自然冷源及蒸發(fā)冷卻機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行能耗分析

崔華玉 李紅旗 羅宇辰

北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院

2013 年五部委聯(lián)合頒布的《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見(jiàn)》[1]和2017 年的《關(guān)于加強(qiáng)“十三五”信息通信業(yè)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》[2]將機(jī)房PUE（耗能有效性=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT 設(shè)備能耗）值限制在1.5 以下。目前針對(duì)與機(jī)房空調(diào)的節(jié)能問(wèn)題已開(kāi)展了大量的研究[3-5]，主要集中于自然冷源的利用、空調(diào)機(jī)組能效的提升等方面。本文將蒸發(fā)冷卻技術(shù)結(jié)合到自然冷源的應(yīng)用中，擴(kuò)大自然冷源應(yīng)用的溫度范圍、進(jìn)一步提升節(jié)能效果。基于機(jī)房的全年逐時(shí)負(fù)荷和室外逐時(shí)氣象參數(shù)，計(jì)算分析了不同空調(diào)方案、不同氣候分區(qū)下能耗狀況，對(duì)比了其節(jié)能效果并分析了氣象因素對(duì)能耗的影響。

1 空調(diào)方案

本文從自然冷源利用的角度出發(fā)，以最大限度利用自然冷源為原則，而為實(shí)現(xiàn)這一模式所引起和涉及的一些其它問(wèn)題和相應(yīng)的技術(shù)措施暫不詳細(xì)考慮，且研究假設(shè)機(jī)房?jī)?nèi)部氣流組織合理，機(jī)房建筑滿足設(shè)置相關(guān)空調(diào)機(jī)組的條件。

本文中共涉及四種制冷方案，方案一：新風(fēng)直接自然冷卻+精密空調(diào)。方案二：新風(fēng)間接自然冷卻+精密空調(diào)。方案三：新風(fēng)間接自然冷卻+間接蒸發(fā)冷卻+精密空調(diào)。方案四：傳統(tǒng)精密機(jī)房空調(diào)。

1.1 方案一

如圖1 所示，在采用新風(fēng)直接自然冷卻方案時(shí)，根據(jù)送回風(fēng)溫度，對(duì)室外狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分。

圖1 方案一運(yùn)行模式分區(qū)

區(qū)域Ⅰ中，新風(fēng)經(jīng)預(yù)熱后與回風(fēng)混合，經(jīng)過(guò)等焓除濕之后送入室內(nèi)。區(qū)域Ⅱ中，新風(fēng)直接與回風(fēng)混合，進(jìn)行等焓除濕再送入室內(nèi)，區(qū)域Ⅲ采用傳統(tǒng)精密空調(diào)制冷。該方案自然冷卻過(guò)程中，能耗主要由預(yù)熱功耗、除濕能耗、送風(fēng)機(jī)/排風(fēng)機(jī)功耗組成。

已知室外環(huán)境干/濕球溫度、含濕量、焓值、相對(duì)濕度，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的干球溫度，含濕量及回風(fēng)溫度?？筛鶕?jù)熱力學(xué)和傳熱學(xué)等相關(guān)公式計(jì)算能耗部件功耗。

1.2 方案二

該方案下包含三種運(yùn)行模式，當(dāng)室外環(huán)境溫度足夠低時(shí)，直接通過(guò)換熱原件用新風(fēng)對(duì)回風(fēng)進(jìn)行冷卻。當(dāng)直接利用回風(fēng)換熱后的送風(fēng)溫度不能滿足要求但又低于回風(fēng)溫度時(shí)，換熱元件與傳統(tǒng)空調(diào)同時(shí)運(yùn)行，傳統(tǒng)空調(diào)進(jìn)行冷量補(bǔ)充。否則，則采用傳統(tǒng)精密機(jī)房空調(diào)制冷。該方案自然冷卻過(guò)程中，能耗主要由室內(nèi)/外風(fēng)機(jī)功耗組成。

