83種節(jié)能減排技術(shù)原理演示及說(shuō)明

摘 要

節(jié)能減排是國(guó)家大政方針，科普是我們的共同任務(wù)。隨著氣候變化的加劇，碳中和已成為全球共識(shí)，節(jié)能降碳成為社會(huì)所有行業(yè)的共同使命。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)需求和技術(shù)變革推動(dòng)我國(guó)數(shù)據(jù)中心飛速發(fā)展，受規(guī)模提升的影響，全國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量增長(zhǎng)率連續(xù)多年超過(guò) 12%，遠(yuǎn)高于其他用能行業(yè)，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗工作顯得尤為必要。在國(guó)家部委的政策引領(lǐng)下，在領(lǐng)頭企業(yè)的探索中，中國(guó)數(shù)據(jù)中心正在逐漸向規(guī)?；?、低能耗、綠色可持續(xù)發(fā)展的方向邁進(jìn)，數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作亦不斷取得新突破，這里對(duì)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行羅列和介紹，作為綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)維的參考。

一、電能效率提升

01 高壓輸配電

正常情況下，電廠發(fā)電機(jī)組輸出電源的額定電壓為3.15～20KV，進(jìn)行升壓到500KV以上電壓后進(jìn)行傳輸，可以減少線路能耗、電路壓降，在節(jié)能的同時(shí)也可以節(jié)約有色金屬，降低線路工程造價(jià)，如圖1所示。

圖1 高壓遠(yuǎn)距離輸電

02 非晶合金變壓器

在電壓變化過(guò)程中，變壓器存在空載損耗和負(fù)載損耗，其中空載損耗，不管有無(wú)負(fù)載，它一直存在。使用非晶合金材料制作的鐵芯，如圖2，可以大幅降低空載損耗，這種材料具有高的磁化率，非常優(yōu)異的導(dǎo)磁性能，降低了磁阻；另外這種材料電阻阻抗較高，而且非常薄，厚度為常規(guī)硅鋼片1/10，大大降低交變磁場(chǎng)的渦流損耗，可以比傳統(tǒng)的變壓器降低70-80%空載損耗，使用非晶合金可帶來(lái)較好的節(jié)能效果，如表3中，一臺(tái)S15 2000Kva變壓器比S9變壓器空載損耗要低2.05KW，可以給PLF帶來(lái)0.0012改善。

圖2 非晶合金變壓器

表3 非晶合金變壓器節(jié)能效果

03 -48V開關(guān)電源

傳統(tǒng)通信電源采用48V供電，可靠性高，可以采用高效模塊，模塊休眠等技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。但其本身缺點(diǎn)也非常明顯，輸出電壓低，輸送的電流大，線路損耗大，整體效率較低，只有83.8%，如圖4。

圖4 -48V供電系統(tǒng)效率

04高壓直流

為了降低損耗，可以提升直流供電電壓，如采用節(jié)能高效高壓直流技術(shù)，降低線路損耗和轉(zhuǎn)換損耗，從而提升整體系統(tǒng)效率，降低能耗，整體效率為92.19%，如圖5；高壓直流也可以采用智能休眠冗余技術(shù)，進(jìn)一步提升效率。

圖5 240V HVDC供電系統(tǒng)效率

05高頻模塊化UPS

數(shù)據(jù)中心建設(shè)，優(yōu)先使用節(jié)能高效高頻模塊化UPS，UPS主機(jī)效率高達(dá)95%，效率比工頻機(jī)有了大幅提升，系統(tǒng)效率最高達(dá)到了91.23%，如圖6所示。

圖6 高頻UPS效率

06一路市電/一路UPS

使用一路市電，一路UPS技術(shù)，可以讓系統(tǒng)效率達(dá)到93.63%, 相比兩路UPS供電，供電可靠性有一定的下降，但PLF可以帶來(lái)了0.024 的改善，如圖7所示。

圖7 一路市電/一路UPS效率

07一路市電/一路高壓直流

使用一路市電，一路HVDC技術(shù)，可以讓系統(tǒng)效率達(dá)到94.11%, 相比兩路UPS供電，PLF帶來(lái)了0.03 的改善，如圖8所示。

圖8 一路市電/一路HVDC效率

08中低壓一體化技術(shù)

中低壓一體化就是讓變壓器和低配貼近負(fù)荷中心，實(shí)現(xiàn)高壓輸配電，讓10KV深入到負(fù)荷中心，簡(jiǎn)化低壓配電架構(gòu)。最簡(jiǎn)單的方法就是直接將變壓器、低配和UPS拼裝在一起，縮短了配電距離，讓配電系統(tǒng)簡(jiǎn)潔高效，可以給PLF帶來(lái)0.01的改善，如圖9所示。

圖9 中低壓一體化技術(shù)

09巴拿馬電源

巴拿馬電源就是中低壓一體化技術(shù)的一種，只是UPS換成了高壓直流，通過(guò)整合，將低壓配電變成設(shè)備內(nèi)部，電源系統(tǒng)效率比傳統(tǒng)架構(gòu)可以提升1%，如圖10所示。

