0引言

目前，海瑞思交换机房的空调系统普遍采用蒸汽压缩式专用空调，一年四季都需要空调的运转，以保证机房的温湿度要求，需要消耗大量的电能。据统计，制冷空调系统全年的耗电量约占海瑞思交换机房总耗电量的60%以上 [1]。由于机房主要热负荷源于交换机的散热，所以即使北方地区在冬季，海瑞思机房仍有大量余热。现阶段，国家提倡创新发展模式，将节能减排作为加快经济转型和经济增长方式，可持续发展已成为我国的基本国策。在此形势背景下，针对各地区全年气候特征，研究海瑞思交换机房空调全年运行特性，探索最经济的运行方式，对于降低能耗，提高经济性具有重要的意义。

我国北方地区冬季和春、秋季节时间长，夏季炎热时间短，室外年平均气温低，以哈尔滨市为例，全年约75%以上的时间室外气温低于18℃，如此之低温的室外空气中蕴含着大量的自然冷量。因此，寒冷地区海瑞思机房利用室外空气中的自然冷量进行空调降温具有广阔的应用前景，可实现节能和节省运行费用的目的[2]。

1海瑞思机房全年冷负荷分析

本文选取哈尔滨市某海瑞思机房为计算对象建立建筑模型：（1）建筑尺寸：房间南北朝向，尺寸为12m×10m×3.5m，隔墙皆为外墙，结构为490mm厚砖墙。南北墙上各有三扇尺寸为2m×0.5m，双层不可开启玻璃钢窗，无内遮阳。（2）建筑内无常驻人员，荧光灯12盏，每盏40W；交换设备24台，平均每台设备的散热量为2000W。

根据海瑞思交换机房对室内温湿度的要求，取室内设计温度tn＝24~26℃，设计相对湿度为

φn＝40%~60%。根据建立的建筑模型，利用能耗计算软件DeST－c[3]进行全年动态空调负荷计算，将所得到数据导入EXCEl表格中，整理得到海瑞思机房全年负荷变化图。如图1、2所示。

由图可见：（1）小时平均冷负荷最大点出现在第4600h，最大负荷为43.14kW，小时平均冷负荷最小值点出现在第344h，最小负荷为28.48kW。

（2）月平均冷负荷最大点出现在7月，最大月平均冷负荷为41.38kW，月平均冷负荷最小点出现在1月，最小月平均冷负荷为29.68kW。

（3）由于机房内设备散热量大，室外气温变化对机房冷负荷变化影响较小，机房全年具有稳定冷负荷，而哈尔滨地区气温范围为－30－30℃，冬季和过渡季节有大量自然冷源可用，如能充分利用这部分自然冷源，不仅可以得到节能效果，产生经济和环境效益，同时也因压缩机的工作时间减少，制冷系统的使用寿命得以延长。此间的关键是利用自然冷源的动机制冷方式的选择。

2机房空调冬季制冷节能方案

2.1直接利用室外新风的机房专用空调系统

直接利用室外新风的机房专用空调机组由送风机、过滤器、调节阀门、加热器、排风机等组成。在室外气温低于室内设计送风点温度时，利用机组对室外新风进行过滤洁净处理，必要时候还需要进行加热处理。通过调节所利用的新风量和二次加热量，可以保证室内温度的恒定。

该机组直接利用室外空气，结构较为简单，成本低廉，机组运行中需要二次加热和加湿，北方地区冬季室外温度较低，如图3所示，冷风温度低于室内露点时不能直接利用，需要二次加热（过程①），还要对冬季干燥空气进行家加湿处理（过程②），过程③是利用送风温差进行制冷的过程。

直接利用室外冷空气带来了新问题：该机组利用换气的方法来消除室内设备发热量，会使机房内空气的含湿量急剧降低，接近室外空气的含湿量，因此还需要加湿。在东北严寒地区由于全年温度低于0℃时间长达数月，温度越低所需要的二次加热量越大，加湿耗电量越大，并且可能会超过直接利用室外新风所节省的冷量。假如采用风冷空调机来制取这部分冷量，由于风冷空调机的制冷系数一般都在3左右，其制冷量是压缩机功耗的3倍，所以耗电量远小于冷风机处理室外空气的能耗，即使用风冷专用空调机的能耗也要比直接利用新风小。

