而隔绝灰尘和水分的交换，即只存在热交换而没有质交换的间接利用。经常采用的技术有全热交换器，热管换热技术等方法，把室内的热量排到室外，也可以认为是将室外的冷量导入室内。利用这种方法，关键是换热的性能，换热性能好，设备体积小且换热量大，反之亦反。同时，换热性能好，对室内外的温差要求就低；换热性能不良，对室内外的温差要求就高，在同样的气象条件下，系统的可用度就小。目前间接利用新风冷源的方法，大多还是小型或中型的系统。
　　
将新风经过处理直接引入机房，是最直接利用新风冷量的方法。虽然这种方法会有除尘和加湿量大等难题，但由于系统简单，便于实现，且冷量随风量增大而增大，最大的系统可以做到几十万立方米/小时的风量，有很大的可用价值，因此很多地方的机房都已经开始尝试这种方式，并有推广的趋势。

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间接利用室外空气作冷源
　　
间接利用室外空气作为冷源，就是用热交换的方法，这样可以规避灰尘、水分、有害气体等对机房的影响，减少了在这些方面的处理过程，是一种非常理想的利用室外冷源的方法。但由于其间接利用，因此效率上相比直接利用会低一些，所以设备体积相对较大，但冷量不可能很大，单机冷量（换热量）一般在3～10kw左右。但这种换热方式布置和使用灵活，可以在冬季完全替代专用空调，也可以在春、秋季节与专用空调并行运行，作冷量的补充，减少专用空调制冷电耗。
　　
4.1全热交换器
　　
间接利用室外空气冷源的方法，最常用的是全热交换器，系统主要是由换热芯体、室内侧风机、室外侧风机、通风管道、阀门和智能控制系统等几部分组成。其核心是换热芯体，换热芯体内部分两组独立气体通道，分别通过室内和室外空气，由换热合金板完全隔离，换热就通过隔板进行。
　　
若换热量为Q，那么Q=α×F×Δt 　
其中α—为导热系数 　
F—为换热面积 　
Δt—为换热温差

根据上面的公式，为增加换热能力Q，可以增加α、F、Δt中的任意1个，也可以增加其中的2个或者3个。但提高Δt会造成可用的室外温度下降，减少系统的可用度，因此不但不能提高Δt，还要适当减小Δt，使系统能在更高环境温度下使用，例如机房温度为25℃，Δt为7℃，那么室外温度必须≦18℃系统才可用，但将Δt减小为6℃，室外温度为19℃系统就可用。排除Δt之后，就只能增加α和F：增大导热系数α需要使用导热性好的材料，同时应将导热隔版尽量做薄，其导热性能将增加。增大导热面积的方法是同样体积的换热体，做成多层，即做成类似板式交换器，同时增加褶皱，就可以做出体积小但换热面积大的换热芯体。
　　
在实际应用全热换热器时，室内、外空气的进风口需要进行空气过滤，以防止换热芯体内积灰。一般室内外温差为10℃时，机组达到标称冷量，大于10℃时冷量增加，小于10℃时冷量减少，温差小于5℃时基本不可用。
　　
全热换热器的维护比较简单，只要定期对室内风机、室外风机、风阀门进行检查和润滑，对空气过滤网进行冲洗或更换，其它部件基本只需要定期巡视即可，因此其后期维护费用是很低的。
　　
4.2热管
　　
热管是20世纪60年代的技术，其导热能力很高，为优良导热体银、铜的当量导热系数的成百上千倍，能在温差极小的情况下，传递大量的热流，故有超导热体之称，目前热管技术主要应用于航空、军事和工业导热领域。热管的基本结构如下图所示，它是由外壳容器、吸液芯（也有热管不带吸液芯）和载热工作介质三部分构成。在轴向分为蒸发、冷凝、绝热三段（通常无绝热段）。

