合同能源管理熱管節能改造研究

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摘要：隨著信息網絡的普及，信息機房內有局域網核心交換機、應用服務器、通信傳輸網等設備，服務器工作過程中發熱量較大，為保障機房內的設備穩定可靠運行，須采用外部系統進行降溫以保證其正常運行。如采用傳統精密空調，存在機房內機柜冷熱不均、裝機率受限等問題。針對機房內機柜冷熱不均、裝機率受限等問題，介紹了分布式熱管技術，提出采用合同能源管理的模式，對某地機房進行節能改造的方案。通過數據證明方案可行，投資風險小，節能效果及收益可觀。

關鍵詞：合同能源管理；分布式熱管；節能

1合同能源管理概述

合同能源管理是以節能項目減少能源費用支付項目成本的一種市場化運作節能機制和商業運作模式。主要包括節能效益分享型合同能源管理、節能量保證型合同能源管理、能源費用托管型合同能源管理、融資租賃型合同能源管理等類型[1]。合同能源管理實施流程主要包含項目節能診斷、節能改造方案設計、合同談判與簽署、項目投資、節能項目建設（包含設備采購、施工、安裝、調試）、項目驗收、節能效益產生及監測、節能效益分享等8個環節。實施流程如圖1所示。

2分布式熱管背板冷卻系統原理

熱管背板冷卻系統分為三個部分：一是室內熱管排熱機柜，熱管內部制冷劑由液態吸收服務器的熱量后蒸發變為氣態，從熱管背板頂部流出通過冷媒管道進入冷媒中間換熱單元；二是冷媒中間換熱單元，由制冷劑與冷卻水完成換熱，從熱管背板流入的氣態制冷劑在冷媒分配單元中被冷卻水冷卻成液態制冷劑，液態制冷劑流入熱管背板中，完成制冷劑的循環；三是室外冷源部分，為冷媒中間換熱單元提供穩定的冷卻水，冷卻水由高溫冷水機組和自然冷源模塊部分提供。分布式熱管排熱機柜運行流程如下：（1）機柜內IT設備風機和熱管背板末端風機產生吸引力，機房內循環空氣（冷空氣）通過機柜開孔前門進入機柜。（2）循環空氣（冷空氣）被運行IT設備加熱后溫度升高成為熱空氣后，排出IT設備。（3）熱空氣排出后，被吸入熱管背板末端，熱量被熱管背板末端中的液態制冷劑吸收，成為冷空氣后，被排出分布式熱管排熱機柜，進入機房環境中。（4）熱管背板末端中液態制冷劑吸收熱空氣熱量后氣化，在自身壓差作用下，被輸送至熱管冷凝器中間換熱單元，重新被冷卻成液態制冷劑，回流至熱管背板末端中。（5）排出分布式熱管排熱機柜冷空氣，在IT負載風機及背板風機的作用下，從前門機柜被吸入IT設備，完成空氣循環。

3分布式熱管背板冷卻系統節能改造應用實例

3.1實例現狀及設計方案。該機房位于蘭州市某辦公樓8層，機房長約24.6m、寬5.6m，面積約為140m2，層高3.9m，計劃安裝機柜30架。主要參數為單個背板功率0.059kW，冷凍水循環泵功率3kW，風冷冷水機組功率19.8kW，機房末端采用新型熱管排熱背板技術，安裝于每個機柜后門，與通信機柜緊密結合，冷卻機柜排風。3.2能耗對比。分布式熱管背板冷卻系統耗電主要包含室內末端熱管背板耗電、室外機風冷冷水機組耗電、冷凍水循環水泵耗電、風冷自然冷源模塊耗電。結合蘭州氣候條件，在室外溫度低于5℃時可充分利用室外的自然冷源條件為系統提供冷凍水。蘭州典型氣象參數如表1所示，運行模式如表2所示。室外干球溫度≤5℃時，自然冷源模塊單獨供冷：耗電量=（0.059kW×30+3kW+1.14kW×2×0.7）×3090h=1.97萬kWh；5℃＜室外干球溫度≤10℃時，自然冷卻模塊與風冷冷水機組聯合運行時：耗電量=（0.059kW×30+1.5×2kW+3kW）×1048h+19.8kW×1048h×0.2=1.15萬kWh；室外干球溫度＞10℃時，由風冷冷水機組提供冷量，風冷冷水機組提供100%冷量：耗電量=（0.059kW×30+19.8kW×2×0.75×1.1×0.75+3kW）×4622h=13.68萬kWh。經計算，分布式熱管冷卻系統全年耗電量為1.97+1.15+13.68=16.8萬kWh。3.3能耗分析。根據本機房負載及布局，若安裝空調系統需配置3臺（2用1備）60kW上出風型精密空調，耗電量包括室內送風風機全年運行，制冷壓縮機、室外風機根據負荷調節運行以及濕度調節消耗的電量。主要性能參數為總冷量63.5kW、顯冷量59.4kW、風量15480m³/h，室內風機功率5.25kW，壓縮機總功率19kW，室外風機功率1.7kW。根據前述服務器機房IT負載和精密空調相關參數，由下公式可計算得首層數據機房空調年耗電量：(+)()acfancmpfanEEEPPρβγT=+=+××××（1）式中：acE—精密空調總能耗（kW）；fanE—精密空調內風機能耗（kW）；cmpE—精密空調壓縮機與外風機能耗的和（kW）。計算公式：(+)cmpE=P×ρ×β×γ×8760（2）空調啟停系數一般取1.1~1.5，此處取1.3；空調全年調節系數取值0.8，運行率取值：0.722。根據機房空調運行情況及計算公式，計算內風機能耗9.198萬kWh，壓縮機+外風機能耗27.232萬kWh，空調總能耗36.43萬kWh。經對比，在利用分布式熱管冷卻系統為機房制冷年耗電量相比普通風冷型精密空調年耗電可節省19.63萬kWh，年節能率可達55.20%。

4合同能源管理模式應用分析

（1）建設投資。建設投資主要包括風冷冷水機組、自然冷源模塊、冷凍水循環水泵、恒濕機、分布式熱管排熱機柜、中間換熱單元（DCU）、配電柜、監控系統，總投資120.16萬元。（2）商業模式。采用合同能源管理節能效益分享，投資內容包括設備、安裝、運維等費用。合同期內，設備所有權歸投資方所有。合同期滿后，將設備資產無償移交給機房。（3）經濟效益分析。分布式熱管背板冷卻系統總投資120.16萬元，合同期限為15年，年節約電量預計為19.63萬kWh，15年共計節約電量294.45萬kWh，電費按一般工商業均價0.765元/kWh計算，預計的年節能效益為15.02萬元，投資回收期8年，15年預計年節能效益為225.28萬元。

5結語

目前，中國移動、電信、聯通已將分布式熱管背板冷卻系統作為新建數據中心的標準配置，如中國移動蘭州新區數據中心等均已采用。基于合同能源管理模式，可拓展融資渠道，降低投資風險，具有良好的示范性，節能率高，可穩定實現機房降溫，市場前景廣闊。

參考文獻

[1]DL/T1644—2016，電力企業合同能源管理技術導則[S].

[2]余躍.分布式熱管背板空調在通信機房中的應用研究[C]//中國移動通信集團設計院新技術論壇，2014.

[3]劉清，周健健，馮劍超.數據機房分布式熱管冷卻系統及其應用研究[J].智能建筑，2013（10）：44-46.

作者:彭晶1 韓為宏 韓永軍 王偉 單位:1.國網甘肅綜合能源服務有限公司 2.國網武威供電公司