目前，為了控制送風(fēng)溫度的穩(wěn)定，換熱器的換熱效率通常通過(guò)風(fēng)量比進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而穩(wěn)定送風(fēng)溫度，因此，需要知道回風(fēng)側(cè)換熱效率與風(fēng)量比的關(guān)系，并為此設(shè)置修正系數(shù)，即換熱效率的變化量與風(fēng)量比變化量的比值。在室內(nèi)溫度和送風(fēng)溫度已知時(shí)，通過(guò)該系數(shù)可以計(jì)算出排風(fēng)機(jī)功耗。

1.3 方案三

該方案下包含四種運(yùn)行模式，當(dāng)室外環(huán)境溫度足夠低時(shí)，直接通過(guò)換熱原件用新風(fēng)對(duì)回風(fēng)進(jìn)行冷卻。當(dāng)直接利用新風(fēng)換熱的送風(fēng)溫度不能滿足要求時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)冷卻模式（換熱濕模式）。當(dāng)蒸發(fā)冷卻模式下的送風(fēng)溫度不能滿足要求但是低于回風(fēng)溫度時(shí)，利用傳統(tǒng)精密空調(diào)進(jìn)行補(bǔ)充。否則，則采用精密空調(diào)制冷。該方案自然冷卻過(guò)程中，能耗主要由室外側(cè)風(fēng)機(jī)、噴淋水泵、室內(nèi)送風(fēng)機(jī)的功耗組成。

同樣，王毅力[6]的研究指出，在換熱原件結(jié)構(gòu)固定的情況下，間接蒸發(fā)冷卻效率主要受到二/一次風(fēng)量比、風(fēng)速的影響，因此為了維持送風(fēng)溫度的穩(wěn)定，需要及時(shí)的調(diào)節(jié)室外側(cè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，為計(jì)算室外風(fēng)機(jī)功耗，需要知道蒸發(fā)冷卻效率隨室外/室內(nèi)側(cè)風(fēng)量比的變化規(guī)律，因此，該方案同樣設(shè)置修正系數(shù)。

1.4 方案四

全年采用單一的蒸汽壓縮式機(jī)房精密空調(diào)[7]。

2 全年能耗計(jì)算

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的建筑熱工分區(qū)，分別從氣候特點(diǎn)明顯的氣候分區(qū)中各選擇一個(gè)典型城市進(jìn)行分析，其中嚴(yán)寒地區(qū)-哈爾濱，寒冷地區(qū)-北京，夏熱冬冷地區(qū)-上海，夏熱冬暖地區(qū)-汕頭。

2.1 建筑設(shè)定

本文針對(duì)面積4000 m2的機(jī)房建筑進(jìn)行全年供冷能耗分析，并探究氣象因素對(duì)方案節(jié)能效果的影響。

樣本機(jī)房建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)要求滿足GB 50174《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50189《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求》。采用DEST 繪制建筑模型并計(jì)算建筑環(huán)境動(dòng)態(tài)負(fù)荷。在上述基礎(chǔ)上，設(shè)備負(fù)荷取1 kW/m2，燈光功率8 W/m2，機(jī)房無(wú)人員值守，機(jī)房?jī)?nèi)部無(wú)散濕源，機(jī)房總冷負(fù)荷由圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱與其他負(fù)荷疊加，并設(shè)置負(fù)荷修正系數(shù)[8]。

本文中的氣象參數(shù)來(lái)源于2005 年建筑工業(yè)出版社出版的《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》。

文中設(shè)定送風(fēng)溫度23 ℃，相對(duì)濕度50%，送回風(fēng)溫差10 ℃。

2.2 空調(diào)機(jī)組參數(shù)

精密空調(diào)機(jī)組數(shù)據(jù)如圖2 所示。隨著環(huán)境溫度的降低制冷量和COP 均逐漸升高最后趨于穩(wěn)定，對(duì)機(jī)組變工況參數(shù)進(jìn)行擬合，并根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝猸h(huán)境溫度，可計(jì)算機(jī)組開(kāi)機(jī)率及相應(yīng)功耗。