热管排热系统相比常规空调方式节能，主要原因是省去空调设备主要制冷耗电部件——压缩机。排热能力相同的热管式排热装置和常规空调同时工作，热管式电耗仅为常规空调的1/8－1/10。热管式排热装置采用自然循环，室内外温差5℃以上（室外低）时均能正常工作。
　　
热管是无动力驱动制冷的，完全依靠温差运行，但为增加2端的换热能力，可以增加风机强迫对流加强换热。目前一般5kw冷量的热管设备的风机功率大约在800w以内，折算下来整机的制冷效率比在6以上。而且，热管设备由于运动部件很少，因此维护量不大，且热管只要不受到严重腐蚀而泄漏工质，就一直可以使用。但热管设备的价格相对比较高，目前大约在5000元/kw冷量，而且单机冷量一般不超过10kw，影响到它的大规模推广。

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引入式新风系统
　　
引入式新风系统，初始的思想就是模拟专用空调送风。专用空调的送风干球温度一般在13～15℃，相对湿度一般在70-90%，清洁度由于是内循环，经过滤网后能满足机房要求。那么，我们将新风处理后也达到专用空调的送风状态，风量与专用空调总风量相仿，也就是在使用新风时，机房中就像开专用空调一样。基于此，我们进行如下探讨：

5.1理论计算
　　
5.1.1新风机组风量计算
　　
在湿空气冷却系统中，能带走热量的参数是焓差，不是温度差，因此焓差是我们进行引入式新风系统计算的基础。专用空调系统采取大风量低焓差的运行模式，因此我们在引入新风系统时，也秉承这一方式。机房新风系统的送风量可以通过如下公式进行计算，即：
　　
F=Q÷△h÷1.293×3600（m3/h）
　　
其中F--风量m3/h 　

Q--机房热功率kw或kJ/s 　
△h--送风焓差kJ/kg 　
1.293—空气密度kg/m3 　
3600--s/h
　　
新风系统如果能做到送回风焓差与专用空调一致，那么风量也应与专用空调一致，这是最佳的工况。但专用空调的回风参数就是室内环境参数，相对湿度由于是制冷减焓过程，完全有可能将其处理到相对固定的送风点，其工况可以做到很好。但新风系统，由于全部或部分空气取自室外，气候多样性使得回风状态的多样，即便使用一次回风与新风进行混合后再加湿处理，也较难达到定点送风。

5.1.2室内设定点的确定
　　
通信机房，一般要求温度为21℃～25℃，湿度要求在40%～70%，于是，就形成了id图中A-25℃、70%，B-21℃、40%，C-25℃、40%，D-21℃、70%这4个点，4个点沿相对湿度线和温度线形成1个封闭区，称为工作区。依当地气象数据（本处以上海为例），可以形成E-F-G-H-I构成的封闭区域，成为气象包络线。由于气象条件不同，各地区形成的气象包络线略有不同，但类似。

