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空调系统节能技术解决方案

发布日期:2019-09-07 14:40   来源:未知   阅读:

  随着数据中心规模的不断扩大,服务器热密度的不断增大,数据中心的能耗在能源消耗中所占的比例不断增加。制冷系统在数据中心的能耗高达40%,而制冷系统中压缩机能耗的比例高达50%。因此将自然冷却技术引入到数据中心应用,可大幅降低制冷能耗。那么,自然冷却技术如何实现节能呢?下面为大家介绍空调系统节能技术解决方案,一起来看看吧!

  随着数据中心规模的不断扩大,服务器热密度的不断增大,数据中心的能耗在能源消耗中所占的比例不断增加。制冷系统在数据中心的能耗高达40%,而制冷系统中压缩机能耗的比例高达50%。因此将自然冷却技术引入到数据中心应用,可大幅降低制冷能耗。那么,自然冷却技术如何实现节能呢?下面为大家介绍空调系统节能技术解决方案,一起来看看吧!

  自然冷却技术根据应用冷源的方式有可以分为直接自然冷却和间接自然冷却。直接自然冷却又称为新风自然冷却,直接利用室外低温冷风,作为冷源,引入室内,为数据中心提供免费的冷量;间接自然冷却,利用水(乙二醇水溶液)为媒介,用水泵作为动力,利用水的循环,将数据中心的热量带出到室外侧。

  自然冷却技术科根据数据中心规模、所在地理位置、气候条件、周围环境、建筑结构等选择自然冷却方式。

  简易新风直接自然冷却系统主要由普通下送风室内机组和新风自然冷却节能风帽模块组成。节能风帽配置有外部空气过滤器,过滤器上应装配有压差开关,并可以传递信号至控制器,当过滤器发生阻塞时,开关会提示过滤器报警。该节能风帽应具备新风阀及回风阀,可比例调节风阀开度,调节新风比例。

  进入自然冷却运行模式的条件:主要根据室外温度及室内设定温度作为进入自然冷却模式的依据。ASHRAE TC 9.9- 2008建议数据机房温度范围18-27℃,可将机房温度设定为27℃,甚至更高些。设定的室内温度越高越利于空调机组能效的提高,利用室外新风自然冷却的时间也越长。

  在自然冷却可启动的温度范围内,如果自然冷却提供的冷量不能满足室内需求,机组将通过压缩机循环间歇性工作保证室内温度,此时系统运行模式为混合模式。

  室外新风风阀打开,排风阀打开,压缩机停止运行。室内所需的冷量,完全由新风提供。新风风阀及回风风阀的开度在0-100%范围内自动调整。

  为防止结霜,室外温度低于结霜温度时应停止室外新风直接自然冷却运行模式。因此,该系统应该设置一个停止自然冷却运行的一个下限温度。

  3 运行成本降低:压缩机能耗在制冷系统中的能耗约占50%,压缩机运行时间减少,能耗降低,运行成本降低;

  4 适用机型广泛:可使用于风冷、水冷、CW及双冷源等下送风型所有机组; 5 要求精密空调机组必须为EC风机,进一步降低机房空调能耗; 6 可以一组机组共享一个外部传感器,减少设备配置投资。

  新风直接自然冷却系统主要由室内机组,含新风阀、回风阀及防霜风阀的节能混风箱模块及排风口组成。

  直接自然冷却系统可以根据室外温度和机房热负荷的变化自动动态调节,设定的室内回风温度越高,利用室外新风自然冷却的时间越长,由机组的控制器来自动选择控制不同模式的运行(以室内回风温度设定为24℃为例)。

  当室外温度高于24℃时,机组运行方式为:压缩机运行+室内侧风循环 室内回风阀完全打开,排风阀关闭,新风阀关闭,此时通过压缩机运行,室内风循环来为机房提供冷量。

  当室外温度在18℃~24℃范围内时,机组运行方式为:压缩机运行+全新风 室内回风阀完全关闭,排风阀打开,新风阀打开,室外此时压缩机间歇运行,降低新风温度,为机房提供冷量。

