溫度濕度獨(dú)立控制的空調(diào)方式是我國學(xué)者率先倡導(dǎo)、近年來在國內(nèi)外逐漸發(fā)展起來的一種全新的空調(diào)方式。早在辦公及其他行業(yè)開始應(yīng)用，并在集成電路行業(yè)已有成功應(yīng)用，不同于傳統(tǒng)的集中空調(diào)形式，溫度濕度獨(dú)立控制空調(diào)采用兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)分別對室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)控，這樣既可以使被控環(huán)境的溫度濕度同時(shí)滿足要求，又可以完全避免再熱，產(chǎn)生較大的節(jié)能效果。
1 溫度濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)
將干燥的新風(fēng)送入機(jī)房控制房間濕度，而由高溫冷源產(chǎn)生的12/18℃冷凍水送人室內(nèi)的干式機(jī)房空調(diào)機(jī)組，帶走機(jī)房熱量，溫度濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容就是處理顯熱的系統(tǒng)和處理濕度的系統(tǒng)分別設(shè)置。處理顯熱的裝置可以采用室內(nèi)干式空調(diào)機(jī)組循環(huán)實(shí)現(xiàn)，因供水溫度高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，因而不存在結(jié)露的危險(xiǎn)。濕度處理夏季采用獨(dú)立新風(fēng)機(jī)組控制機(jī)房濕度，冬季采用等焓加濕方式處理室內(nèi)濕度，同時(shí)可降低送風(fēng)溫度，承擔(dān)部分室內(nèi)熱負(fù)荷，如圖1所示：
▲圖1.溫度濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)空調(diào)焓濕圖
2 與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心采用機(jī)房專用恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組比較
常規(guī)恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組機(jī)房內(nèi)環(huán)境采用耦合的方式控制。恒溫恒濕空調(diào)除對空氣溫度進(jìn)行精密控制，同時(shí)還需要對空氣濕度進(jìn)行控制，機(jī)房空調(diào)本身又是小焓差大風(fēng)量設(shè)計(jì)，本身濕度控制能力較差，夏季，除濕必須將溫度降到露點(diǎn)以下，除濕后再通過電加熱進(jìn)行二級加熱，造成能量浪費(fèi)。冬季加濕耗費(fèi)大量電量的情況下，機(jī)組在制冷的同時(shí)會有冷凝水產(chǎn)生。如下圖所示：
▲圖2.常規(guī)恒溫恒濕機(jī)組焓濕圖
由圖中所示，室內(nèi)機(jī)既承擔(dān)機(jī)房內(nèi)的溫度也承擔(dān)機(jī)房內(nèi)濕度，勢必會造成冷熱抵消過程，見紅色過程線，以100KW的機(jī)組為例，最大冷熱抵消量為9kw。
3 溫度濕度獨(dú)立控制核心部件
溫度濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的三個(gè)核心組成部件分別為：高溫冷凍水裝置(出水溫度12℃及以上)、新風(fēng)處理機(jī)組(制備干燥新風(fēng))、去除顯熱的室內(nèi)末端裝置，下面分別介紹這幾個(gè)核心系統(tǒng)的形式。
3.1 高溫冷凍水系統(tǒng)
由于除濕的任務(wù)由處理潛熱的系統(tǒng)承擔(dān)，因而顯熱控制系統(tǒng)的冷水供水溫度由常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中的7℃提高到12℃左右。此溫度的冷水為天然冷源的使用提供了條件，如自然冷卻、地下水、土壤源換熱器等。在西北干燥地區(qū)，可以利用室外干燥空氣通過直接蒸發(fā)或間接蒸發(fā)的方法獲取12℃冷凍水。在北方冬季、過渡季節(jié)，即使沒有地下水等自然冷源可供利用，也可以利用冷卻塔直接冷卻獲取12℃冷凍水。由于供水溫度的提高，制冷機(jī)的性能系數(shù)也有明顯提高。
3.2 高溫冷水機(jī)組
在無法利用地下水等天然冷源或冬蓄夏取技術(shù)獲取冷水時(shí)，即采用電動制冷方式，由于要求的水溫高，制冷壓縮機(jī)需要的壓縮比很小，制冷機(jī)的性能系數(shù)也可以大幅度提高。如果將蒸發(fā)溫度從常規(guī)冷水機(jī)組的2~3℃提高到7~8℃，當(dāng)冷凝溫度為40℃時(shí)，卡諾制冷機(jī)的COP將從7.2~7.5提高到8.5~8.8。相同的冷量的情況下可以節(jié)約15%的電量。
3.3冷卻塔間接制冷