机房环境目标点可以落在工作区的任何点，我们这里假设机房的环境目标设定为最不利点A。经计算或查表，可以得到A点参数，其比焓为60kJ/kg，绝对含湿量为14g/kg。那么取送风焓差为10kJ/kg，得到送风的比焓为50kJ/kg，但比焓达到要求仍无法满足机房要求，还有湿度问题，这里我们假设取加湿量为4g/kg，即得到绝对含湿量为10g/kg。在id图中，以得到比焓为50kJ/kg、绝对含湿量为10g/kg的交叉点为J点，由于J点湿度不达标，用湿膜等焓加湿，理论上相对湿度达到100%（实际应用中一般只能达到90%左右），可以得到K点，K点就是真正的送风点，但从K点送风，我们可以发现，与工作区相交点中，焓差最大的是L点。但L点与送风点K之间的焓差已经无法达到10kJ/kg，大约只有7kJ/kg，绝对含湿量也只有13g/kg。因此，在工作区A点取送风焓差为10kJ/kg，加湿量达到4g/kg，经计算不行，主要原因为湿量（水分）加不进，若要加湿量和和焓差都达标，送风点为M点，其温度为15℃，相对湿度大于100%，这样的点显然是不存在的。在这种情况下，唯一可以补救的方法就是加大风量减小焓差，才能保证机房中的热量被带走。
　　
那么工作区中的B点呢？B点参数，比焓为37kJ/kg，绝对含湿量为6g/kg。从B点沿等含湿量线向相对湿度100%线延伸，在该线上找3个特性点，即温度为13℃的N点，焓差10kJ/kg的O点，焓差最大的P点，这3个点都可以作为送风点。但我们发现，N点送风最接近专用空调工况，但焓差只有8kJ/kg左右；O点、P点送风，虽然焓差大，但送风温度都很低，大约在10℃和6℃，要得到这样的送风点，对室外温度的要求是非常高的，显然B点也不是很好的工作点。
　　
继续对C点进行研究。C点参数，比焓为45kJ/kg，绝对含湿量为7.9g/kg。从C点沿等含湿量线向相对湿度100%线延伸，在该线上找到温度为13℃的特性点（该点的相对湿度为85%），发现该点的焓差可以达到12kJ/kg。然后从Q点沿等焓线找到与气象包络线的R点。于是RQ线上的各点就是湿膜加湿以前的状态点。要得到RQ线上的状态点也不难，只要在R-Q-U-I-H-R的室外环境中取1个状态点X，与C点连一直线，那么CX一定与RQ交于Y，Y就是室外新风与室内回风的混合点，混合的比例就是线段长度的比例，CY代表新风量，XY代表回风量。如果将送风点设定为15℃（相对湿度75%），也就是图中的S点，其与C点焓差为10kJ/kg，虽然焓差有减少会导致送风量有小幅增加，但可用的室外环境条件会有扩大，扩大的区域就是RQST。
　　
因此，将C点作为室内最佳的控制点是正确的。这与我们的基本常识是一致的，也就是机房温度高一些，相对湿度控制得低一些。而且，温度越高，湿度越低，可以利用新风的时间就越长。
　　
5.1.3送风焓差的选择
　　
如果选择C点作为控制点，那么焓差应在10～12kJ/kg，风量可以做到最优。但由于C点是机房的最不利点，如果系统保险一点，控制点会落在工作区的其他点，那么焓差在7～10kJ/kg左右，这会导致系统风量上升。在焓差的选择上，与用户的思路相关，选择保险的方式，风量会大----也就是新风机组放大；选择节约，机房环境会贴近参数极值。但无论如何选择，新风系统的风量一定会等于或大于专用空调的风量，小于专用空调风量会对室外条件要求非常苛刻，新风使用时间大大缩短。
　　
5.1.4加湿量
　　
以C点为工作点，湿膜前最不利点是R，湿量差为3.3g/kg。如果选择其他工作点，由于焓差减小，湿量差不会大于CR，即加湿量不会大于3.3g/kg。以空气密度每m3为1.293kg计算，折合4.2g/m3。由次，我们就可以依据风量，计算湿膜加湿器的容量。

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5.4.1 运行模式的转换判别逻辑
 
由精密空调制冷模式向新风空调制冷模式的转换：
 
(1)精密空调连续运行≧1小时，室外焓值逐渐降低（判断标准为过去1小时内新风焓值降低5kJ/kg）且新风焓值低于45kJ/kg。这时系统如设置在自动模式时,则转换为新风空调制冷模式；
 
(2)人为干预手动设置为新风空调制冷模式。
 
由新风空调制冷模式向专用空调制冷模式的转换：
 
(1)当前模式为新风模式，如果房间任何一个温度传感器读数高于上限值极值,延时n分钟系统切换为专用空调模式；
 
(2)当前模式为新风模式，如房间区域内有≧n个传感器温度平均超过m℃,且过去一小时内温升超过2℃,则系统立刻转专用空调模式；
 
(3)当前模式为新风模式，出现某台新风空调的故障（无风故障、设备故障）延时10S，系统进入专用空调制冷模式；
 
(4)手工切换至专用空调制冷模式。
 
5.4.2 由专用空调模式切换到新风模式的动作
 
(1)先开新风空调，新风工作后关闭专用空调；即必须是并行切换。
 
(2)新风开机动作：新风阀全开，回风阀关闭，排风阀全开，延时后开启送风机，开启排风机，开启湿膜加湿，进入焓值控制程序。开机过程中对风机、送风压力等参数进行检测，只有得到正常反馈数据，才认为动作正常；
 