  室外温度不高于18℃则系统可以启动自然冷却。此时压缩机不工作。室外新风风阀及排风风阀开启,依据室外温度最大可至全开。回风风阀依据需要的混合的风量调整至相应开度。此时节能效果最显著。

  在该模式下,当室外温度达到结霜温度时,防霜风阀开启,进入室内新风先与部分室内回风进行一次混合,将室外冷空气预热,然后再与室内回风进行二次混合,精确控制送风温度。

  3 自然冷却节能效果更佳:相对于间接自然冷却,新风自然冷却无需冷液作为媒介,无需水泵及室外风机的功耗,节能效果更佳显著。

  新风自然冷却系统应该在数据中心建设之前就考虑该方案,并围绕该制冷解决方案进行数据中心的选址、设计。

  选址及设计应考虑灰尘、烟雾、湿度范围、安全、楼层高度等因素。 以应用规模来讲,新风自然冷却系统适用于中大型以及超大型数据机房。

  环境空气质量和状况通常不允许使用直接自然冷却。污浊的空气需要高级别的过滤并且需要支付昂贵的过滤器维费用。并且冬季较低的相对湿度需要花费大量费用进行加湿处理。

  间接自然冷却可解决以上问题。间接自然冷却采用乙二醇水溶液作为较低环境空气温度下机房内空气与环境空气之间的传热介质,且无需直接将环境空气引入数据中心,因而可保持数据中心的空间的封闭。

  间接自然冷却将根据机房温度及室外温度控制各组件。控制器会分析环境空气温度以及机房实际与设计温度之间的差别,以优化机房空调机组组件,降低能耗,同时又仍保证室内条件。压缩机是制冷系统耗能最大的组件,间接自然冷却重要的任务是最大限度缩短压缩机的运行时间。

  机房空调间接自然冷却系统由室内机组,室外干冷器(或冷却塔)和水泵等组成。室内机组是在水冷型机组的蒸发盘管上面增加了一套自然冷却冷水盘管。室外温度较高时,压缩机制冷运转,冷却水在板式换热器内吸热,通过干冷器,(或冷却塔)散热,;在室外温度相对低时,水温达到一定要求时,控制水阀,让部分或全部冷水流经自然冷却冷水盘管,冷却室内部分或全部负荷。因为制冷剂循环独立于自然冷却水循环,所以该系统具有混合运行模式,即在使用自然冷却的同时,压缩机间歇性运行来保证制冷量的要求。这样一来提高了使用自然冷却的室外温度范围,产生更大的节能效果。

  该系统跟据室外温度和负载,有机房空调控制器自动进行模式切换,设定的室内回风温度越高利用室外新风自然冷却的时间越长,以室内回风温度设定为27℃为例,在室外气温低于24℃就可以启动自然制冷,进入混合模式运行。

  室外温度高于24℃时,自然冷却水阀关闭,冷凝器水阀开启,机组以压缩机模式运行,为机房提供冷量。该模式下制冷系统能耗最高。

  当室外温度在13℃至24℃范围内,机组在混合模式下运行。此模式,自然冷却盘管水阀开启,冷凝器水阀开启,压缩机循环间隙性工作,九龙心水论坛干冷器提供的冷水继续为机房提供部分冷量,此时耗电量约在压缩机满载运行时的42~90%之间。混合模式在全年中所占比例较大,可最大程度减少压缩机运行时间。

  室外温度低于12℃系统可以实现自然冷却。此模式下压缩机循环不工作。通过干冷器来制取冷冻水,为机房提供制冷量,此时节能效果最显著,耗电量是仅为压缩机模式下的21%~37%左右。

  2. 节能效果显著:在北方地区,全年可以节约40%的制冷能耗,在广州地区也可以节约12%以上的制冷能耗;

