換氣次數(shù)對機(jī)房利用自然冷源的影響

劉 彬， 張少凡

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京210094）

0 引言

隨著社會信息化、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)爆炸式增長，銀行、證券、保險等金融行業(yè)，醫(yī)療衛(wèi)生、交通運(yùn)輸?shù)却笮推髽I(yè)及政府機(jī)構(gòu)逐漸建立了不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心（DC，Data Center，簡稱機(jī)房）來完成樓宇自動化、信息的存儲和交換工作。機(jī)房由于其特殊性需要空調(diào)系統(tǒng)常年供冷，空調(diào)系統(tǒng)耗能量巨大，機(jī)房空調(diào)節(jié)能一直以來是人們所關(guān)心的問題。

1 機(jī)房空調(diào)的特點及能耗現(xiàn)狀

機(jī)房設(shè)備一般包括機(jī)房主設(shè)備、蓄電池組、空調(diào)系統(tǒng)及其他配套設(shè)備，這些設(shè)備往往被賦予重要的任務(wù)，需要7d×24h連續(xù)運(yùn)行，設(shè)備產(chǎn)生大量的熱量，隨著工藝水平的提高，電子設(shè)備的功能更強(qiáng)，運(yùn)行速度更快，設(shè)備體積更小，導(dǎo)致設(shè)備的散熱量大且集中[1]。此外，機(jī)房設(shè)備對室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ，Indoor Air Quality）有一定要求。其內(nèi)部溫濕度要求如表1所示[2]。

表1 機(jī)房環(huán)境的溫濕度、潔凈度要求

機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的耗電量在機(jī)房的總能耗中占的比例僅次于機(jī)房主設(shè)備的耗電，根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，機(jī)房內(nèi)各部分的能耗中空調(diào)設(shè)備耗電占到44%[3]，機(jī)房空調(diào)節(jié)能改造在機(jī)房節(jié)能改造中具有很大潛力。我國大部分地區(qū)室外溫度較低的冬季及過渡季節(jié)室外的大氣就是免費(fèi)的自然冷源，如果能夠有效利用室外的冷空氣對機(jī)房進(jìn)行冷卻，就可以關(guān)閉或者減少空調(diào)機(jī)組開啟的時間，將會節(jié)省一大筆電費(fèi)開支。

2 機(jī)房節(jié)能途徑及研究內(nèi)容

2.1 機(jī)房常見節(jié)能途徑

傳統(tǒng)的機(jī)房專用空調(diào)全年開啟，不能根據(jù)外部環(huán)境調(diào)節(jié)制冷模式，尤其是在室外溫度較低的冬季，機(jī)組仍然要承擔(dān)制冷任務(wù)。目前較常采用的機(jī)房空調(diào)節(jié)能方案有主機(jī)變頻節(jié)能、智能通風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)、智能換熱節(jié)能系統(tǒng)、相變材料節(jié)能系統(tǒng)等[4]。其中智能通風(fēng)節(jié)能和智能換熱節(jié)能因為充分利用室外“免費(fèi)”的自然冷源，受到了各界的廣泛關(guān)注[5]。

2.2 研究內(nèi)容及方法

以南京市某典型機(jī)房為例，建立DeST模型，通過改變冬季和過渡季節(jié)的通風(fēng)換氣次數(shù)，得到不同的節(jié)能效果，綜合考慮通風(fēng)的能耗可以得出最有利的通風(fēng)換氣次數(shù)。建立典型機(jī)房的三維模型，通過AirPak軟件模擬該通風(fēng)換氣次數(shù)下的室內(nèi)氣流組織，檢驗其合理性。

3 不同換氣次數(shù)冷卻效果模擬

3.1 DeST模型

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研所獲取的信息，建立典型機(jī)房的DeST模型如圖1所示。機(jī)房維護(hù)結(jié)構(gòu)材料和相關(guān)參數(shù)根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)設(shè)定，如表2中所示。由于機(jī)房內(nèi)除了定期的檢修之外，基本上沒有人員駐守，因此在模擬中不考慮人員熱擾。機(jī)房內(nèi)的溫濕度設(shè)定參數(shù)見表 3，室外空氣的參數(shù)為南京市典型氣象年的氣象年參數(shù)[6]。