圖10 巴拿馬電源技術(shù)

巴拿馬電源主要由進(jìn)線柜、壓變柜、整流柜和輸出柜組成，如圖11所示

圖11 巴拿馬電源組成

10高壓油機(jī)

采用10KV高壓油機(jī)并機(jī)運(yùn)行，利于機(jī)組并機(jī)、負(fù)荷分配以及遠(yuǎn)距離 ，降低工程投資和運(yùn)行損耗，如圖12所示。

圖12 高壓油機(jī)并機(jī)系統(tǒng)

11電梯電能回饋

電梯電能回饋，就是將電梯剎車的熱能轉(zhuǎn)換成電能，也叫回饋制動(dòng)。在采用變頻調(diào)速的設(shè)備里，這部分電能一般是通過(guò)能耗制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)換為熱能浪費(fèi)了。能量回饋裝置使用的電力電子變換技術(shù)，將電梯在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的再生電能利用起來(lái)，并轉(zhuǎn)換為同步的交流電能回送到電網(wǎng)，起到節(jié)電的效果。當(dāng)電梯處于輕載上行和重載下行時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)市電跟蹤技術(shù)，把電能反饋回電網(wǎng)，如圖13所示，再生利用，從而有效節(jié)省電能。

圖13 電梯電能回饋原理

12照明節(jié)能

照明燈具優(yōu)先選用節(jié)能型LED光源，燈具控制方式采用相對(duì)集中、分散控制相結(jié)合，公共樓道等采用節(jié)能自熄開關(guān)控制，節(jié)約電能。

二、使用綠能

13水電

水電站是把位于高處的水體引向低處的水輪機(jī)來(lái)進(jìn)行發(fā)電，如圖14所示，將水能轉(zhuǎn)換成電能。由于水能來(lái)自河川等天然徑流，而河川天然徑流主要是由自然界氣、水循環(huán)形成，水的循環(huán)使水能可以再生循環(huán)使用，故水能稱為“再生能源”。

圖14 水電工作原理

14光伏電池

企業(yè)形象片是整合企業(yè)資源，統(tǒng)一企業(yè)形象，傳遞企業(yè)信息。它可以促進(jìn)受眾對(duì)企業(yè)的了解，增強(qiáng)信任感,從而帶來(lái)商機(jī)。

在太陽(yáng)光照射下，一些特定的半導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生自由電荷，這些自由電荷定向移動(dòng)和積累并產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，可以向外電路提供電流，如圖15所示，這種現(xiàn)象被稱為光生伏特效應(yīng)或光伏效應(yīng)。

圖15 光伏電池原理

太陽(yáng)能光伏電池可以模塊化制造，并根據(jù)需要組合成不同功率的電站，如圖16所示，通信基站通過(guò)光伏電池的不同組合，可以達(dá)到500W——10KW左右的輸出功率。

圖16 光伏系統(tǒng)組成

15風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是指把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能。風(fēng)能也是一種清潔無(wú)公害的可再生能源，利用風(fēng)力發(fā)電非常環(huán)保，且風(fēng)能蘊(yùn)量巨大，因此日益受到世界各國(guó)的重視，在運(yùn)營(yíng)商的基站里，光伏電池可以和風(fēng)力發(fā)電組成風(fēng)／光互補(bǔ)系統(tǒng)，如圖17所示，因?yàn)轱L(fēng)力資源和太陽(yáng)光資源具有較好的互補(bǔ)特性。沒有太陽(yáng)的時(shí)候經(jīng)常有風(fēng)，沒有風(fēng)的時(shí)候常常有太陽(yáng)，可以提高通信站點(diǎn)供電的可靠性。

圖17 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)

16太陽(yáng)能空調(diào)

太陽(yáng)能空調(diào)可以采用蒸氣噴射式制冷，是以噴射器代替壓縮機(jī)，以消耗熱能為代價(jià)，在噴射器的噴氣室形成低壓區(qū)，如圖18，利用工質(zhì)在低壓下氣化吸熱實(shí)現(xiàn)制冷。

圖18 噴射器形成低壓原理

太陽(yáng)能對(duì)加熱器進(jìn)行加熱，形成高溫高壓工作蒸汽，在噴射器噴嘴中絕熱膨脹，形成一股低壓高速氣流，從而將蒸發(fā)器里的低壓水蒸氣抽吸到噴射器中，形成低壓吸熱制冷，如圖19所示

圖19 太陽(yáng)能空調(diào)原理

17氫能

氫能作為公認(rèn)的清潔能源，作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。采用普通的電解技術(shù)，就可以將光伏、風(fēng)電等再生能源轉(zhuǎn)換成氫能進(jìn)行儲(chǔ)存，從而供給氫能源汽車和燃料電池使用，氫儲(chǔ)能技術(shù)，很好的解決了清潔能源的儲(chǔ)存問(wèn)題，可以說(shuō)氫能源是能源儲(chǔ)存的終極方式，目前我國(guó)已在氫能領(lǐng)域取得了多方面的進(jìn)展，有望成為氫能技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)先的國(guó)家之一。