  3. 安装、设计更加灵活方便:采用水冷方式冷却,管道距离没有限制,干冷器可放在屋顶或地面均可,应用更加方便;

  5. 冗余配置更加经济:室内机组及干冷器采取N+1冗余配置即可,相对于冷水主机系统的1+1或N+1配置,冗余配置成本更低;

  风冷冷水机组+冷冻水型机房精密空调应用解决方案中,间接自然冷却主要体现在带自然冷却盘管的冷水主机上。风冷冷水主机利用自然冷却盘管承担部分或者全部室内热负荷。自然冷却盘管同冷凝盘管并排放置合用同一风机。过渡时期,当环境温度比冷冻水温度低时,可以启动自然冷却系统,自然冷却系统制冷量不足时,风冷冷冻水机组作为补偿冷源运行,从而降低机房能耗。过渡季节风冷冷水机组运行部分或者停止运行。

  冬季:当室外温度低于回水温度,差值到一定程度,风冷冷水机组压缩机可以停止运行,完全采用室外冷空气直接冷却循环冷冻水,对室内机房空调机组供冷。此时,仅有风机水泵的循环动力耗能,很大程度地达到节能的效果。

  当室外温度不满足系统自然冷却模式或混合模式运行条件时,制冷系统将启动冷水机组压缩机制冷运行,为数据中心提供冷源。此时冷水机组和普通冷水主机运行方式一致。

  此模式下压缩机按照负荷需求调节制冷量输出,自然冷却盘管提供的冷水继续为机房空调提供冷源,用来冷却部分机房热负荷。混合模式在全年中所占比例较大,混合模式可以最大程度上减少压缩机运行的时间或减少压缩机制冷输出比例,从而达到节能的目的。

  此模式下冷水机组压缩机循环不工作。冷凝风机开启,根据需求调节转速,水泵持续运行,乙二醇水溶液在自然冷却盘管中释放热量,温度降低,为室内侧精密空调提供冷源。室内侧精密空调,则按照智能备机管理模式运行,根据机房负荷调节EC风机转速及冷液流量。

  水冷冷水主机本身无法利用室外自然冷却节能,该系统的自然冷却主要通过系统集成来实现的:在冷却水与冷冻水之间增加换热器,在室外温度较低时,通过控制冷却水部分或全部流向新增换热器,直接利用低温冷却水冷却冷冻水,以减少压缩机的运转从而实现节能,在系统设计时需要注意冷却水低温防冻问题防止管路冻裂暴管。由于在系统级别上集成,设计方案及控制逻辑通常由设计单位设计,而设备由不同的厂家提供,控制程序由第三方提供,故需要充分考虑切换时的应急方案避免风险。

  当室外温度不满足系统自然冷却模式或混合模式运行条件时,制冷系统将启动冷水机组压缩机制冷运行,为数据中心提供冷源。按照负载需求,机组自动调节压缩机制冷量输出。 2.混合模式

  此模式下压缩机按照负荷需求调节制冷量输出,自然冷却换热器提供的冷水继续为机房空调提供冷源,为机房提供部分冷量。混合模式在全年中所占比例较大,混合模式可以最大程度上减少压缩机运行的时间或减少压缩机制冷输出比例,从而达到节能的目的。

  此模式下冷水机组压缩机不工作。冷却塔运行,风机根据需求调节转速,水泵(冷冻水泵及冷却水泵)持续运行,冷冻水在自然冷却换热器与冷却水交换热量,冷冻水温度降低,为室内侧精密空调提供冷源。室内侧精密空调,则按照智能备机管理模式运行,根据机房负荷需求调节EC风机转速及冷液流量。

