自然冷却换热技术在数据机房空调系统中的应用

自然冷却换热技术在数据机房空调系统中的应用

年嗣秀

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）

摘要：自然冷却换热技术在现代通信行业中具有广泛的应用，一方面可以维持数据机房中各个设备的正常运作；另一方面也可以大大提升数据机房空调的运行效率，为其创造一个良好的运行环境，并且实现空调系统的节能降耗也是当前能源利用的内在要求。据此本文就对自然冷却换热技术在数据机房空调系统中的应用进行了分析研究。

关键词：自然冷却换热技术；通信机房；空调系统

前言

随着网络的快速发展，需要存储设备越来越大的数据机房，数据安全稳定地运行是非常重要的事情，而数据机房的环境是提高通信设备运行可靠性的重要条件，对于环境的温湿度和洁净度等环境参数都有较高的要求。在数据运行的过程中，会产生大量的热量并且具有一定的稳定性，这种热量很少受到季节因素的干扰，即使在寒冷的冬季也会产生大量的热量，这就要求全年提供冷源，以保证机房内设备是处于正常运行状态的，可以使通信正常。

1自然冷却换热技术的可行性说明

本文通过某地的数据机房空调系统的实际运行为主来进行这方面的分析。该地处于寒冷地区，整个一年中大约有一半以上的时间，它的室外日均气温都是在25℃以下的，并且在15℃以下的时间就高达200天左右，占到了一年中总天的55.6%，如果能充分利用这部分天然冷源，节能就不言而喻了。只要这个自然条件达到一定的程度，通过空调设备，利用天然冷源为数据机房的空调系统提供冷源，就能保证通信机房的温度，保证机组的正常运行。简单来说，就是这种技术的降温作用是可行的，可以在通信机房中进行运用。

此外，按照国家在这方面的规定来看，通信机房的环境参数基本规定是：（1）AA级和A级别的机房温度是在21～25℃之间，B级别和C级别机房的温度是在18～28℃之间；（2）机房的相对湿度是在40%～70%之间为最佳，温度的变化率要低于5℃/h，并且不会出现结露现象；（3）灰尘粒子浓度如果是在18000粒/L以下的话，并且在直径大小方面，也是在0.5μm之上，那么对于直径在5μm以上的灰尘粒子来说，它的浓度就不能随意进行设置，就必须要将其保持在300粒/L以下。

2原理和节能效果

2.1原理

自然冷却换热技术在通信机房空调系统中的应用原理并不是很复杂，它是把换热技术和自然冷却通风技术融为一体的。由于机房中各个通信设备对工作的环境洁净度要求非常高，那么根据上述该地区的自然气候特征描述，可以采用间接换热的方式，也就是室外低温空气和室内空气进行间接的接触，利用换热器来间接的显热和换热，这样就可以充分利用外部的冷源来起到对机房热量的降低，从而减少通信机房空调系统的电能消耗，实现节能减排目的，具体的工作原理如下图所示：

换热器设备的显热效率η可以通过下式计算出，显热效率η属于是换热器换热性能优劣的一种表达，一旦通信机房中的温度趋于稳定时，室外的气温就成为了影响换热器显热效率η的关键因素。具体式子如下：

上述式子中，η表示的是换热器的显热效率；tw和tw’表示的分别是室外空气进入和排出显热换热器时的温度显示；而tN和tN’则分别表示的是室内空气进入和排出显热换热器时的温度；EER表示的是系统的能效比；GN和GW分别表示的是室内和室外空气质量的流量，Q’是系统的换热量；N1和N2分别表示的是室内和室外风机电机的功率值；Cp表示的是空气的比热。

2.2节能效益

首先，我们要先计算出通信机房的冷负荷，具体的计算公式如下即：

Q＝Q1+Q2+Q3+Q4

在上式表达式中，Q1表示的是围护结构自身所具有的冷负荷信息；Q2表示的是在通信机房中，各个运行设备的发热量很小，设备的发热量大小，不是很严重；而Q3表示的则是机房内部工作人员的散热量损失；最后Q4表示的是机房照明的散热量大小。

我们采用的是动态仿真模拟来进行计算的，这是因为室外温度的变化对于冷负荷以及换热器换热量会产生很大的影响。

其次，空调系统的运行能耗分析。空调系统运行的实际折算时间H可以由下式求出，进而再由两个公式得到空调系统的耗电量W，即：

3工程概况

某一通信机房的建筑面积是145m2，高度是3.5m，外墙只有东墙部分，同时设置有三面外窗，机房内的通信设备分布密度较大，设备的运行发热量是在552W/m2左右，在机房内部的设备结构上，总共有两台机房专用的空调设施，每一台的标准配置是制冷量是80.3kW，额定功率是26.81kw，采用的送风方式的地板送风，气流组织形式是顶回风。机房的室内环境控制温度是24℃，高温和低温两者之间差异显著，最明显的警示温度是28℃和14℃，环境中的相对湿度是55%±10%，机房以其自身的特殊性设计采用的换热器时结构较为紧凑的隔离型热管换热器。

3.1机房的冷负荷计算

机房中各种人员的参与很少，因此，本次计算忽略Q3因素，只针对Q1、Q2、Q4三者来分析，具体结果如下表：

依据上表中显示的数据信息，技术人员做最后的核算，检验数据的可靠性。通过计算得到数据信息后，可以选择分别设置两台型号参数不一致的热管换热器设备，它的基本属性信息如下：额定风量大小是1800m3/h，额定功率是8kw，换热量是45kw。

3.2性能测试

在机房的内外侧风系统的进入和排出口部位分别设置四个温度测试点，并以Pt100电热阻来对所产生的温度值进行逐一测量，在所有温度基本上处于一个稳定状态后再开始对这些所获得的温度数据进行采集和分析，进而找到其内在规律，绘制成图，如下图所示：

上图可知，热管换热显热效率并不是固定的，它会随着机房中内部温度的差异而有所变化，如果温差过大它就会有所降低，但是，并不是所有情况都如此，一旦机房内部的温度一直都处于稳定状态的话，它就会在室外侧温度的影响下而有所变化。按照国家出台的这方面文件规定，热管换热器在该地区的通信机房中应用是具有很高能效比的，可以达到节能环保的基本要求。

4结语

我国通信行业的快速发展，使得它的通信机房建设越来越高标准化。在现代通信行业的机房建设中，对于机房内部通信设备的运行热量降低是重要内容之一，自然冷却换热技术作为一种实用性很强的技术形式，通过实际工程案例的分析说明，它的实际应用效果是非常好的，可以大大降低机房内的设备运行热量，为其创造一个正常的运转环境，使得各个通信设备可以正常发挥作用。

参考文献：

[1]邹艳，武岩．通信机房空调系统利用自然冷却换热技术的节能研究[J]．四川建筑，2013（04）

[2]管勇，陈超，许磊．自然冷却换热技术应用于通信机房空调系统的实验研究[J]．建筑科学，2010（05）

[3]许磊，陈超，管勇．自然冷却换热技术在电信行业通信机房空调系统中的应用研究[J]．制冷与空调，2010（5）

[4]黄海峰．通讯节能创新技术层出不穷运营商选择重实效[J]．通信世界，2013（25）