(3)如果切换完后有区域尝试3次启动仍有故障，则整个系统停止向新风空调制冷模式切换，并切换回专用空调制冷模式同时报故障；
 
(4)有多个区域进行切换的，每个区域必须有时间间隔；单个区域切换发生故障时不影响下一个区域切换。
 
5.4.3 由新风模式切换到精密空调模式的动作
 
(1)先开专用空调，专用空调工作后关闭新风空调；即必须是并行切换。
 
(2)如果切换中无法启动专用空调，则不关闭新风模式，间隔n分钟后进行重复过程。重复n次，且室外焓值低于45kJ/kg，则告警。
 
(3)多区域的，可以逐个区域进行切换，每个区域时间间隔；单个区域切换故障不影响下一个区域切换。
 
5.4.4 新风空调送风焓值与送风温度的控制
 
(1)新风空调刚开机时新风阀全开，回风阀关闭，排风阀全开；
 
(2)根据混合空气焓值调节新回风比（比例调节新回风阀开度）；
 
(3)新风阀设置最小开度（保证最小新风量）；
 
(4)保证运行中送风和回风的焓差，焓差过小则延时后告警，最小焓差经计算确定；如果检测发现焓值正常，送风温度>20℃,则认为湿膜加湿存在故障；
 
(5)如果送风温度>18℃，延时后认为该设备出现故障。
 
5.4.5 消防动作
 
(1)系统中设置了防火阀，防火阀的信号直接接入控制系统，当控制器收到防火阀闭合信号后延时10S空调系统立刻关闭风机和所有阀门，同时发报警信号至消防系统和动力环境监控系统，将系统切换到精密空调模式，防止误报导致温度失控；
 
(2)如果系统接到来自消防系统的消防报警信号，立刻关闭所有空调系统风机和所有阀门，同时发出消防报警信号给动力环境监控系统。

5.4.6 设备故障判断和处理
 
(1)送风温度超标故障：如果新风焓值≧45kJ/kg，送风温度>20℃，延时30S认为送风温度故障，切换到精密空调模式同时新风进入故障自锁；
 
(2)房间温度控制故障：如果新风焓值正常≦45kJ/kg，房间少数温度传感器超过28℃，或者n个温度传感器超过26℃,且在过去的1h内温升超过2℃,则认为房间温控故障，需切换到精密空调模式同时新风进入故障自锁；
 
(3)新风空调启动故障：启动故障是指当新风空调启动后延时5S未读取到送风机或者排风机状态，延时60S再次启动，累计超过3次则认为新风空调启动故障，系统保留在精密空调模式同时新风进入故障自锁状态；
 
(4)所有故障自锁状态需通过人工复位方可消除。
 
控制系统应具备数据记录功能，包括温度、湿度、风阀执行器开度、设备运行状态、启停记录、故障记录等，数据记录密度越大越好。记录的数据如能加以分析利用，逐步积累经验，才可以将系统调整到最佳。 
 
利用新风的其他问题 
 
(1)新风与专用空调自适应节能技术结合的问题
 
专用空调自上世纪80年代进入中国以来，就基本上没有过大的技术改进。虽然专用空调较舒适空调具有节能性能，但其仍有祛湿的潜热损失和加湿的大量功耗，压缩制冷的全年使用也会使用大量电能，尤其是在冬季。在节能要求越来越高的今天，让我们在专用空调的旁边，再建设一套体积庞大的新风系统，实在不方便。而专用空调自适应节能技术已经是非常成熟的技术，在专用空调上使用已经很长时间了。对于大型的新风系统，把新风处理后引入专用空调的回风侧，利用专用空调的风机送入机房，并与自适应节能系统联动，可极大地缩小新风系统的体积，建成新风＋专用空调＋自适应节能的系统，使之成为必然的技术趋势。
 
(2)新风节能的评估
 
新风系统节能应是肯定的。但如何评价节能的效果：一是年节电率，另一个是投资回报年限。当年节电率大于15%，投资回报年限小于4年，采用新风节能就是可行的。年节电率的计算方法如下：
 
年节电率=（新风用电量+专用空调用电量）/全年使用专用空调用电量 
 
结束语 
 
新风节能，是一个非常有前景的技术，这一技术如能推广到所有机房，那么总电耗应可以下降5%以上。但这种技术在通信机房中使用，还处在起步阶段，需要设备制造商、设计人员、运维人员共同努力，使新风节能技术日趋成熟。