  随着技术的发展,节能技术不断在机房空调系统中应用,包括各动态部件的节能选型、机组结构设计、控制节能等。

  风冷及水冷室内机组制冷系统主要由压缩机、膨胀阀、蒸发盘管及室内风机。为了实现机组节能运转,机组内各部件均件经过不同阶段的发展历程。

  压缩机型式从最早的活塞式、转子式、目前已经发展到高效涡旋式。机组容量的卸载方式由最初的启停控制、吸排旁通数码涡旋、交流变频无极调节至目前的高效直流无刷电机,将部分负载时的机组的COP值大大提升,目前高效EC涡旋式压缩机的部分负荷的COP值可高达6.2。

  对于机房空调专用风冷冷水机组,其压缩机多采用涡旋压缩机或螺杆式压缩机。采用涡旋压缩机的机组,可含多个压缩系统,一个压缩机构建一个系统或多个压缩机并联组成一个系统。制冷系统根据制冷需求,可阶梯式输出制冷量。对于采用螺杆压缩机的机组,可调节压缩机转速,无级调整制冷输出。

  室内风机也由最早交流电机皮带传动离心风机、交流直联外转子离心风机、EC离心风机、目前已经改进发展至航空级复合材料叶轮EC离心风机。

  改进航空级复合材料叶轮EC离心风机,叶轮直径更大,质量更轻。在获取同等风量的情况下转速更低,功耗也更低,而且由于质量更强,在启动及运转时,自身消耗的功率更低。该风机比最早交流电机皮带传动离心风机节能高达50%以上。

  在节流元件中,目前制冷系统中越来越多地使用电子膨胀阀,由于实时精确控制制冷剂流量,通常采用电子膨胀阀比采用热力膨胀阀的制冷系统节能8%左右。

  目前,机房空调主要采用的加湿方式为电极式加湿及远红外加湿。随着数据机房节能减排的进一步要求,新的加湿方式如超声波加湿、湿膜加湿等被考虑应用到数据机房。考虑到机房的安全性、产品成熟度及节能性,相信超声波加湿机在数据机房的应用将有广阔的前景。

  1)在有限空间内尽量增大换热器面积,以提高换热能力; 2)降低机组内风压损失,以降低风机功耗。

  下置地板下安装,将原来机组内风机占用的空间用来增大换热器面积 2)对于DX型下送风机组,可将回风口面积增大,风量保持不变的情况下,

  冷冻水室内机组由于无压缩机等制冷零部件,主要由两大部件组成:盘管及风机。机组的主要能耗在于风机功耗,而风机的功耗主要用于克服盘管及空气过滤器的阻力,为了实现节能运转就需要从降低盘管及空气过滤器的阻力着手。同样风量下,增大盘管的面积可降低盘管迎风风速,从而降低盘管阻力,实现节能运转。目前在冷冻水室内机组中采用下置式风机模块即是基于该项考虑。新型超大面积换热器,将风机模块安装在换热器模块的下面,更大的利用机组的内部空间。