水電解制氫是一種較為方便的制取氫氣的方法，在電解槽通上直流電，水分子在電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣，其中陰極附近產(chǎn)生氫氣，如圖20所示。

圖20 電解制氫原理

水電解制取的氫氣，經(jīng)過(guò)加壓，儲(chǔ)存在容量里，供給氫能源汽車和燃料電池使用，很好的解決了清潔能源的儲(chǔ)存問(wèn)題，如圖21所示。

圖21 水解制氫儲(chǔ)存使用過(guò)程

18核能

核能將原子核裂變釋放的核能轉(zhuǎn)換成熱能，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。用鈾制成的核燃料在“反?yīng)堆”的設(shè)備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)帶著發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，電就源源不斷地產(chǎn)生出來(lái)，并通過(guò)電網(wǎng)送到四面八方，核電站工作原理如圖22所示。

圖22 核電站工作原理

由于核能發(fā)電排放少，不會(huì)造成空氣污染；核能發(fā)電為無(wú)碳排放，溫室效應(yīng)不明顯；鈾燃料成本低，發(fā)電成本低，所以一定程度上也算是一種清潔能源。

三、儲(chǔ)能技術(shù)

19抽水蓄能

抽水蓄能電站利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，通過(guò)這種方式將其他電源(包括火電站、核電站和水電站)的多余電能，抽水至上水庫(kù)儲(chǔ)存起來(lái)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)發(fā)電的水電站。又稱蓄能式水電站。

當(dāng)電網(wǎng)用電量處于低谷值時(shí)，把多余的電能用來(lái)抽水，即把下游調(diào)節(jié)池中的水重新提到上游位置，以備再度發(fā)電充分利用水資源。這個(gè)過(guò)程是電能轉(zhuǎn)化機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能，如圖23所示。

圖23 抽水蓄能原理

儲(chǔ)能發(fā)電過(guò)程，當(dāng)電力高峰時(shí)，放水發(fā)電，水的勢(shì)能變成動(dòng)能，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再轉(zhuǎn)化成電能， 如圖24所示。

圖24 發(fā)電原理

20深井拉鐵

深井拉鐵儲(chǔ)能，也叫深井重物儲(chǔ)能，是重力儲(chǔ)能的一種，就是在深井內(nèi)，采用提升重物進(jìn)行能力儲(chǔ)存，在需要的時(shí)候，利用重物下降釋放能量來(lái)進(jìn)行發(fā)電。這個(gè)深井，可以現(xiàn)場(chǎng)挖掘，也可以尋找廢棄的礦井，但是需要一定的深度，一般在500米到幾千米的樣子，然后掛上幾千噸的重物，并垂到井底。

當(dāng)需要蓄能時(shí)，就利用富余的電能去驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將這個(gè)重物提升到地面，如圖25所示。

圖25 深井拉鐵儲(chǔ)能模式

需要發(fā)電時(shí)，就讓重物往下落，重物下落的過(guò)程，就可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)外發(fā)電，如圖26所示。深井拉鐵技術(shù)好比一枚巨大的儲(chǔ)能電池，顯然，這個(gè)深井越深，掛的重物重量越重，這枚電池的容量也就越大，能儲(chǔ)存的電量也越多。

圖26 深井拉鐵釋能模式

21飛輪蓄能

飛輪儲(chǔ)能是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)的一種方式。儲(chǔ)能時(shí)，利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)換為飛輪的動(dòng)能，如圖27所示；在需要能量的時(shí)候，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)減速運(yùn)行，將存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)，航母上的飛機(jī)電磁彈射系統(tǒng)用的就是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖27 飛輪儲(chǔ)能

釋能時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)電力轉(zhuǎn)換器輸出適用于負(fù)載的電流與電壓，完成機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過(guò)程，如圖28所示。

圖28 飛輪釋能

22壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣蓄能是利用電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)的多余電量，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將空氣壓入作為儲(chǔ)氣室的密閉大容量地下洞穴，也可以是報(bào)廢礦井、沉降的海底儲(chǔ)氣罐、山洞、過(guò)期油氣井或新建儲(chǔ)氣井，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)，將壓縮空氣經(jīng)換熱器與油或天然氣混合燃燒，導(dǎo)入輪氣機(jī)作功發(fā)電。

儲(chǔ)能模式，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，并將空氣高壓密封在，如圖29所示

圖29 儲(chǔ)能模式

在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，釋放壓縮空氣，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，如圖30所示

圖30 釋能模式

23液流電池

液流電池由電池單元、電解液、電解液存儲(chǔ)供給單元等部分構(gòu)成。液流電池的正極和負(fù)極電解質(zhì)溶液儲(chǔ)存于電池外部的儲(chǔ)罐中，通過(guò)泵和管路輸送到電池內(nèi)部，通過(guò)正、負(fù)極電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。

這里以全釩液流電池為例，釩化學(xué)性質(zhì)活躍，呈現(xiàn)多種價(jià)態(tài)，釩液流電池以釩離子的不同價(jià)態(tài)的溶液為電解液，使其在正負(fù)極板上發(fā)生可逆反應(yīng)，完成充電、放電和再充電過(guò)程。電池充電后，正極物質(zhì)為V5+離子溶液，負(fù)極為V2+離子溶液；電池放電后，正、負(fù)極分別為V4+和V3+離子溶液。