利用冷卻塔制冷，在理想狀況下，即各部件的換熱面積無限大、且各部件風(fēng)、水流量比滿足匹配時(shí)，出水溫度可無限接近進(jìn)風(fēng)的露點(diǎn)溫度。當(dāng)室外露點(diǎn)溫度低于12℃時(shí)即可進(jìn)行冷卻塔直接制冷，而實(shí)際情況，考慮到各部件的效率，冷凍水的穩(wěn)定性，實(shí)測冷水出水溫度高于室外濕球溫度5~7度時(shí)，冷卻塔冷卻水的溫度比較穩(wěn)定。由于冷卻塔產(chǎn)生冷量的過程，只需花費(fèi)風(fēng)、水間接和直接接觸換熱過程所需風(fēng)機(jī)和水泵的電耗，和常規(guī)電動壓縮制冷方式相比，不使用壓縮機(jī)，機(jī)組的性能系數(shù)COP(設(shè)備獲得冷量與風(fēng)機(jī)、水泵電耗的比值)很高。在北方大部分地區(qū)過渡季節(jié)、冬季以及在西北干燥的氣象條件下，實(shí)測機(jī)組COP約為15~30。室外空氣越干燥，濕球溫度越低，獲得冷水的溫度越低，間接蒸發(fā)冷水機(jī)組的COP越高。同時(shí)因采用高溫冷凍水系統(tǒng)，冷卻塔制冷的時(shí)間要比常規(guī)的7℃冷凍水系統(tǒng)長很多，同時(shí)延長了冷卻塔制冷的使用時(shí)間。
3.4濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)-干燥新風(fēng)的制備
機(jī)房內(nèi)人員比較少，機(jī)房內(nèi)部沒有濕負(fù)荷產(chǎn)生，機(jī)房環(huán)境濕度控制主要控制新風(fēng)濕度即可，處理機(jī)組的核心任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對新風(fēng)的降溫處理過程，常規(guī)的冷凍方式來實(shí)現(xiàn)，常規(guī)冷凍水新風(fēng)機(jī)組，直接膨脹冷新風(fēng)機(jī)組，熱泵驅(qū)動的溶液除濕新風(fēng)機(jī)組，間接蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組等新風(fēng)處理方式。
3.4.1 夏季除濕處理
在數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用溫度濕度獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)帶來了空氣濕度控制問題：
▲圖3.中國各城市夏季最濕月室外平均含濕量[2]
在分界線的上方，即中國的西北部地區(qū)，室外的新風(fēng)本來就是干燥的，可直接用來帶走房間濕負(fù)荷。此時(shí)新風(fēng)的處理過程就是等濕降溫，實(shí)現(xiàn)此功能的間接蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組已開發(fā)成功，并已應(yīng)用于十多個(gè)大型公共建筑中[2]。
而在分界線的下方，主要是中國的東南部地區(qū)，室外的空氣非常潮濕，要獲得干燥的新風(fēng)送風(fēng)就必須對新風(fēng)進(jìn)行除濕?？捎玫某凉穹绞剑簜鹘y(tǒng)的冷凝除濕、轉(zhuǎn)輪除濕和溶液除濕。
3.4.2 冬季加濕度處理設(shè)備
常規(guī)的機(jī)房恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組采用電熱、電極、紅外加濕系統(tǒng)，全部采用電加濕，用電量巨大，1kg水需要0.75kw的電量。機(jī)房內(nèi)常年有大量的熱源，采用等焓加濕，既能實(shí)現(xiàn)加濕，有能降低室內(nèi)溫度?，F(xiàn)階段專業(yè)的機(jī)房濕膜加濕機(jī)組已成功開發(fā)。專門用于機(jī)房冬季等焓加濕。
3.5核心部件：室內(nèi)末端裝置
溫度濕度獨(dú)立控制方式機(jī)房空調(diào)只承擔(dān)機(jī)房溫度控制，相對于常規(guī)的恒溫恒濕機(jī)組來說由于通入高于室內(nèi)露點(diǎn)的高溫冷水，因此不會出現(xiàn)冷凝結(jié)露現(xiàn)象，室內(nèi)末端裝置簡單很多，只是干式盤管機(jī)組，無需電加熱、電加濕、漏水報(bào)警、凝水盤、冷凝水系統(tǒng)等。由于通入冷水溫度升高，冷盤管表面和空氣之間的換熱溫差減少，冷盤管需要重新設(shè)計(jì)翅片和水路，提高盤管的換熱性能。若用原機(jī)組為干工況，冷量不能沿用原機(jī)組的樣本，需要對于干工況的冷量重新校核。同時(shí)盤管全部干工況運(yùn)行，風(fēng)阻力較濕工況小，風(fēng)量也需要校核。
4 工程案例分析
4.1 概況
本項(xiàng)目位于北京，在原有的建筑內(nèi)改造為機(jī)房，建筑共六層，機(jī)房在五層，規(guī)劃機(jī)房面積3000平方米;規(guī)劃機(jī)柜800個(gè);機(jī)柜用電30%為5KW，70%為3KW。屋面設(shè)置冷卻塔、冷水機(jī)組、水泵等。共規(guī)劃5個(gè)機(jī)房單元。機(jī)柜的實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率在50%~80%左右。
4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)
冷通道設(shè)計(jì)溫度為16~23℃，熱通道設(shè)計(jì)溫度為27~30℃。濕度為40~60%;新風(fēng)量取正壓風(fēng)量與人員新風(fēng)量的最大值。
4.3 冷源設(shè)計(jì)
高溫冷水機(jī)組三臺，兩用一備，每臺冷量為1500kw，設(shè)計(jì)水溫為12/18℃;
