應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的氟泵自然冷卻機(jī)組的模擬計(jì)算

韓小磊，涂淑平，李學(xué)章

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306）

1 引言

數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排一直是數(shù)據(jù)中心行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，根據(jù)國(guó)家能源中心頒布數(shù)據(jù)顯示，2015年數(shù)據(jù)機(jī)房能耗高達(dá)1000億kWh，且絕大數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE能效值比2.2大，與美國(guó)等有名的數(shù)據(jù)中心有較大的能耗差異。本文所介紹的氟泵自然冷卻系統(tǒng)能充分利用自然冷源來(lái)代替機(jī)械制冷以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 氟泵冷卻機(jī)組原理及設(shè)計(jì)

2.1 氟泵冷卻機(jī)組的原理

氟泵冷卻［1］－［4］裝置主要由儲(chǔ)液器、氟泵和管道閥組成。氟泵系統(tǒng)必須與專用的風(fēng)冷型空調(diào)配套使用?？照{(diào)系統(tǒng)包括壓縮式制冷循環(huán)和氟泵制冷循環(huán)，形成一個(gè)完整的全天候制冷系統(tǒng)。

氟泵自然冷卻系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。在室外溫度比較高的夏季時(shí)，機(jī)房的制冷系統(tǒng)為壓縮式制冷，在過(guò)渡時(shí)期或者冬季，室外的溫度低于設(shè)定值時(shí)，制冷模式切換到氟泵自然冷卻模式。氣態(tài)氟利昂氣體在室外空氣冷卻冷凝器冷卻變?yōu)榈蜏匾后w，通過(guò)泵壓將氟液輸至室內(nèi)蒸發(fā)器節(jié)流吸熱變成氣態(tài)，然后輸至室外空氣冷卻冷凝器再次液化成液態(tài)的氟利昂制冷劑，周而復(fù)始的重復(fù)上述的過(guò)程。因?yàn)榉玫碾姽β蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)的電功率，自然冷卻的能量效率大于壓縮機(jī)的能量效率，所以氟泵自然冷卻系統(tǒng)更能體現(xiàn)出節(jié)能的目的。

2.2 氟泵冷卻機(jī)組設(shè)計(jì)工況

已知氟泵冷卻機(jī)組的名義制冷量為40kW，其使用工況如表1所示：

表1 氟泵自然冷卻系統(tǒng)使用工況

圖2 流體溫度變化圖

以氟泵冷卻機(jī)組的使用工況作為其設(shè)計(jì)工況：

當(dāng)室外環(huán)境溫度設(shè)定在8℃，蒸發(fā)器的入口側(cè)的空氣溫度為32℃，蒸發(fā)器出風(fēng)口的空氣溫度為24℃，氟泵制冷劑的工作溫度為17℃，則室內(nèi)外空氣的溫度變化如圖2所示，泵的輸送效率η＝0.9。

2.3 氟泵冷卻機(jī)組設(shè)計(jì)方案

氟泵自然冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是壓縮機(jī)的機(jī)械式制冷與氟泵系統(tǒng)的復(fù)合技術(shù)，并且以降低制造成本、高可靠性、良好的調(diào)節(jié)性能和節(jié)能效果［5］為設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于數(shù)據(jù)中心的等級(jí)不同，服務(wù)器數(shù)量不同，所以其熱負(fù)荷不同，所以氟泵自然冷卻系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)具體的對(duì)象配置相應(yīng)數(shù)量的氟泵自然冷卻系統(tǒng)。同時(shí)模塊化的產(chǎn)品也便于以后規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，也會(huì)降低相應(yīng)的制造成本。

針對(duì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保［6］－［9］的要求，我們提出了空調(diào)設(shè)計(jì)方案具體如下：

氟泵自然冷卻空調(diào)有彼此獨(dú)立的機(jī)械式制冷單元和氟泵制冷單元，在換熱器之間通過(guò)電磁閥和氟泵的切換而組成，冷量由兩個(gè)單元直接提供，其控制方式為：當(dāng)室外側(cè)的溫度與室內(nèi)側(cè)的溫度的差值大于設(shè)定的溫度差值時(shí)，則數(shù)據(jù)中心的冷量由機(jī)械式制冷單元直接提供；當(dāng)室外側(cè)溫度與內(nèi)測(cè)溫度的差值小于或等于設(shè)定的差值時(shí)，氟泵系統(tǒng)開始工作，制冷量不足的部分由機(jī)械式制冷單元提供；當(dāng)室外測(cè)溫度繼續(xù)下降時(shí)。機(jī)械壓縮式制冷直接停止工作，所需的冷量單獨(dú)由氟泵系統(tǒng)提供。