充電時(shí)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)活性物質(zhì)價(jià)態(tài)升高，負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)活性物質(zhì)價(jià)態(tài)降低，如圖31所示。

圖31 液流電池充電過(guò)程

液流電池放電時(shí)，正極活性物質(zhì)價(jià)態(tài)降低，負(fù)極活性物質(zhì)價(jià)態(tài)升高，液流電池釋放出它所儲(chǔ)存的能力，如圖32所示。

圖32 液流電池放電過(guò)程

24水蓄冷

數(shù)據(jù)中心為了防止冷源中斷，往往配置蓄冷罐，如果蓄冷罐夠大，或者熱負(fù)荷較小是，這時(shí)可以用它進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行，在尖峰電價(jià)時(shí)，利用蓄冷罐直接向末端釋放冷量，從而降低尖峰電量的使用，起到調(diào)峰作用，如圖33所示。

圖33 蓄冷罐放冷模式

當(dāng)谷電電價(jià)時(shí)，冷水機(jī)組向末端設(shè)備供冷的同時(shí)向蓄冷罐進(jìn)行蓄冷，如圖34所示。

圖34 蓄冷（充冷）模式

25冰蓄冷

冰蓄冷技術(shù)，就是在電力負(fù)荷較低的夜間，也就是用電低谷期的時(shí)候，采用電制冷機(jī)進(jìn)行制冰，將冷量以冰的方式儲(chǔ)存起來(lái)，夜間蓄冰模式（制冰工況）如圖35所示

圖35 冰蓄冷蓄冷模式

而在電力負(fù)荷較高的白天，也就是用電高峰的時(shí)期，再把儲(chǔ)存的冷量釋放出來(lái)，在滿足數(shù)據(jù)中心空調(diào)對(duì)冷量需要的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的“移峰填谷”，如圖36所示，通過(guò)峰谷電的差價(jià)，降低用電費(fèi)用。

圖36 冰蓄冷供冷模式

四、機(jī)房空調(diào)節(jié)能

26機(jī)房空調(diào)變頻

通過(guò)變頻技術(shù)，改變壓縮機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而改變壓縮機(jī)容量，如圖37所示，利用變頻器調(diào)節(jié)輸出頻率，對(duì)負(fù)載流量進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

圖37 壓縮機(jī)變頻技術(shù)原理

當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷要求高時(shí)，變頻壓縮機(jī)馬達(dá)頻率隨之增大，從而導(dǎo)致馬達(dá)轉(zhuǎn)速更快，吸排氣容量升高。當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷要求降低時(shí)，變頻壓縮機(jī)的頻率減小，容量降低，如圖38。

圖38 頻率改變對(duì)變頻壓縮機(jī)容量影響

變頻器應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的一種電力控制設(shè)備。通過(guò)壓縮機(jī)變頻，在部分負(fù)荷情況下，可以提升冷凝器和蒸發(fā)器效率，降低冷凝壓力，如圖39所示，節(jié)能率達(dá)10%-30%以上，配合EC風(fēng)機(jī)，可以給CLF帶來(lái)0.2的改善；壓縮機(jī)變頻，無(wú)頻繁啟停，對(duì)部件及控制電路無(wú)沖擊，機(jī)房溫度波動(dòng)小。

圖39 變頻節(jié)能原理

27氟泵技術(shù)

氟泵節(jié)能空調(diào)主要由氟泵、管路閥門等組成，氟泵節(jié)能空調(diào)分為雙氟泵機(jī)組和單系統(tǒng)氟泵機(jī)組，氟泵機(jī)組可以采用專用型機(jī)組或者改裝后的風(fēng)冷型機(jī)房空調(diào)機(jī)配套使用，組成兩套不同的制冷循環(huán)模式，即壓縮式制冷循環(huán)和氟泵制冷循環(huán)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，氟泵技術(shù)可以改善CLF高達(dá)0.3。

當(dāng)室外環(huán)境溫度較高時(shí)，如室外環(huán)境溫度>20℃時(shí)，氟泵開始?jí)嚎s機(jī)制冷模式，這時(shí)壓縮機(jī)正常運(yùn)行，氟泵停止工作，系統(tǒng)類似于一臺(tái)普通的機(jī)房空調(diào)，如圖40所示。

圖40 壓縮機(jī)工作模式

當(dāng)室外環(huán)境溫度較低，達(dá)到系統(tǒng)控制的設(shè)定點(diǎn)時(shí)，如室外環(huán)境溫度<10℃時(shí)，,這時(shí)壓縮機(jī)停止工作，氟泵啟動(dòng)，如圖41所示。蒸發(fā)器中與室內(nèi)空氣換熱后的制冷劑，直接進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器與室外冷源進(jìn)行換熱，冷卻成液態(tài)后的制冷劑在氟泵的作用下克服管阻回到蒸發(fā)器繼續(xù)換熱，達(dá)到節(jié)能效果。

