一、背景及需求

1.1背景

随着新一代信息技术快速发展，数据资源存储、计算和应用需求大幅提升。传统数据机房正加速与网络、云计算融合发展，加快向新型数据中心演进。但是传统数据机房资源紧张、装机能力有限，尤其空调系统存在着噪音过大、气流组织混乱、局部热点现象明显、空调室外机位置不够、效率低下等诸多问题^[2]。

1.2 需求及必要性

原有数据机房精密空调设备老旧以及数据机房扩容，原本配置已无法满足数据机房的制冷需求，局部热点现象明显，夏季经常出现高压告警、室外机集中放置造成散热不良、环保噪音限值，空调制冷系统无法保证正常运行供冷，极大降低了数据机房的安全性。传统精密空调设备能耗高，PUE值达到2.0以上，空调电费支出成本过高^[3]。

针对传统数据机房空调系统噪音超标、能耗过大等问题，对空调系统进行节能低碳改造，可以极大降低运行费用，减轻企业负担；推动各类数据机房绿色低碳化重构，绿色低碳运营，提高系统能效，进行空调节能改造已迫在眉睫。

二、技术方案

2.1 项目方案

2.1.1项目方案描述

基于机房现有的主设备分布情况、机房面积、建筑布局等现状，并综合考虑项目所在地的气候、水资源等因素，本项目采用带自然冷源水冷系统+热管空调末端的方案对机房原空调系统进行节能改造。总体而言，整个系统由冷源设备、冷量分配单元（CDU）和热管空调末端组成。热管空调末端布置在机房内，制冷系统工作时，机房设备排出的热风与热管内的工质在制冷末端处进行间接热交换后变成冷风排到室内环境。循环工质由于受热由液态变成气态，经气体管路将热量带到布置在机房外走廊上的CDU中，在CDU内与冷冻水进行间接热交换。循环工质受冷由气态变成液态，依靠自身重力沿制冷剂液体管路流回制冷末端完成一个完整的热力循环。CDU内的冷冻水是由布置在开放空间的冷源设备制取提供。冷源设备采用双冷源，在夏季及过渡季节，利用水冷冷水机组提供冷冻水（14℃）输送到CDU，为数据机房热管空调提供冷源，在冬季及过度季节时，当室外湿球温度低于6℃时，开启自然冷源运行模式，此时水冷冷水机组不启动。依靠冷却水塔制取的12℃冷却水通过板式换热器冷却冷冻水回水，提供14℃冷冻水。模式切换依靠自控系统进行实现。

2.1.2项目方案主要设备配置

2.1.2.1冷冻机房

根据现场勘察，目前机房风冷精密空调装机容量为1214kW。依据IT设备现场实测功耗，原机房风冷精密空调实际使用负荷以及建筑负荷，拟选用二台600kw一体化冷冻站。并向对应配置水泵以及冷却塔以及水处理设备。

2.1.2.2冷冻水管网

冷冻水经由冷冻站送出，经由屋顶走立管去往2-5层室外机设备平台，再由立管接出水平管到每层的CDU，水平管布置为环网形式。每个楼层水平管供水管上设置静态平衡阀，用于管路水力平衡。系统最高点设置自动排气阀，最低点设置排水阀。每层水平管均设置自动排气阀，利于排除水系统中混入气体，利于系统更稳定运行。

2.1.2.3热管空调

热管主要是以真空相变原理进行传热，工质液体在吸热端吸收热量蒸发为气体，通过气体管路进到CDU中冷却放热，凝结成液体后又经液体管路回流到吸热端。热管空调除了风机外无其它动力元件，传热效率高且热阻小，具有水不进机房、安全性高以及高效节能等特点^[6]。

2.1.3项目方案实施

改造空调系统与现有空调系统相互独立，空调系统实现N+N冗余备份，从而保证施工过程中不影响现有系统正常运行。改造空调系统由一体化冷冻站、CDU（水氟分配单元）、热管末端及管道阀门组成。一体化冷冻站布置在机房楼顶，楼顶布置承重钢构。CDU布置在机房室外机走廊，确保水不进机房。吊顶热管吊装在机柜通道内，优化气流组织，避免局部热点。经现场勘察部分送风管道占用空间，需要拆除。

三、实用性

3.1 可实施性

本项目采用热管空调，无需压缩机，单机功率极低，降低能耗；利用CDU水氟换热器，室内仅走铜管，完全消除水进机房的隐患；项目布置灵活，可实施性强，极大的优化的室内气流组织，解决局部热点问题。

3.2可推广性

对于小型机房如边缘计算机房、中小型数据机房，单机架功耗不超过15kW时，采用吊顶形式重力热管型双循环空调，封闭热通道，最大限度的提高空调回风温度，能够大大降低数据中心内的PUE值。此外重力热管型空调在部署上具有一定的柔性，颗粒度小、能够灵活调整、可以节约占地面积、安全可靠性高。

本项目采用的重力热管型双循环空调比原精密空调机组节能约38%，该系统节能率高，是值得在全国范围内广泛推广的技术。

四、商业分析

4.1项目应用经济效益：

4.1.1原空调系统能耗计算

原1-4楼空调系统总负荷为：1214（KW），开启率0.8，其平均用电功耗为：354.6（KW）；

则原空调系统用电量为：354.6×24×365=310.59万（KW.h）；

原空调系统年耗电费：310.59×0.73=226.73（万元）

4.1.2改造后水冷空调系统能耗计算

长沙市可利用年完全自由冷却时间为120天，水冷系统完全自由冷却时，主机停机，系统能耗共96.6KW。

则水冷空调系统用电量为：

296.6×24×245×0.7+96.6×24×120=156.36万（KW.h）。

水冷空调系统年电费为：

156.36×0.73=114.14万元

4.2产业联动效应

项目引入第三方专业公司，推行能源合同管理方案。由专业公司进行空调改造方案的设计、施工、投资、维护，按照空调节约的用电进行合作分成，减少运营商投资成本，有利于整个供应链的良性发展。

参考文献

[1] 陈飞虎，廖曙光.某电信机房热管节能改造能效分析[J].洁净与空调技术. 2023年1期:66-70

[2] 刘丽辉，陈飞虎，凌丽，廖曙光.东江湖数据中心自然水源+热管节能案例[J].洁净与空调技术. 2023年1期:96-101

[3] 王文华，陈林根，戈延林. 燃气轮机循环有限时间热力学研究新进展[J]. 海军工程大学学报. V01.4lNo.3 2012年9月

[4] 陈林根，孙丰瑞，陈文振. 热电制冷和泵热循环的有限时间热力学分析[J]. 工程热物理学报. 1994年01期

[5] 王辉涛，王华，高宏宇. 蒸汽压缩式热泵的有限时间热力学分析及优化[J]. 昆明理工大学学报(自然科学版). 2012年03期

作者简介：

第一作者 姓名：刘云花，（1987年），性别，女，硕士，主要研究方向：工程管理；高热密度建筑整体解决方案

通信作者 姓名：陈飞虎，（1982年），性别，男。学位，博士。职称，高级工程师。任职情况：研发总监。主要研究方向：热力系统仿真与优化。