圖2 機(jī)組性能圖

間接自然冷卻換熱器換熱效率60%，換熱效率隨風(fēng)量比的修正系數(shù)0.335[9]。間接蒸發(fā)冷卻換熱器換熱效率70%，換熱效率隨風(fēng)量比的修正系數(shù)0.295[10]。送機(jī)和排風(fēng)機(jī)均為單機(jī)送風(fēng)量25000 m3/h，功耗10 kW，水氣比0.3，水泵單機(jī)流量30 m3/h，功率7.5 kW。

2.3 計(jì)算流程

按照空調(diào)方案，運(yùn)用Visual Basic 語(yǔ)言進(jìn)行編程，將自然冷源與精密空調(diào)匹配，并計(jì)算空調(diào)的制冷量和能耗，基本流程如圖3 所示。

圖3 計(jì)算流程

送風(fēng)量按下式計(jì)算：

式中：G1為送風(fēng)量，m3/h；Q 為機(jī)房總冷負(fù)荷，kW；ρ 為空氣的密度，kg/m3；cp為空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K)；tn為房間溫度，℃；to為送風(fēng)溫度，℃。

風(fēng)機(jī)功率按下式計(jì)算：

式中：P 為風(fēng)機(jī)實(shí)際功率，kW；Po為風(fēng)機(jī)的名義功率，kW；Go為風(fēng)機(jī)的名義風(fēng)量，m3/h；G 為風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量，m3/h。

采用電加熱預(yù)熱，耗電量近似等于預(yù)熱量：

式中：W1為室外新風(fēng)預(yù)熱功耗，kW；Gw為新風(fēng)量，m3/h；hw為室外空氣狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg；hw'為預(yù)熱狀態(tài)點(diǎn)空氣的焓值，kJ/kg。

根據(jù)送回風(fēng)溫度，室內(nèi)外新風(fēng)混合后的含濕量dc：

式中：ho為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的焓，kJ/kg；dw為室外狀態(tài)點(diǎn)含濕量，g/kg；do為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)含濕量，g/kg。

選用濕膜加濕器，加濕量耗能量0.02 kW/(kg·h)，加濕能耗為：

式中：W2為空氣所需加濕能耗；D 為空氣所需加濕量，g/kg。

對(duì)于方案二、三，風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式與式（2）相同，室外風(fēng)機(jī)風(fēng)量由修正系數(shù)ξ 和室外環(huán)境的參數(shù)共同來(lái)確定。

已知最佳風(fēng)量比λ 和對(duì)應(yīng)的熱交換效率η：

若為方案二，則

若為方案三，則

式中：G2為室外風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/h；η1為實(shí)際熱交換效率；th為回風(fēng)溫度，℃；to為送風(fēng)溫度，℃；tg為室外干球溫度，℃；ts為室外濕球溫度，℃。

3 結(jié)果及分析

3.1 氣象與建筑負(fù)荷

在上述建筑模型下，利用DeST 軟件進(jìn)行計(jì)算，位于哈爾濱，北京，上海和汕頭地區(qū)機(jī)房逐時(shí)冷負(fù)荷范圍依次為3951～4029 kW、3946～4046 kW、3963～4051 kW、3986～4052 kW，見(jiàn)圖4，顯然，機(jī)房需全年供冷，負(fù)荷受到室外氣象環(huán)境的影響產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)，但是影響低于2%的總負(fù)荷數(shù)值。

圖4 典型城市全年冷負(fù)荷分布

圖5 為典型城市的溫度分布示意圖，可以看出，自北向南四個(gè)城市，溫度分布集中度逐漸右移，年均氣溫逐漸提升，最大冷負(fù)荷值提升，夏季出現(xiàn)負(fù)荷峰值。