圖41 氟泵模式（節(jié)能模式）

當(dāng)室外環(huán)境溫度略低時(shí)，如10℃<室外環(huán)境溫度<20℃時(shí)，這時(shí)系統(tǒng)處于混合模式，壓縮機(jī)和氟泵同時(shí)工作，如圖42所示。

圖42 混合制冷模式

28動(dòng)態(tài)雙冷源技術(shù)

動(dòng)態(tài)雙冷源技術(shù)在集中冷卻水冷卻+機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，疊加自然冷卻模塊（水盤管），可以進(jìn)一步降低空調(diào)能耗；采用閉塔冷卻+集中冷卻水+數(shù)碼渦旋技術(shù)+EC風(fēng)機(jī)等技術(shù)組合，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的方法，可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)制冷和自然冷卻的平穩(wěn)過(guò)渡，延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間，提升節(jié)能效率，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，某數(shù)據(jù)中心CLF從0.55減低到0.28， 節(jié)能明顯。雙冷源空調(diào)使用過(guò)程有三種工作模式：壓縮機(jī)模式如圖43所示。

圖43 壓縮機(jī)工作模式

自然冷卻模式如圖44所示。

圖44 自然冷卻模式

動(dòng)態(tài)雙冷源模式如圖45所示，在過(guò)渡季節(jié)，壓縮機(jī)完全作為自然冷卻冷量補(bǔ)充，壓縮機(jī)按照需求在20-100%之間調(diào)節(jié)輸出，數(shù)碼壓縮機(jī)和水盤管進(jìn)行完美匹配。

圖45 動(dòng)雙冷源模式

五、水冷冷凍水系統(tǒng)節(jié)能

29變頻機(jī)組

離心壓縮機(jī)靠電機(jī)通過(guò)增速齒輪帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力提高制冷劑氣體的速度，然后通過(guò)擴(kuò)壓室，并在其中完成動(dòng)能與壓力能的轉(zhuǎn)化。壓縮機(jī)的最大壓頭由壓縮機(jī)葉輪的最大線速度決定。對(duì)于制冷量較大的冷水機(jī)組，采用變頻技術(shù)，可以改善啟動(dòng)性能，防止機(jī)組在滿負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)扭矩過(guò)大并啟動(dòng)節(jié)能運(yùn)行目的，同時(shí)也增加機(jī)組的適應(yīng)能力，使機(jī)組的負(fù)荷能與系統(tǒng)用戶的負(fù)荷相匹配，避免頻繁的開啟機(jī)組，如圖46所示。

圖46 變頻離心機(jī)組

30中壓冷機(jī)

采用中壓冷機(jī)，一方面可以減少低壓冷機(jī)所用變壓器的損耗，另外一方面由于運(yùn)行電流小，大大降低運(yùn)行損耗，如圖47所示。

圖47 中壓冷機(jī)和低壓冷機(jī)比較

31磁懸浮冷機(jī)

磁懸浮就是依靠磁力，讓物體懸浮的一種技術(shù)。磁懸浮軸承先通過(guò)磁力，讓轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái)，再保證轉(zhuǎn)子處在中心位置工作，如果轉(zhuǎn)子往下偏離，就增加上部磁鐵的電流，減少下部磁鐵的電流；如果轉(zhuǎn)子向右偏離，就增加左邊磁鐵的電流，減少右邊磁鐵的電流，如圖48所示。

圖48 磁懸浮軸承原理

有了磁懸浮軸承，就可以制造磁懸浮壓縮機(jī)。磁懸浮壓縮機(jī)就是采用磁懸浮軸承技術(shù)的一種制冷壓縮機(jī)，它利用磁場(chǎng)原理，讓壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子工作時(shí)處于一種懸浮狀態(tài)，從而在旋轉(zhuǎn)時(shí)和機(jī)座不產(chǎn)生機(jī)械接觸，避免了機(jī)械磨擦，這給超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的離心制冷壓縮機(jī)帶來(lái)了很大的好處，磁懸浮壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖49所示。

圖49 磁懸浮壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

32板換+冷塔自然冷卻

當(dāng)冷卻水出水水溫較低時(shí)，可以直接使用自然冷源，如T冷塔出水≤ 12 ℃時(shí)，關(guān)停冷機(jī)，開啟板換，將自然冷源直接送到機(jī)房?jī)?nèi)。這種情況下板換承擔(dān)所有的負(fù)荷，如圖50。

圖50 板換模式

當(dāng)冷卻水水溫略為上升時(shí)，如 12 ℃≤T冷塔出水≤ 18℃時(shí)，冷凍水先進(jìn)板換，和冷卻水先進(jìn)行熱交換降低溫度，之后再在進(jìn)入冷機(jī)，由冷機(jī)將水溫冷卻到要求的溫度，這種條件下，板換的使用時(shí)間可以延長(zhǎng)，自然冷卻使用的時(shí)間可以增加如圖51。

