地埋管换热在高效机房中的应用

地埋管换热在高效机房中的应用

陈红亮

途优环境能源科技（南京）有限公司  江苏省  南京市  210046

摘要：高效机房是近年来比较流行的制冷机房做法，也是比较客户认同和节能的新的制冷机房形式。目前主流的高效机房都会选择采用磁悬浮机组来作为制冷主机，原因在于磁悬浮机组在部分负荷下，其能效相当高，经分析得知，其能效高的原因是由于冷却水进水的降低。因此我们利用地埋管换热系统的特性，结合磁悬浮机组的性能变化，将两者完美的结合起来，可以大大提升高效机房的综合能效。本文将主要从冷却水进水温度的变化给磁悬浮机组COP带来的影响来论证地埋管换热系统对高效机房的能效提升作用。

关键字：高效机房、地埋管、磁悬浮、逼近度、热泵

1、引言

近年来，地源热泵在北方应用的如火如荼，其中浅层地热主要以地埋管换热方式为主，而高效机房作为一种综合能效较高的机房系统也在各行各业中广泛应用；经过对两种系统的深入研究，两者相互之间有很好的衔接点。高效机房中迫切需要冷却水温度的降低，地源热泵系统中迫切需要主机能效的提高，因此结合多年经验，推出地埋管换热系统与高效机房的有机结合，可以大大提升高效制冷机房的能效。

2、高效机房中磁悬浮的特性

高效机房是值机房综合能效大于等于5.0的机房系统，是值全年综合制冷量（kWh）与机房全年耗电量（kWh）的比值。其中机房全年耗电量主要包括冷水主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等用电设备。

因此高效机房中一般会全部或部分采用磁悬浮机组作为冷水机组，因为磁悬浮的综合能效比螺杆冷水机和离心冷水机都要高，其原因本文不做描述。

磁悬浮机组综合能效高或者说部分负荷下能效高，是由于磁悬浮其本身的特性和冷却水进水变化决定的。其中冷却水进水温度的变化对磁悬浮的影响很大，如下表为例：

表2.1 不同冷却水进水温度下磁悬浮机组COP的变化

3、地埋管换热系统的特性

地埋管换热系统是指浅层垂直埋管，目前常用埋管深度是150m深，埋管方式为双U埋管，管径为de32，材质一般选用聚乙烯PE管。孔间距4~6米。

其利用的主要特性就是地下土壤的冬暖夏凉特性，并切常年保持温度恒定。

在地表20m以下，地温趋于恒定，在北欧地区一般为10℃，在国内中部一般为15~18℃。

4、地埋管换热系统与磁悬浮的结合

常规高效机房中，冷却系统一般采用冷却塔来散热，并尽量降低冷却水的逼近度，目前常见的低逼近度一般是3℃左右。相比于普通机房的32℃/37℃工况，高效机房一般能做到30℃/35℃工况。其冷机的能效要比普通机房冷机的能效要高。

在30℃冷却水进水温度下，磁悬浮的主机COP在6.1~7.9之间，对应负荷率是100%到20%之间。

在25℃冷却水进水温度下，磁悬浮的主机COP在7.2~10之间，对应负荷率在100%到20%之间。

主机能效提升了约18~25%；其中在30%负荷下，提升的最大，为30%。

而如果在21℃冷却水进水温度下，磁悬浮的主机COP在8.32~12.07之间，对应负荷率在100%到20%之间。此时主机能效提升了36%到51%，其中在30%负荷时，提升的最大，为62.7%。

而地埋管系统在冬夏两用的情况，地埋管温度是可以保持恒定的，可以保持夏季冷却水进水温度稳定在21℃左右，夏季末端时会有略有升高。

因此利用地埋管换热系统搭配磁悬浮机组做高效机房会比常规的高效机房更加节能。

5、节能经济分析

以1600RT的磁悬浮机房为例进行节能经济分析，分析对比三种机房的不同能耗和费用，包括磁悬浮普通机房、磁悬浮高效机房、磁悬浮地埋管高效机房三种模式下的磁悬浮主机能耗、冷却水泵能耗、冷冻水泵能耗、冷却塔能耗等的汇总。