圖1 典型機(jī)房的DeST簡化模型

表2 機(jī)房維護(hù)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù) W/m2·K

表3 機(jī)房室內(nèi)模擬參數(shù)設(shè)定

3.2 換氣次數(shù)設(shè)定

在房間通風(fēng)參數(shù)的設(shè)定上，軟件提供按照通風(fēng)范圍定義和按照逐時通風(fēng)定義兩種方式，按照通風(fēng)范圍定義是指分別定義最大和最小的通風(fēng)換氣次數(shù)，按照逐時通風(fēng)定義則要通過作息定義各個時刻的通風(fēng)換氣次數(shù)。模擬采用逐時通風(fēng)次數(shù)定義，即定義每個時刻的換氣次數(shù)[7]。

根據(jù)南京市典型氣象年數(shù)據(jù)中日平均干球溫度，如圖2所示，當(dāng)室外空氣溫度低于機(jī)房允許最高溫度10℃，即當(dāng)外溫低于15℃時開啟通風(fēng)，關(guān)閉機(jī)房專用空調(diào)，其余時間則只開啟空調(diào)。

圖2 南京市日平均干球溫度統(tǒng)計

根據(jù)上圖信息，機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)的開啟時間設(shè)定為4月10日至10月20日，其余時間只利用通風(fēng)。逐漸改變通風(fēng)的換氣次數(shù)，模擬得出機(jī)房內(nèi)溫度情況，根據(jù)機(jī)房環(huán)境溫度要求從而確定合適的通風(fēng)換氣次數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

通過模擬得出十一月份、一月份及通風(fēng)期機(jī)房平均溫度隨換氣次數(shù)變化的情況，以及機(jī)房在采用通風(fēng)冷卻期間日均溫度隨通風(fēng)換氣次數(shù)的變化如圖3和圖4所示。

從圖3看出，機(jī)房內(nèi)溫度隨著換氣次數(shù)的增加而降低，當(dāng)換氣次數(shù)較小時溫度降低的幅度較大，當(dāng)換氣次數(shù)大于50次/h時，再提高換氣次數(shù)對降低溫度影響不大。圖4顯示的是從10月21日至次年4月9日關(guān)閉機(jī)房空調(diào)只利用新風(fēng)，不同的換氣次數(shù)的日平均室溫的變化，發(fā)現(xiàn)在相同換氣次數(shù)時12、1和2月三個月份的溫度比其他月份的溫度相對較低，當(dāng)溫度達(dá)到要求時（換氣次數(shù)在25次/h左右），在其他月份的溫度會超出要求；而當(dāng) 11、3月溫度滿足要求時（換氣次數(shù)在35～40次/h左右），其他月份的溫度則可能會過低，甚至低于空氣露點，有結(jié)露的危險。因此在通風(fēng)換氣次數(shù)的確定時應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況做一些改變。

圖3 11月、1月及機(jī)房平均溫度隨不同換氣次數(shù)變化情況

圖4 通風(fēng)時不同換氣次數(shù)下機(jī)房內(nèi)日均溫度變化

針對上述現(xiàn)象，對換氣次數(shù)的設(shè)定做如下改變：10月21日至11月30日設(shè)為38次；12月1日至次年2月28日設(shè)為25次；3月1日至4月9日設(shè)為38次。采用該換氣策略后再進(jìn)行模擬得到結(jié)果如圖5所示。從圖5中看出機(jī)房內(nèi)溫度除了在換氣次數(shù)發(fā)生改變的幾天（臨界點）有較大波動外，其余時間都基本能維持在允許的溫度范圍內(nèi)，效果較為理想。

圖5 改變換氣策略后機(jī)房內(nèi)日均溫度變化

在冬季以及過渡季節(jié)采用通風(fēng)冷卻可以有效降低機(jī)房溫度在要求的范圍，由于只是開啟風(fēng)機(jī)，停用了專用空調(diào)器，大大降低了機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的耗電量。但是通風(fēng)換氣次數(shù)必須控制在一定范圍內(nèi)，風(fēng)量不足會導(dǎo)致無法將機(jī)房內(nèi)熱量及時散去，風(fēng)量過大則增大了通風(fēng)系統(tǒng)能耗。