圖51 聯(lián)合模式

33余熱回收

空調(diào)在制冷的同時(shí)，需要往室外排出熱量，這種熱量就是常說(shuō)的廢熱，不僅無(wú)用，而且會(huì)產(chǎn)生熱污染；在數(shù)據(jù)中心，冷凝產(chǎn)生的熱量是非常驚人的，如果這些冷凝熱能夠利用起來(lái)去制取熱水，就能變廢為寶，在免費(fèi)獲得熱水的同時(shí)，也可以降低空調(diào)的能耗。

只需要在冷凝器前增加一個(gè)熱交換器，或者直接選擇帶熱回收功能的機(jī)組，進(jìn)入熱回收裝置的冷水通過(guò)換熱器吸收壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑釋放的熱量，降低制冷劑溫度的同時(shí)變成45度～60度的熱水，供給機(jī)房的油機(jī)水套加熱，也可以作為辦公的生活用水，甚至可以作為養(yǎng)殖業(yè)的熱水供應(yīng)。系統(tǒng)原理如圖52所示。

圖52 冷凝熱回收系統(tǒng)圖

34地源熱泵

地源熱泵是一種以土壤、地下水或地表水作為低溫?zé)嵩吹囊环N供熱空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分：地源換熱系統(tǒng)、熱泵主機(jī)系統(tǒng)和末端系統(tǒng)。地源熱泵主要利用地能進(jìn)行冷熱交換，冬季從地能中取熱，夏季從低能中取冷，工作過(guò)程如圖53所示。

圖53 地源熱泵工作原理圖

五、自然冷卻

35新風(fēng)系統(tǒng)

直接利用室外冷空氣冷量，通過(guò)風(fēng)機(jī)將室外冷空氣過(guò)濾后直接引入到機(jī)房里，圖54，這種冷卻效率最高，適合在空氣質(zhì)量較好的情況下使用，圖55為常見的新風(fēng)機(jī)柜。

圖54新風(fēng)節(jié)能技術(shù)

圖55 新風(fēng)節(jié)能技術(shù)

36板換換熱技術(shù)

通過(guò)板換隔絕室外空氣進(jìn)行換熱，讓冷卻后的空氣送入機(jī)房，如圖56。由于室外空氣無(wú)法直接進(jìn)入機(jī)房，如圖57，空氣板換適合在空氣污染的環(huán)境下使用，冷卻效率要低于新風(fēng)系統(tǒng)，適合在有空氣污染，不適合安裝新風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境；當(dāng)室外氣溫較高時(shí)，需要機(jī)械制冷。

圖56 空氣板換冷卻設(shè)備示意圖

圖57 空氣板換結(jié)構(gòu)圖

37轉(zhuǎn)輪換熱技術(shù)（京都轉(zhuǎn)輪）

這是一種全熱交換技術(shù)，早期在日本東京都使用，所以也叫京都轉(zhuǎn)輪，它不僅可以交換熱量，還可以交換濕度，可以同時(shí)節(jié)約降溫和加/除濕能耗，降溫作用和板換換熱相似，通過(guò)轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)，讓室外空氣和室內(nèi)空氣在轉(zhuǎn)輪處進(jìn)行熱濕交換，原理如圖58，京都轉(zhuǎn)輪在數(shù)據(jù)機(jī)房應(yīng)用如圖59，這種方式冷卻效率較高，適合在有空氣污染、不適合安裝新風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境，轉(zhuǎn)輪工作示意圖如圖60；由于使用中有輕度的交叉污染，轉(zhuǎn)輪全熱交換和板換相比并沒有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖58 京都轉(zhuǎn)輪換熱工作原理

圖59 京都轉(zhuǎn)輪換熱數(shù)據(jù)機(jī)房應(yīng)用

圖60 京都轉(zhuǎn)輪示意圖

38直接蒸發(fā)節(jié)能技術(shù)

直接蒸發(fā)冷卻是使空氣和水直接接觸，通過(guò)水的蒸發(fā)后，空氣的溫度會(huì)下降，其特點(diǎn)是對(duì)空氣實(shí)現(xiàn)等焓加濕降溫過(guò)程，送風(fēng)降溫的極限溫度為進(jìn)風(fēng)的濕球溫度，如圖61所示。

圖61 直接蒸發(fā)原理

使用加濕后冷卻的空氣可以對(duì)機(jī)房進(jìn)行降溫。實(shí)際使用中，可以和新風(fēng)系統(tǒng)配合使用，當(dāng)室外溫度較低時(shí)，直接利用新風(fēng)降溫；當(dāng)室外溫度升高時(shí)，開啟加濕系統(tǒng)，水蒸發(fā)后空氣溫度降低后，再進(jìn)入機(jī)房冷卻，這樣可以延長(zhǎng)自然冷卻的時(shí)間和效率，適合在空氣質(zhì)量較好的情況下使用，如圖62；要注意的是蒸發(fā)過(guò)程會(huì)影響機(jī)房濕度。

圖62 直接蒸發(fā)技術(shù)

39間接蒸發(fā)節(jié)能技術(shù)