圖5 典型城市溫度分布

盡管室外氣象參數(shù)對(duì)機(jī)房負(fù)荷存在影響，但是影響效果較小，負(fù)荷大小主來(lái)取決于通信設(shè)備負(fù)荷。

3.2 運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)

圖6 為四個(gè)典型城市采用三種自然冷卻方案送風(fēng)溫度為23 ℃時(shí)的各模式運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

圖6 典型城市節(jié)能方案各模式運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)

在送風(fēng)溫度相同的情況下，對(duì)于相同的空調(diào)方案，完全自然冷卻的可用時(shí)長(zhǎng)受氣候因素的影響由北向南逐漸遞減。其中哈爾濱和北京三種方案可利用自然冷源時(shí)長(zhǎng)均達(dá)到全年時(shí)長(zhǎng)的50%以上。上海和汕頭稍顯遜色，其中不依靠精密空調(diào)制冷時(shí)長(zhǎng)分別只占到31.72%～48.12%、7.47%～27.63%。

對(duì)比三種節(jié)能空調(diào)方案，在不依靠精密空調(diào)制冷的情況下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，方案三＞方案一＞方案二，方案三可用時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)。其中，在四個(gè)典型城市中，方案三與方案二、方案一相比，全年可單一利用自然冷源時(shí)長(zhǎng)占比分別增加，哈爾濱地區(qū)為19.30%和13.94%。北京地區(qū)為21.00%和12.74%。上海地區(qū)為17.00%和13.85%。汕頭地區(qū)為21.60%和20.34%。其中汕頭提升幅度最大，但不依靠精密空調(diào)制冷的情況下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)仍最短。在上述基礎(chǔ)上，由于方案二、三存在著混合制冷模式，因此總的可利用自然冷源時(shí)長(zhǎng)，方案二、三更為突出。

3.3 節(jié)能效果分析

上述模型下，分別計(jì)算了四種空調(diào)方案的全年運(yùn)行結(jié)果（表1），表中，全年能耗為采用對(duì)應(yīng)空調(diào)方案下為維持機(jī)房環(huán)境溫度所需要的能耗。綜合能效為機(jī)房建筑全年所需制冷量與全年能耗的比值。節(jié)能率為實(shí)際空調(diào)方案與傳統(tǒng)方案（方案四）相比，全年能耗減少量與方案四全年能耗的比值。四個(gè)典型城市在采用方案四時(shí)，自北向南隨著城市氣溫的提升，全年能耗出現(xiàn)了提升的趨勢(shì)，綜合上述冷負(fù)荷和機(jī)組數(shù)據(jù)，其原因包括隨著室外環(huán)境溫度的升高，機(jī)房全年冷負(fù)荷的增加，且空調(diào)機(jī)組能效下降，最終導(dǎo)致總能耗增加。

表1 典型城市不同運(yùn)行方案的全年能耗，綜合能效及節(jié)能率

與方案四相比，四個(gè)城市在采用節(jié)能方案時(shí)，運(yùn)行能耗均有不同程度的下降，綜合能效提升。

對(duì)比三種節(jié)能方案和傳統(tǒng)方案，結(jié)果表明，帶蒸發(fā)冷卻的制冷方案節(jié)能效果最為突出，在哈爾濱節(jié)能率相對(duì)于帶新風(fēng)間接冷卻方案和新風(fēng)直接冷卻方案分別增加了6.37%和40.02%。在北京分別增加了10.47%和21.08%。在上海分別增加了7.15%和23.56%。在汕頭分別增加了9.29%和29.83%。綜上，方案三節(jié)能效果最好，方案二次之，方案一較低。