3 以南通某數(shù)據(jù)中心進(jìn)行氟泵自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)全年模擬分析

為了進(jìn)一步研究氟泵自然冷卻系統(tǒng)的節(jié)能性，對(duì)40kW的氟泵自然冷卻空調(diào)進(jìn)行全年的運(yùn)行模擬能耗分析。

由于空調(diào)工作的過(guò)程是一直變化的，我們?yōu)榱撕?jiǎn)化模擬過(guò)程，假設(shè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的計(jì)算服務(wù)器全年滿負(fù)荷運(yùn)行，制冷量為40kW，室內(nèi)側(cè)換熱器的風(fēng)量滿足機(jī)房環(huán)境溫度的要求，室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)的功率Pifan＝1.2kW，室外側(cè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量隨環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)的功率為Pofan＝2kW；氟泵系統(tǒng)中所選用氟泵的體積流量為qh＝1.0m3／h，額定的功率Ppump＝0.4kW。我們根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和模擬分析結(jié)果綜合下設(shè)定氟泵系統(tǒng)的工作模式切換規(guī)則如下：

（1）當(dāng)室外溫度小于或等于8℃時(shí)，該系統(tǒng)為氟泵自然冷卻方式，壓縮機(jī)不工作；

（2）當(dāng)室外環(huán)境溫度介于8℃到21℃時(shí)，系統(tǒng)切換為復(fù)合循環(huán)模式，不足的冷量有制冷單元提供；

（3）當(dāng)室外環(huán)境溫度為21℃時(shí)，系統(tǒng)切換為壓縮制冷循環(huán)模式，氟泵停止工作。

針對(duì)以上3種工作模式劃分，采用下面的公式模擬計(jì)算空調(diào)模塊能耗：

（1）氟泵自然冷卻工作模式，機(jī)組的總的功率：

式中：

P1—氟泵自然冷卻模式時(shí)空調(diào)模塊的總功率，kW；

Pifan—室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)的功率，kW；

Pofan—氟泵系統(tǒng)室外側(cè)風(fēng)機(jī)的功率，kW。

氟泵自然冷卻模式全年總能耗：

式中：W1—氟泵自然冷卻模式全年總能耗，kW·h；t8—氟泵自然冷卻模式全年運(yùn)行時(shí)間，即全年室外環(huán)境溫度為8℃的時(shí)間，單位h。

（2）復(fù)合循環(huán)模式，氟泵自然冷卻模式滿負(fù)荷運(yùn)行，不足的冷量由壓縮式制冷來(lái)補(bǔ)充，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，我們先利用壓縮式制冷的COP估算其制冷功率。對(duì)于某一室外側(cè)環(huán)境溫度下，空調(diào)模塊的總的電功率如下：

式中：

P2i—當(dāng)室外側(cè)溫度為i℃時(shí)，空調(diào)模塊的總功率；kW；

Q0—空調(diào)模塊的制冷量；

Qhi—對(duì)應(yīng)室外側(cè)環(huán)境溫度 i℃時(shí)，根據(jù) EES模擬計(jì)算得到的氟泵自然冷卻滿負(fù)荷運(yùn)行所提供的制冷量，kW。

COP—壓縮式制冷的能效比，即制冷量與系統(tǒng)總的能耗的比值。此處取COP為3.4。

復(fù)合循環(huán)模式全年總能耗計(jì)算：

式中：

W2—復(fù)合循環(huán)模式的全年總能耗，kW·h；ti—室外側(cè)環(huán)境溫度i℃的全年時(shí)間，h。

（3）壓縮式制冷循環(huán)模式，此時(shí)空調(diào)模塊的總功率可表示為：

式中：

P3—壓縮式制冷循環(huán)時(shí)空調(diào)模塊總的功率，kW；

壓縮式制冷循環(huán)全年空調(diào)總能耗：

式中：

W3—壓縮式制冷循環(huán)模式全年總能耗，kW·h；

t22—壓縮式制冷循環(huán)模式全年運(yùn)行時(shí)間，即全年室外環(huán)境溫度高于21℃的時(shí)間，h。

（4）40kW氟泵自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行總能耗計(jì)算公式如下：

則氟泵自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行的綜合COP計(jì)算公式如下：

式中：COP′—氟泵自然冷卻系統(tǒng)全年綜合COP。

我們選取南通地區(qū)作為氟泵自然冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用地區(qū)，按照Dest軟件分析的標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)繪制的南通地域標(biāo)準(zhǔn)氣象年干球溫度年變化情況如圖3和4所示：