間接蒸發(fā)冷卻是指通過(guò)非直接接觸式換熱器，將直接蒸發(fā)冷卻得到的濕空氣的冷量傳遞給機(jī)房循環(huán)空氣，實(shí)現(xiàn)空氣等濕降溫的過(guò)程，如圖63，在這個(gè)過(guò)程中，二次空氣經(jīng)處理后其干球溫度和濕球溫度都下降了，而含濕量不變，對(duì)送風(fēng)氣流實(shí)現(xiàn)減焓等濕降溫過(guò)程，送風(fēng)降溫的極限溫度為進(jìn)風(fēng)的露球溫度。

圖63 間接蒸發(fā)原理

通過(guò)蒸發(fā)換熱器隔絕室外空氣，室外空氣無(wú)法直接進(jìn)入機(jī)房，適合在空氣污染的環(huán)境下使用，冷卻效率雖然低于直接蒸發(fā)技術(shù)，但是室外的污染物無(wú)法進(jìn)入機(jī)房，另外蒸發(fā)過(guò)程不影響機(jī)房濕度，制冷原理如圖64，間接蒸發(fā)的核心器件是蒸發(fā)模塊，如圖65，其氣流組織包含兩部分，分別為機(jī)房?jī)?nèi)氣流和室外氣流，如圖66。

圖64 間接蒸發(fā)制冷技術(shù)

圖65 間接蒸發(fā)模塊原理

圖66 間接蒸發(fā)模塊氣流

40雞窩氣流

部分?jǐn)?shù)據(jù)中心直接采用煙囪效應(yīng)，形成空氣自然對(duì)流，這種方式完全不用空調(diào)，通風(fēng)的錢也省了，節(jié)能很徹底，圖67所示，雅虎數(shù)據(jù)中心就采用了這種方案，使它成為世界上最節(jié)能的數(shù)據(jù)中心之一。采用煙囪效應(yīng)自然對(duì)流的數(shù)據(jù)中心，受到流速的影響，機(jī)柜功耗受到限制，所以也可以選用風(fēng)機(jī)，增加風(fēng)量，如圖68所示

圖67 煙囪效應(yīng)自然對(duì)流新風(fēng)冷卻

圖68 煙囪效應(yīng)+通風(fēng)機(jī)的新風(fēng)節(jié)能示意圖

41Roubaix 4 煙囪氣流

從自然冷卻的角度來(lái)說(shuō)，OVH數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的Roubaix 4 冷卻系統(tǒng)是最優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，它是一種完全的創(chuàng)新，直接把建筑物設(shè)計(jì)為一個(gè)大煙囪。該冷卻方式原理，通過(guò)服務(wù)器產(chǎn)生的熱空氣形成熱壓差，推動(dòng)機(jī)房氣流循環(huán)，利用煙囪效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)超低功耗自然通風(fēng)，如圖69。

圖69 OVH 采用自然通風(fēng)冷卻方式

OVH Roubaix 設(shè)施將立方體形狀的建筑物視為空氣處理器，外部空氣通過(guò)外墻上的百葉窗進(jìn)入機(jī)房，冷卻機(jī)架上服務(wù)器后形成熱空氣，通過(guò)機(jī)架后面的風(fēng)扇離開 IT 機(jī)房，排放天庭里。數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)了天庭，形成明顯的煙囪效應(yīng)，加快熱氣的排走，如圖70所示。

圖70 OVH 自然冷卻形成的煙囪效應(yīng)

據(jù) OVH 稱，Roubaix 4 冷卻系統(tǒng)是多年研發(fā)的結(jié)晶。自然冷卻效果非常棒，完全不使用空調(diào)，只使用通風(fēng)系統(tǒng)以及冷板式液冷，CLF=0.06。

42山洞氣流

比如鵝廠將蒸發(fā)冷卻技術(shù)和煙囪自然抽拔技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)建了山洞冷卻方式和獨(dú)特的氣流方式，如圖71所示:

圖71 鵝廠蒸發(fā)冷卻模塊和煙囪效應(yīng)相結(jié)合方式

43隧道氣流

富士康根據(jù)雞舍和鵝廠氣流的特點(diǎn)，把機(jī)房建在山體之間，也形成了自己獨(dú)特的冷卻方式，如圖72，圖73所示

圖72 隧道氣流示意圖

圖73 隧道氣流構(gòu)成

44湖水冷卻

如果采用湖水冷量，直接使用或者用板換把湖水冷量置換出來(lái)，確保24小時(shí)溫度恒定，圖74，某湖數(shù)據(jù)中心就采用了該方案。

圖74 湖水冷卻技術(shù)

45海水冷卻

如果采用是海水，就需要加裝板換，板換和管路必須耐海水腐蝕，海水通過(guò)板換進(jìn)行冷量交換給淡水，淡水送到數(shù)據(jù)中心，如圖75，谷歌數(shù)據(jù)中心就采用了類似方案。

圖75 海水冷卻技術(shù)

46海底冷卻

也可以直接把海底數(shù)據(jù)機(jī)房沉在海底，直接讓海水進(jìn)入換熱器冷卻服務(wù)器，圖76，微軟二代就采用了該方案。

圖76 海底直接冷卻

但是擔(dān)心管道會(huì)堵塞，海水也會(huì)腐蝕管道和換熱器，所以也有換熱器版本，通過(guò)換熱器，隔絕海水，圖77，某軟一代就采用了該方案。

圖77 海底間接冷卻

六、液冷技術(shù)