對應(yīng)冷凍水循環(huán)泵三臺N=30kw，380V@50Hz;冷卻水循環(huán)泵三臺N=37kw， 380V@50Hz;模塊式閉式冷卻塔三臺，單臺水量為450 m3/h，冷卻塔按照冬季運(yùn)行工況選型，夏季校核。獨(dú)立新風(fēng)機(jī)組一臺，風(fēng)量10000 m3/h;板式換熱機(jī)組兩臺，一用一備，一次側(cè)為11/15.5℃;二次側(cè)為12/18℃，換熱量為3000kw，增加冬季的使用時(shí)間。
4.4 室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)
新風(fēng)負(fù)荷由新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)，室內(nèi)空調(diào)機(jī)組承擔(dān)房間熱負(fù)荷，機(jī)房空調(diào)室內(nèi)機(jī)為潛熱工況運(yùn)行，機(jī)組冷量為100kw，風(fēng)量為16000m3/h，機(jī)組干工況運(yùn)行，冷凍水水溫為12/18℃，機(jī)組進(jìn)出風(fēng)溫度為30/16℃，機(jī)組無電加熱、電加濕、漏水報(bào)警等附屬配置。每個(gè)機(jī)房N+2配置室內(nèi)空調(diào)機(jī)組。
4.5投資與用電量分析分析
根據(jù)附表1，可以明確溫度濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的投資比常規(guī)恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)低。
根據(jù)附表2：可以明確溫度濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的用電量比常規(guī)恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的用電量低;即可明確運(yùn)行費(fèi)用降低。
表1：初投資對比表
表2：運(yùn)行用電量對比表
4.6運(yùn)行分析
本項(xiàng)目2012年3月份投入運(yùn)行，至今運(yùn)行1年，IT用電量達(dá)到了實(shí)際運(yùn)行量的65%，與一期的常規(guī)空調(diào)相比，冬季使用冷卻塔時(shí)間延長了42天，由2012年11月10日-2013年3月20日;合計(jì)100天;一期的常規(guī)空調(diào)冬季使用時(shí)間
由2012年12月15日-2013年2月20日，合計(jì)為63天;同時(shí)整體的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能15.7%;冬季冷機(jī)多使用37天節(jié)能5.6%;整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能21.3%。
5結(jié)論
5.1隨著IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國際上對于綠色數(shù)據(jù)中心的提倡，特別是綠色PUE的提出，對數(shù)據(jù)中心的投資、節(jié)能提出了很高的要求，同時(shí)服務(wù)器對環(huán)境的要求也越來越低，對于溫度濕度獨(dú)立控制提供了很好的需求。
5.2溫度濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用是可行的，全年系統(tǒng)節(jié)能20%以上。
5.3 溫度濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)必須配置冷熱通道隔離系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)房空調(diào)大焓差、大溫差送風(fēng)。
5.4 溫度濕度獨(dú)立控制配合高溫冷水機(jī)組，高溫顯熱空調(diào)末端設(shè)備統(tǒng)一使用，實(shí)現(xiàn)整體節(jié)能。
5.5 冷卻塔的冬季制冷時(shí)間延長是溫度濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)節(jié)能的很好體現(xiàn)。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多種冷源的共用。
5.6 獨(dú)立的新風(fēng)控制系統(tǒng)是需要的，機(jī)房環(huán)境需要保持機(jī)房內(nèi)部正壓，避免外部熱濕負(fù)荷對機(jī)房的影響。
5.7數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不必拘泥于某種特定的模式。本工程結(jié)合自身特點(diǎn)，以溫度濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)作為空調(diào)形式，配合高溫冷水機(jī)組、顯熱空調(diào)機(jī)組、冷卻塔制冷等多種新式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。
5.8 IT的規(guī)劃及運(yùn)行一般逐步投入使用，大部分空調(diào)設(shè)備在部分工況下運(yùn)行，采用變頻冷水機(jī)組、變頻水泵、EC風(fēng)機(jī)等也是數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能的很好方式。