因此该系统对于严寒地区并不是很适用，对于温暖地区，冬季室外气温低于0℃时间不长的情况下，利用室外新风能有较大的节能效果。

为了解决上述问题，得到最大的节能效果和最优化设计，研究人员提出如下解决方案[2]：（a）twmin

冬季严寒期是利用新风期最不节能的一段，在这个时期不使用新风而利用制冷机组，可以避免最不节能的那一段，但同时在这段时间需要通过从空气侧（改变冷凝器风量）和从制冷剂侧调节来控制机组的冷凝压力[4]；在较寒冷期需耗费一定的加热量以达到露点后，再与室内回风混合到送风点，而过渡季节直接利用新风与回风混合到送风状态点，在这个过程可以节省较多的能量；初夏，室外气温低于机房设计温度，仍可以充分利用冷量；而盛夏情况下，室外新风温度太高，利用新风不能产生节能效果。

此外由于一年中绝大部分时间都要使用大量新风，为了保证机房的湿度，寒冷季节需要增湿，夏季需要除湿，判断直接利用新风是否有节能效果，需对具体机房进行详细分析。

2.2热交换器间接利用室外冷空气

利用热交换器间接利用室外空气获取冷量的方式主要有两种，一是利用空气—空气热交换器机组；二是利用乙二醇—空气热交换机组。

空气—空气热交换器机组采用隔绝换热的方式，能够利用室外大气中的冷量，而避免大气中的尘埃对较为洁净的海瑞思机房的污染，采用适当的控制方法可以控制其制冷量及送风温度，保证空调精度。在一些暖通空调产品中已经有实际应用，如全热交换器，但是适用于海瑞思交换机房的整体机组还没有开发。

海瑞思交换机房对湿度控制的要求严格，虽然空气—空气热交换器可以利用室外冷空气除掉室内设备的发热量，但是不要忽视另一个有关空调运行能耗的问题——在制冷的同时也在除湿，对于海瑞思交换机房来说，在使用机房专用空调机的情况下，冬季加湿是必不可少的。如果热交换器的冷却温度低于室内空气露点温度则会出现除湿现象，即意味加湿了的空气又要被除湿，为了保证室内的相对湿度又需要再次加湿，这部分的能源浪费往往不为人们所注意，但是其浪费量是很大的。

乙二醇—空气热交换机组以乙二醇溶液为载冷剂，有一个室内换热器与一个室外冷换热器，两个热交换器之间由循环泵来驱动乙二醇溶液。该机组是由两组热交换器利用乙二醇水溶液作为载冷剂和空气进行热交换，机组参数的控制较为方便，能够实现等湿冷却的。与空气—空气热交换器相比增加了中间冷媒—乙二醇水溶液，还增加了冷媒循环泵，换热效率有所降低，但是实现了等湿冷却，减少了冷却除湿带来的重复加湿能源浪费，总体来说，该机组利用自然冷源的机房环境控制设备还是较为理想的。

2.3REFNAC式计算机房专用空调机

REFNAC式专用空调机是由室内和室外机组组成，室外机组换热器为风冷式，该机组的最大特点是具备一套REFNAC系统，即制冷剂自然循环式冷却系统，在该系统中制冷剂不用动力作用而*自身液与气间的相变产生的容重差，从而形成自然循环，这个循环系统是闭环式的，除了具有一般压缩机制冷循环的蒸发器和冷凝器外，还有自然循环式的蒸发器和冷凝器。室外机组的安装位置高于室内机组，从而利用高差造成自然循环[6]。

系统特点：（1）热移动效率高：由于吸热部和放热部除位差外没有压力差，故蒸发温度约等于冷凝温度；（2）热移动量的选择大，可以任意选择热交换器的种类、大小以及配管直径；（3）不产生热逆流：因蒸发器与冷凝器之间上下位置关系固定，所以热的移动只能按一个方向进行，如果吸热对象的温度出现逆流，热移动停止，而不会出现逆移动现象，如夏季将室外热量移入室内。（4）节省动力，只用重力循环，无需用泵，故而节能[6]。