對(duì)比相同方案的節(jié)能率，方案一的節(jié)能率北京＞上海＞哈爾濱＞汕頭。方案二、三呈現(xiàn)出哈爾濱＞北京＞上海＞汕頭的情況。由此可見(jiàn)，在氣候寒冷的地區(qū)，自然冷卻方案的節(jié)能效果會(huì)更為突出，但在方案一中，出現(xiàn)哈爾濱節(jié)能效果弱于北京的現(xiàn)象，這是因?yàn)楣枮I地區(qū)部分時(shí)間段室外溫度過(guò)低，在新風(fēng)直送時(shí)為了避免新回風(fēng)混合時(shí)經(jīng)過(guò)“霧區(qū)”，需要對(duì)新風(fēng)預(yù)熱，因此在考慮這種方案時(shí)，需要充分考慮新風(fēng)預(yù)熱問(wèn)題。

在哈爾濱、北京這兩種年均氣溫較低的城市，方案二和方案三呈現(xiàn)出色的節(jié)能效果，節(jié)能率均在50%以上，而方案一則稍顯遜色，為了深入探究影響三種節(jié)能方案的因素。以北京9 月12 日作為典型日進(jìn)行了分析。

從圖7 中可以看出方案一在2-6 時(shí)及18-24 時(shí)不能利用自然冷源，此時(shí)對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度并不是最大值或特殊值，結(jié)合圖1 的運(yùn)行分區(qū)，可以看出，方案一能否利用自然冷源由環(huán)境溫度和濕度共同確定，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的露點(diǎn)溫度時(shí)，相同溫度下空氣濕度越低，自然冷源可利用概率越大。如9 時(shí)和20 時(shí)。

圖7 典型日氣象參數(shù)和空調(diào)方案COP

方案二的系統(tǒng)能效與室外干球溫度呈相反的變化趨勢(shì)，干球溫度越低，系統(tǒng)COP 越高。

而方案三在環(huán)境溫度小于16 ℃時(shí)，系統(tǒng)COP 與方案二重疊，隨著環(huán)境溫度的上升，轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)冷卻模式，該模式下空調(diào)系統(tǒng)的COP 變化與濕球溫度的變化趨勢(shì)成反比。

4 結(jié)論

機(jī)房建筑的地理位置對(duì)機(jī)房冷負(fù)荷的影響微小，可以忽略不計(jì)。機(jī)房建筑的地理位置決定了機(jī)房室外氣象環(huán)境，進(jìn)而影響到節(jié)能方案的節(jié)能效果。

通過(guò)分析北京地區(qū)典型日不同運(yùn)行方案系統(tǒng)COP 的變動(dòng)，可知環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)COP 的影響，進(jìn)而得到環(huán)境參數(shù)對(duì)節(jié)能效果的影響。其中方案一受到環(huán)境溫度、濕度的綜合影響，方案二的主要影響因素為室外干球溫度。方案三的主要影響因素為室外濕球溫度?？傮w來(lái)說(shuō)，干球溫度越低，空氣越干燥，節(jié)能效果越好。

自然冷源可利用時(shí)長(zhǎng)和室外氣象參數(shù)共同影響節(jié)能方案節(jié)能效果。

方案和送風(fēng)溫度相同時(shí)，自然冷源可利用時(shí)長(zhǎng)由北向南逐漸遞減，其中哈爾濱、北京可利用自然冷源時(shí)長(zhǎng)均超過(guò)全年的50%。在四個(gè)典型城市中，方案三較方案二、方案一全年可單一利用自然冷源時(shí)長(zhǎng)占比分別增加了17.00%～21.60%和12.74%～20.34%。

三種自然冷卻方案的節(jié)能效果從高到低依次是：方案三、方案二、方案一。送風(fēng)溫度為23 ℃時(shí)，方案三節(jié)能效果相對(duì)于方案二和方案一分別增加6.37%～10.47%和21.08%～40.02%。方案二、三的節(jié)能率由北向南逐漸遞減，方案一種則因?yàn)樾嘛L(fēng)預(yù)熱的問(wèn)題導(dǎo)致哈爾濱地區(qū)節(jié)能效果減弱。在氣候寒冷地區(qū)，自然冷卻方案的節(jié)能效果更佳。