  采用后背板设计,加深机组深度,增大机组回风口面,优化风道及制冷循环,提高机组能效,故可称为高效后背板。

  对于配置EC风机的冷冻水型空调,在配置备份机组情况下,完全可以改变传统的主备控制方式为主备智能管理方式,以达到进一步节能目的。

  假设机房空调配置为1主1备,则在传统备机模式下,1台机组运行,1台机组作为热备份,处于待机状态。机房所需的制冷量及风量有1台机组承担。

  而主备智能管理模式下,2台机组都处于运行状态,承担机房所需的总制冷量和风量,即每台机组承担机房1/2的风量及制冷量。

  若某一台机组出现故障,另外1台机组能自动提高风机转速,提高单台机组的制冷量和风量,直到达到机房所需的冷量和风量要求。

  所以该节能运行模式下,空调机组系统的可靠性和传统模式下1台机组运行和1台备用机组待机的可靠性一样。

  风机的输入功率与风机的转速成三次方关系,比如风机转速降低1/2,风机的输入功率降低到原来的1/8,即风机功耗降低了7/8,采用主动备用管理模式能耗大大降低。

  如:机房空调配置为1+1配置,则在主备智能管理模式下,每台空调风量为单台运行时风量的1/2,则空调转速降低至原来的1/2,能耗减少7/8。

  1)当室内温度达到设计值时,由控制器按比例控制,降低风机转速,这样可以减少风机功耗实现机组节能。

  2)当机组进入除湿运转时,机组减少气流,既可实现快速除湿,同时又可以降低除湿时风机功耗,实现机组节能。

  在数据中心里,理想的高架地板系统需要提供一个无障碍的风箱用作送风,这个风箱没有任何的泄漏。同时应尽可能地把动压转化为静压,建议考虑加入孔板。目前大量的数据中心现实使用情况中,采用下走线的高架地板下,各处静压非常不均匀,而高架地板气流配送量不足以满足IT 服务器机柜的气流需求,造成机柜上下温差,引起局部热点。同时,由于出风口地板不同的开孔率,高架地板漏风等因素而冷风气流不能匹配IT 机柜的气流。这种情况下,绝大多数的用户都会采用增加空调的方法来解决。据统计,一般数据中心的送风气流量和实际所需气流量配比在1.6~2.5 之间。

  压差管理系统能够很好的解决上述问题而不增加空调。通过安装压差传感器,可以确保地板保持均衡的压力,在均衡的压力下,通过正确的选型和机组参数调整,能够保证出风口地板出风量达到设计值,完美匹配IT 负载所需的风量。由于IT 负载的动态性,精密空调机组应能够调整制冷量从而动态匹配IT 负载热量,真正做到主动控制和动态制冷。

  通过平均分布在高架地板下的静压测量值(范围0~250Pa),静压值通过信号转换器和信号线传送到精密空调机组,精密空调机组的控制器应能够维持高架地板系统在设定的值范围,每套压差传感器连接于一台机组内。所有精密空调机组可以通过总线 压差控制管理应用优势

  冷水机组+冷冻水型机房精密空调,是现在数据中心中常见的制冷解决方案。冷水机组与冷冻水型机房空调都有着各自控制器,按照各自的参数运行。而两者作为一个系统,现在介绍通过两者的联动控制,提高冷水机组的出水温度,达到节能运行的目的。

  我们可以设置一个冷水机组节能控制的起始温度Tstart及停止温度Tstop(机房空调回风温度),根据实际回风温度Treturn与起始温度Tstart的差值Δt与起停温度间的梯度ΔT(ΔT=Tstop-Tstart)的比值,可以输出一个0-10V的模拟信号,用于控制调整冷水机组的冷冻水设定点。

  例如:我们在机房空调控制器上设置冷水机组节能控制的起始温度为24.3℃,梯度为1.4K(可调),即chillersaver功能停止温度为25.7℃。如果当前的回风温度为25.0℃,输出的模拟信号则为5.0V。冷水机组根据这个5.0V的信号设定出水温度。

  冷水机组出水温度提高1K,能效比可提高约3%,如果在保证供冷量满足需求的情况下,将冷冻水温度从7℃提高至10℃,甚至更高,冷水机组可节约9%以上的能耗;

  对冷冻水型机房空调的供水温度提高,有助于提高机房空调的显冷量,潜冷量的减少意味着除湿量的减少,减少了机房的湿负荷,减少了机房空调的加湿运行及其运行成本。机房工况也更加温度。

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  2019年第二十届中国国际建筑智能化峰会将于2019年10月30日至12月11日期间,分别在北京、上海、广州、深圳、杭州、武汉、成都、西安八大城市举行。本届峰会将聚焦“AIoT赋能建筑、人与空间”,届时将携手全球顶级智能化品牌,共同分享人工智能技术在城市、建筑与家庭中的最新应用,全面解读人工智能、物联网与智能化产业链的最新发展趋势。

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