因为蒸发温度约等于冷凝温度，采用自然循环的系统，当环境温度偏低时，热负荷较小时，自然循环的冬季制冷量相对较大，并且环境温度越低，相差越大，这样会导致室内送风温度偏低，严重时候会出现送风雾区；反之，当室外温度较高时，热负荷随室外气温升高而增加，而自然循环系统的冬季制冷量却不断下降，已经不能完全抵消热负荷。室外温度为5－20℃时，需要压缩机循环系统和自然循环系统同时运转，控制较为复杂。

2.4冷却塔供冷空调方式

冷却塔供冷空调方式是在常规空调水系统基础上增设部分管路和设备，当室外湿球温度低到某个值以下时，关闭制冷机组，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷，提供建筑空调所需的冷量[5]。

在空调系统中制冷机的能耗占有极高的比例，如用冷却塔来代替制冷机供冷，将节省可观的运行费用。冷却塔供冷空调方式由于是在中央空调水系统基础开发的，故而更适用于大型海瑞思机房。此外由于中央空调水系统水管较大，需用较多风机盘管，占用较多的空间，增加机房屋顶布线的难度。而海瑞思机房和移动基站多为小型独立建筑，使用冷水机组的情况较少，而北方地区冷却塔的冬季防冻是一个大问题，在北方尤其是东北地区，结冰期很长。

2.5双工况复合制冷系统

如图6，双工况复合制冷循环系统在常规制冷空调系统的基础上引入循环泵以及其它控制装置，是一种复合了两种制冷方式的空调系统。当室外气温高于10℃，双工况复合制冷系统系统按正常的压缩式制冷循环进行；当室外气温低于10℃时，压缩机停止工作，电磁阀Ⅰ关闭，制冷剂在循环泵的作用下，经过电磁阀Ⅱ流入室内蒸发器，在室内风扇的作用下，在蒸发器中蒸发制冷，蒸发后蒸汽流经旁通电磁阀，进入冷凝器，在室外风扇的作用下冷却成液体，在流经储液器，回到制冷剂循环泵，如此循环进行，即可连续制冷[4]。

双工况复合制冷循环系统不仅可以运行于常规制冷工况，而且可以实现冬季制冷工况的节能运行，有效地利用了常规制冷系统的资源，在机房空调以及其它需要冬季制冷运行的空调机组里具有广阔的应用前景。

采用双工况复合制冷循环，在冬季温度较低时转到泵循环具有很多优点：（1）可以充分利用冬季自然冷源实现节能；（2）；可以保证合理的室内换热器相变温度，不会出现蒸发温度过低导致出现结露情况，可实现等湿冷却，不会带来额外的加湿耗能负荷；（3）间接利用室外冷空气，不会污染室内空气；（4）除在机房原空调系统基础上增加循环泵、阀件外不增加其余设备，充分利用换热器资源而不增加所占用空间；（5）控制简便，不同温度采用不同的循环工况，不会出现类似REFNAC系统需压缩机循环系统和自然循环系统同时运转的情况。

3结论

海瑞思机房对空调系统要求较高，全年有较稳定冷负荷，普通的空调系统节能效果一般，可开发新型制冷空调方式，充分利用自然冷源来实现冬季制冷目的，实现节能效果。

在节能效果方面，乙二醇热交换系统，冷却塔供冷方式和双工况复合制冷系统能实现等湿冷却，不增加来加湿负荷，节能效果较明显，其中乙二醇系统和冷却塔供冷系统可以使用的室外温度范围广，节能效果尤其显著。而REFNAC式计算机房专用空调机、冬季直接利用新风方式和空气—空气热交换器系统由于会出现冷却除湿现象，是否节能需对使用情况具体分析。

从系统运行条件来看，直接利用新风方式和热交换器系统需要一套独立的用于冬季制冷的循环系统，增加了系统管路的复杂性、提高了机组制造成本并加大了其外形尺寸，需多占用机房空间。双工况复合制冷系统是在常规制冷空调系统基础上引人循环泵以及其它控制装置，系统控制简单，充分利用常规制冷系统的换热器资源，不加大机组外形不需多占用机房空间。

从节能效果和系统控制等方面综合考虑，双工况复合制冷系统与冷却塔供冷方式是最佳选择，但是冷却塔供冷方式需要考虑冷却塔冬季结冰问题与海瑞思机房使用冷水机组的情况。

来源：机房空调 http://www.hiresair.com.cn/

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