圖3 南通標(biāo)準(zhǔn)氣象年干球溫度曲線

圖4 南通地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年全年各級(jí)干球溫度分布圖

由圖3和4可以得出，室外側(cè)環(huán)境溫度低于8℃的干球溫度的時(shí)間大約有2075h，占全年運(yùn)行時(shí)間的23%以上；高于室外側(cè)環(huán)境干球溫度21℃的時(shí)間為3422h，占全年運(yùn)行時(shí)間數(shù)的39%。

表2表示的是氟泵自然冷卻全年運(yùn)行能耗模擬計(jì)算結(jié)果：

表2 40kW氟泵自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2模擬計(jì)算結(jié)果表明，40kW的氟泵自然冷卻系統(tǒng)的空調(diào)模塊全年運(yùn)行的總的能耗為67874.66kW·h，全年系統(tǒng)的綜合COP達(dá)到6.88。以壓縮式制冷模式的空調(diào)模塊能耗為基準(zhǔn)，可以模擬計(jì)算出氟泵自然冷卻模式和復(fù)合循環(huán)模式的總能耗分別為13%、33.1%和100%。當(dāng)室外側(cè)環(huán)境的溫度低于8℃時(shí)，氟泵自然冷卻模式能耗僅僅為壓縮式制冷模式的13%，可見(jiàn)節(jié)能效果十分顯著。同時(shí)增加復(fù)合制冷模式，有效的減少了能耗，充分利用了自然冷源，提高了機(jī)組的能效COP，當(dāng)室外環(huán)境溫度介于8℃到21℃時(shí)，復(fù)合循環(huán)制冷模式的能耗僅為壓縮式能耗的33.1%，節(jié)能效果也十分顯著。相比于壓縮式制冷模式的氟泵自然冷系統(tǒng)的全年運(yùn)行總能耗：

式中：

Wratio—氟泵自然冷卻系統(tǒng)空調(diào)總能耗的年能耗；

Wi—對(duì)應(yīng)工作模式的全年總能耗；

ti—對(duì)應(yīng)工作模式的全年運(yùn)行時(shí)間比例。

由上式計(jì)算可得：

因此氟泵自然冷卻系統(tǒng)的全年運(yùn)行總能耗僅為壓縮式制冷的54.4%，節(jié)能效果達(dá)到45.6%，節(jié)能效果十分明顯。

在研究復(fù)合循環(huán)模式的節(jié)能性時(shí)，我們利用上面同樣的方法。假設(shè)當(dāng)室外環(huán)境溫度小于8℃時(shí)，機(jī)組的工作模式為氟泵自然冷卻制冷模式，沒(méi)增設(shè)復(fù)合區(qū)，只有氟泵自然冷卻模式和壓縮式制冷模式，因此當(dāng)室外環(huán)境溫度高于8℃時(shí)，系統(tǒng)直接切換為壓縮式制冷循環(huán)模式。氟泵自然冷卻模式工作時(shí)間為2075h，壓縮式制冷模式增加到6685h。模擬計(jì)算的結(jié)果如表3所示。

表3 氟泵自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗模擬計(jì)算結(jié)果

與表2相比，引入復(fù)合區(qū)循環(huán)模式，可以很大程度上減少壓縮式制冷循環(huán)的時(shí)間，表格數(shù)據(jù)表明，時(shí)間減小了3263h，系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗下降了29.6%，全年綜合COP提高了29.5%，由此可見(jiàn)，引入復(fù)合循環(huán)模式充分利用了自然冷源，大幅提高了系統(tǒng)的綜合COP，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果表明：氟泵相比于常規(guī)的壓縮式制冷系統(tǒng)，氟泵自然冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果達(dá)到45.6%，綜合系統(tǒng)COP得到顯著的提高。在夏季時(shí)，可以有效的減少壓縮式制冷模式的運(yùn)行時(shí)間，數(shù)據(jù)表明，運(yùn)行時(shí)間減小了3263h，系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗下降了29.6%，全年綜合COP提高了29.5%。所以氟泵自然冷卻系統(tǒng)更具應(yīng)用性。

數(shù)據(jù)中心對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求嚴(yán)格，對(duì)氟泵系統(tǒng)的使用工況和環(huán)境也有一定的限制，所以還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究：

完善關(guān)鍵部位的可靠性實(shí)驗(yàn)，完成系統(tǒng)的集成，進(jìn)行制冷單元的整機(jī)性能和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，考察在不同工況下的性能，并與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析；

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)中心的技術(shù)需要，設(shè)計(jì)合理的能量調(diào)節(jié)和工作模式切換控制系統(tǒng)。

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