液冷技術(shù)，就是通過(guò)液體直接冷卻設(shè)備，液體將設(shè)備發(fā)熱元件產(chǎn)生熱量直接帶走；采用液冷，可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器等設(shè)備的自然散熱，相對(duì)于傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)，更為高效節(jié)能。按照液體與發(fā)熱器件的接觸方式，大致分為冷板式（間接接觸）、噴淋式和全浸沒式（直接接觸）

47冷板液冷

就是將液冷冷板固定在服務(wù)器的主要發(fā)熱器件上，依靠流經(jīng)冷板的液體將熱量帶走達(dá)到散熱的目的；冷板液冷解決了服務(wù)器里發(fā)熱量大的器件的散熱，其他發(fā)熱量小的器件還得依靠風(fēng)冷，所以采用冷板式液冷的服務(wù)器也稱為氣液雙通道服務(wù)器；冷板的液體不接觸被冷卻器件，中間采用導(dǎo)熱板傳熱，安全性高，圖78所示。

圖78 冷板式

48噴淋式液冷

就是在機(jī)箱頂部?jī)?chǔ)液和開孔，根據(jù)發(fā)熱體位置和發(fā)熱量大小不同，讓冷卻液對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行噴淋，達(dá)到設(shè)備冷卻的目的，圖79；噴淋的液體和被冷器件直接接觸，冷卻效率高；不利的是液體在噴淋過(guò)程中遇到高溫物體，會(huì)有飄逸和蒸發(fā)現(xiàn)象，霧滴和氣體沿機(jī)箱孔洞縫隙散發(fā)到機(jī)箱外面，造成機(jī)房環(huán)境清潔度下降或?qū)ζ渌O(shè)備造成影響。

圖79 噴淋式

49全浸沒液冷

全浸沒液冷是將服務(wù)器或者發(fā)熱元件直接浸沒在冷卻液中，依靠液體的流動(dòng)循環(huán)帶走服務(wù)器等設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。浸沒式液冷是典型的直接接觸型液冷。如圖80，浸沒式液冷由于發(fā)熱元件與冷卻液直接接觸，散熱效率更高，相對(duì)于冷板式和噴淋液冷，噪音更低，能解決單機(jī)柜15KW以上等高熱密度機(jī)柜的散熱問(wèn)題。

圖80 全浸沒式液冷系統(tǒng)

浸沒式分為兩相液冷和單相液冷，散熱方式可以采用干冷器和冷卻塔等形式；

兩相液冷：冷卻液在循環(huán)散熱過(guò)程中發(fā)生了相變，冷卻液帶走服務(wù)器熱量后發(fā)生相變氣化，氣態(tài)冷卻液被冷凝器冷凝重新變成液態(tài)回到液冷槽內(nèi)；冷卻液可以采用3M的電子冷卻液FC-72，F(xiàn)C-72的沸點(diǎn)為50℃以上，這種情況下，冷凝盤管中的水溫度不需要太低，采用干冷卻器就可以滿足換熱的要求，把熱量帶走，兩相液冷由于電子冷卻液發(fā)生了相變，所以傳熱效率很高，不利的是這個(gè)相變過(guò)程中，電子氟化液蒸發(fā)為氣態(tài)過(guò)程中會(huì)發(fā)生逃逸，所以對(duì)容器的密封性有一定的要求；但是又不能太密封，防止冷卻系統(tǒng)中斷出現(xiàn)爆缸事件，所以需要設(shè)置一定的安全設(shè)施。

圖81 相變液冷技術(shù)

單相液冷，冷卻液在循環(huán)散熱過(guò)程中始終維持液態(tài)，不發(fā)生相變。低溫冷卻液帶走服務(wù)器熱量后，溫度升高，升高的冷卻液進(jìn)入到板換重新冷卻完成循環(huán)；冷卻液可以選用沸點(diǎn)高達(dá)165℃的3M電子氟化液FC-40，由于服務(wù)器工作溫度一般不超過(guò)50℃，就可以實(shí)現(xiàn)單相液冷技術(shù)。單相液冷要求冷卻液的沸點(diǎn)較高，這樣冷卻液揮發(fā)流失控制相對(duì)簡(jiǎn)單，與IT設(shè)備的元器件兼容性比較好，不需要頻繁補(bǔ)充冷卻液；但相對(duì)于兩相液冷其效率較低，為了提升效率，一般需要采用冷卻塔散熱，如圖82所示。

圖82 單相液冷技術(shù)

目前全浸沒液冷已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段，圖83為全浸沒液冷集群。目前浙江的衢化也開始準(zhǔn)備電子氟化液的生產(chǎn)，相信不久的將來(lái)，電子氟化液價(jià)格會(huì)大幅度下降，全浸沒液冷的春天會(huì)真正的來(lái)臨。

圖83 全浸沒液冷集群

審核編輯 ：李倩