典型日逐时负荷如下表：

表5.1 典型日逐时负荷表

计算方法如下：

按照逐月逐时的负荷，计算每小时下主机的制冷量和对应的耗电量；

按照逐月逐时的负荷，计算对应流量下，变频水泵的耗电量；

按照逐月逐时的负荷，计算对应流量下，冷却塔的耗电量；

5.1、 磁悬浮普通机房能效分析

5.1.1磁悬浮普通机房配置如下：

1)磁悬浮离心机：制冷量800RT，数量2台

2)冷却塔：流量696m³/h；22kW，数量2组

3)冷却水泵：流量596m³/h；扬程25m；功率75kW；数量3台，两用一备

4)冷冻水泵：流量484m³/h；扬程25m；功率55kW；数量3台，两用一备

5.1.2 磁悬浮普通机房全年能耗表如下：

表5.1.3磁悬浮普通机房夏季能耗汇总表

5.2、磁悬浮高效机房能耗分析

5.2.1磁悬浮高效机房配表如下：

1)磁悬浮离心机：制冷量800RT，数量2台

2)冷却塔：流量870m³/h；30kW，数量2组

3)冷却水泵：流量596m³/h；扬程25m；功率75kW；数量3台，两用一备

4)冷冻水泵：流量484m³/h；扬程25m；功率55kW；数量3台，两用一备

磁悬浮高效机房与磁悬浮普通机房在设备选型上是有一些区别的，其中为了降低冷却塔逼近度，会把冷却塔适当的放大。

5.2.2 磁悬浮高效机房全年能耗表如下：

表5.2.2磁悬浮高效机房夏季能耗汇总表

5.3、磁悬浮地埋管高效机房能耗分析

5.3.1磁悬浮地埋管高效机房配置如下：

1)磁悬浮离心机：制冷量800RT，数量2台

2)地埋管换热器：双U埋管，150m深，数量883个

3)冷却水泵：流量596m³/h；扬程35m；功率90kW；数量3台，两用一备

4)冷冻水泵：流量484m³/h；扬程25m；功率55kW；数量3台，两用一备

磁悬浮地埋管高效机房取消了冷却塔，增加了地埋管，同时冷却水泵扬程增加，以满足地埋管循环系统。

5.3.2 磁悬浮地埋管高效机房全年能耗表如下：

表5.3.2磁悬浮地埋管高效机房夏季能耗汇总表

5.4、三种情况汇总分析如下：

表5.4.1 三种情况能耗分析汇总表

从上表可以看出，增加高效机房理念后，可以节约12%，增加地埋管换热后，可以节约27%；而如果与其他普通机房对比，节能效率往往在40%以上。

3、总结

在地源热泵与高效机房两个领域都快速发展的基础上，结合地源热泵地埋管的温度特性和高效机房中磁悬浮机组对冷却水温的需求，可以很好的把两者融合在一起，充分发挥两者各自的优势，从而提供机房的综合能效，同时也对热泵供热有较大的提升作用。

5、结束语

综上所述，在高效机房系统中，融入地埋管换热系统，或者部分融入地埋管换热系统，对高效机房的能效提升具有很大的价值，实际应用中衡量好增加投资和经济回收之间的平衡即可。

采用地埋管高效机房后，可以大大节约用电量，减少二氧化碳排放，对我国双碳战略目标的实现具有积极的推动意义。

参考文献

[1]、陆耀庆，《实用供热空调设计手册》，中国建筑工业出版社，2008年；

[2]、徐伟等，地源热泵系统工程技术规范，中国建筑工业出版社，2009年。

作者简介：陈红亮；男；1982年09月20日出生；中级职称；大学本科；途优环境能源科技（南京）有限公司研发总监；主要从事地源热泵系统在各领域的应用和高效机房的应用。

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