模块化机房空调的节能技术解析

随着数据中心的高速发展，机房创新节能也被提升到相当重要的位置，而其中的机房空调节能更是扮演着举足轻重的角色，高能效的机房空调也就愈来愈受到数据中心客户的欢迎。目前，行业内也陆续出现了能效比在3.0以上的风冷机房空调机组和能效比在25以上的冷冻水型机房空调机组，经过研究和对比，不难发现高能效机房空调机组的一个共性特征“模块化设计”。空调也可模块化吗？模块化真的高能效吗？来自北京海瑞思科技有限公司的技术专家为我们从系统和结构上深入研究了模块化机房空调的能效表现。

大家可能会问什么是“模块化机房空调”？和传统机房的空调的主要区别？如附图1所示模块化机房空调分为电控&器件模块、制冷模块，各制冷模块的结构和功能相同且相互独立。而传统的机房的空调结构形式大体可以分为两种：1、制冷模块1蒸发器和模块2蒸发器分别左右一个“V/A”放置，见附图2;2、“/”型盘管结构，特点是盘管为从左到右为一整片，而制冷系统1和系统2的布置又分为系统1/2上下布置及系统1/2里外叠放，见附图3。

首先介绍下能效比EER的概念，能效比等于总制冷量/总输入功率(EER=Qe/P)，总输入功率包含压缩机功率，室内机风机功率，室外机风机功率;那么提高EER可以分两个方向，提高制冷量和降低输入功率。由于模块化设计主要是机房空调室内机的模块化，所以本文只分析模块化机房室内机空调的节能，我们假定压缩机不变和室外冷凝温度不变(假定冷凝温度为48摄氏度)。那么按照这两个方向分析：

由于压缩机不变，从逆卡诺循环看，提高蒸发温度可以提高单位质量流量制冷量，同时提高蒸发温度会减小压缩机吸入口的比容，可以提高系统的制冷剂质量流量，二者叠加会有效的提高制冷量。但蒸发器温度的提高对压缩机的输入功率影响很小。所以提高蒸发温度提高制冷量的最有效手段。

减少总输入功率主要是压缩机功率和室内风机功率，由于压缩机的输入功率的最主要影响因素是冷凝温度，基于我们假定恒定冷凝温度，我们目标可以锁定在室内机的功率。

综上所述：理论上提高EER，针对室内机需要集中力量解决的是提高蒸发温度和降低室内机风机功率。提高蒸发温度需要增加蒸发器的换热：1.提高蒸发器面积(与占地面积矛盾);2.在维持风机功率不变或减少的基础上提高风量;3.提高蒸发器空气侧气流分配均匀性;4.提高蒸发器制冷剂分配均匀性。而要在维持风量不变或者提高的基础上降低室内风机功率：1.建立室内空调空气侧机内阻力(机内阻力包含过滤网阻力，盘管阻力，机内流道阻力);2.提高风机效率。

结合以上的理论分析，机房空调室内机模块化设计的节能优势就体现出来了。从附图1可以看到：

由于电控&制冷器件独立模块，单位占地面积蒸发器面积比“V/A”型可以提高5~10%，比“/”型可以提高10~15%左右。同时基本所有器件被安置在独立模块中，会导致整个机组的流道阻力会降低100Pa以上，也减少气流不均匀性的影响。

模块化上下送风空调的过滤网是贴合蒸发器放置，与传统的空调上送风过滤网门置和下送风顶置有着很大的区别，过滤网面积是传统的机房空调的2~2.5倍。大家都知道过滤网的空气阻力与迎面风速平方成正比，所以模块化空调的过滤网空气侧阻力可以从200~300Pa减少至60Pa左右(基于蒸发器的迎面风俗在2.2m/s)。由于过滤网贴合蒸发器放置，相当于使空气在进入蒸发器前天然增加一个均流器，进一步提高蒸发器的空气侧分配均匀性。

模块化的空调的蒸发器为前后“W/M”放置，每个制冷模块中包含一组“V/A”蒸发器，风机居中放置，“V/A”蒸发器中的两片换热器的空气侧完全对称，空气侧的风速分布完全均匀。再看附图2中，“V/A”型结构天然会导致前后两个系统的换热器空气分配不均，系统1和系统2的运行参数会不同。再看附图3“/”型的由于盘管会比较长，相对风机的最远端和最近端的差距太大，导致整个蒸发器的空气侧分配的不均匀性。模块化结构盘管的空气侧CFD分析附图5，两侧盘管风速及均匀性良好。

由于模块化结构天然空气侧分配均匀性以及过滤网的均流效果，加上分配毛细管的优化，各制冷模块的蒸发器各回路回气温度的差异在±2℃，这意味着制冷剂分配非常均匀。制冷剂侧分配可以进一步提高蒸发器温度以及系统稳定性，同时可以进一步提高空调的显热比。

模块化机房空调的较小空气侧阻力的特点，可以优化风机的工作点，在相同风量情况，大大的降低风机输出功率。以100kW空调为例，传统的机房空调风机输入功率为6.6kW左右，模块化机房空调的风机输入功率为5.0kW左右.

模块化机房空调的大蒸发器以及高制冷剂分配均匀性的特点，制冷系统的蒸发器温度在8.5~9.5℃，与传统机房空调的6.0~7.0℃相比是一个较大的跨越。

综上所述，采用先进的模块化结构设计理念，增加单位占地面积蒸发器面积，增加过滤网过滤面积，降低了机组空气阻力，提高制冷剂侧分配均匀性，提高了蒸发温度，从而提高制冷量，降低了风机功率，提高了空调的能效比EER。目前经过专业CFD模拟以及实机验证测试，普通风冷机房空调采用模块化节能设计后能效比可高达3.2以上，冷冻水型机房空调采用模块化节能设计后能效比可高达25以上。以上内容所含部分原理、技术、图片等信息为深圳市艾特网能有限公司技术专利及知识产权，未经许可不得转载和抄袭。