4 機(jī)房通風(fēng)氣流組織模擬

換氣次數(shù)既意味著通風(fēng)量、送風(fēng)速度，目前機(jī)房氣流組織的相關(guān)研究表明，采用下送上回的冷卻效果要好于其他送風(fēng)方式，因此這里在上文得出的換氣次數(shù)的基礎(chǔ)上利用專業(yè)人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件Airpak對機(jī)房內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬，研究溫度、速度分布情況[8]。

4.1 AirPak模型、參數(shù)

建立三維模型如圖6所示，機(jī)房內(nèi)包括：空調(diào)器2臺，兩列機(jī)柜，PDU，送回風(fēng)口。模擬中不考慮人員舒適度，考慮機(jī)柜熱輻射，室外環(huán)境溫度設(shè)定為12.8℃，機(jī)房初始環(huán)境溫度設(shè)定為28℃，模擬采用理想氣體零方程模型。

圖6 機(jī)房AirPak模型

4.2 結(jié)果分析

模擬得到機(jī)房內(nèi)溫度、速度分布如圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12所示。從溫度分布圖看出設(shè)備溫度基本能夠控制在允許的范圍內(nèi)；而速度分布圖表明由于換氣次數(shù)較大，機(jī)房內(nèi)局部出現(xiàn)風(fēng)速偏高的現(xiàn)象，但是考慮帶機(jī)房為無人值守，且不影響設(shè)備的正常運(yùn)行。綜合模擬結(jié)果可知，該通風(fēng)冷卻策略可以滿足機(jī)房運(yùn)行要求，氣流組織相對較為滿意。

圖7 設(shè)備表面的溫度分布情況

圖8 溫度、速度圖例

圖9 x=4切面溫度分布

圖10 z=4切面溫度分布

圖11 z=3切面速度分布

圖12 –y方向速度分布

5 結(jié)語

通風(fēng)冷卻技術(shù)在滿足機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行所需要的溫度的前提下，利用低耗電的通風(fēng)機(jī)代替高耗電的空調(diào)系統(tǒng)，有效的起到節(jié)能效果。以南京地區(qū)某機(jī)房為例模擬的結(jié)果表明：在該地區(qū)，在冬季和過渡季節(jié)采用通風(fēng)代替空調(diào)為機(jī)房冷卻，掌握好通風(fēng)量及兩種方式的聯(lián)合控制[9]，既可以保證機(jī)房內(nèi)溫濕度的要求，還能大大減少空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時間，達(dá)到節(jié)能的效果。該模擬方法同樣適用于其他地區(qū)，但模擬有一定的局限性，建議時間和條件允許的情況下通過實驗進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

[1] 趙軍鋒,趙景召.電信機(jī)房規(guī)劃設(shè)計及綜合布線的分析[J].通信技術(shù),2010,43(12):171-173.

[2] 鮑玲玲.通信基站用空氣換熱器的研究[D].河北:河北工程大學(xué),2008.

[3] 張賀新,簡瑋愷,許新毅.精確送風(fēng)在通信機(jī)房節(jié)能改造的應(yīng)用[J].通信技術(shù),2012,45(04):105-107.

[4] 陳圣照,甘海峰.基站節(jié)能控制系統(tǒng)[J].郵電設(shè)計技術(shù),2005,48(02):30-32.

[5] 趙曉峰.自然冷源制冷在通信機(jī)房的應(yīng)用[J].電信技術(shù),2008(08):44-45.

[6] 芮冬梅,張予燕.南京市環(huán)境空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系分析[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊,2009,28(02):37-38.

[7] 江億.建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬方法——DeST[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006:267-277.

[8] 趙彬,李先庭,彥啟森.用零方程湍流模型模擬通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)的空氣流動[J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2001,41(10):109-113.

[9] 陳國明,夏冬.S3C4510B uClinux空調(diào)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信技術(shù),2010,43(03):118-120.