新風(fēng)直接冷卻空調(diào)箱應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能分析

世圖茲空調(diào)技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司 肖新文

0 引言

GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》放寬了溫濕度要求，寬泛的溫濕度要求為使用新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱創(chuàng)造了先決條件。國內(nèi)數(shù)據(jù)中心內(nèi)已有利用新風(fēng)直接自然冷卻的工程實(shí)例[1-4]，同時(shí)國內(nèi)外學(xué)者對數(shù)據(jù)中心新風(fēng)直接自然冷卻做了大量的周邊技術(shù)研究[5-9]。國內(nèi)外部分學(xué)者還對全球不同城市的特定數(shù)據(jù)中心的新風(fēng)直接自然冷卻的節(jié)能潛力做了相關(guān)研究[10-14]。本文嘗試不以特定的數(shù)據(jù)中心為研究對象，采用當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間對應(yīng)用于我國典型城市數(shù)據(jù)中心的新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱進(jìn)行節(jié)能分析。

1 節(jié)能分析的背景說明

1.1 新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱

隨著技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展與普及，應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的末端空調(diào)機(jī)組種類越來越多，包括基站空調(diào)、房間級機(jī)房空調(diào)、行級機(jī)房空調(diào)及組合式空調(diào)箱機(jī)組等。除行級空調(diào)安裝在機(jī)柜當(dāng)中無法采用新風(fēng)自然冷卻外，其他3種空調(diào)末端均可以搭配相關(guān)功能組件直接利用新風(fēng)自然冷卻。新風(fēng)直接自然冷卻基站空調(diào)通常設(shè)計(jì)為整體式機(jī)組，通過控制各個(gè)內(nèi)置風(fēng)閥的開啟實(shí)現(xiàn)新風(fēng)直接自然冷卻[15]；新風(fēng)直接自然冷卻房間級機(jī)房空調(diào)通常在下送風(fēng)房間級機(jī)房空調(diào)配置混風(fēng)箱(包括一次回風(fēng)箱及二次回風(fēng)箱)[16]；組合式空調(diào)箱采用模塊化設(shè)計(jì)，通常由混風(fēng)段、過濾段、盤管段、風(fēng)機(jī)段及出風(fēng)段等不同功能模塊組合而成[17]。上述3種新風(fēng)直接自然冷卻末端空調(diào)機(jī)組通常具有純機(jī)械制冷、機(jī)械制冷及新風(fēng)直接自然冷卻混合制冷及完全新風(fēng)直接自然冷卻制冷等3種運(yùn)行模式。組合式空調(diào)箱各功能段可靈活搭配，適應(yīng)多種應(yīng)用場景，在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用日趨增多。新風(fēng)直接自然冷卻組合式空調(diào)箱應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的常用系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[18]。

圖1 新風(fēng)直接自然冷卻組合式空調(diào)箱空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 室外空氣品質(zhì)

利用新風(fēng)直接對室內(nèi)服務(wù)器進(jìn)行冷卻降溫，必須要考慮到室外空氣品質(zhì)對于數(shù)據(jù)中心的影響。某種程度上講，空氣品質(zhì)問題是制約該項(xiàng)技術(shù)的最關(guān)鍵因素。為了應(yīng)對這一情況，業(yè)界通常為新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱機(jī)組配置中高效過濾器甚至化學(xué)過濾器，并且設(shè)置專門的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測室外空氣品質(zhì)[3]。當(dāng)室外空氣品質(zhì)不佳時(shí)，依據(jù)設(shè)定的參數(shù)閾值自動(dòng)/手動(dòng)關(guān)閉室外新風(fēng)閥，此時(shí)氣流在室內(nèi)循環(huán)，利用機(jī)組的機(jī)械壓縮制冷，而高溫耐腐蝕服務(wù)器為新風(fēng)自然冷卻的腐蝕難題提供了一種解決措施[19]。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)及有關(guān)措施的落實(shí)，我國的室外空氣品質(zhì)正在逐步好轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)[16]將我國環(huán)境監(jiān)測總站公布的2017年11月至2018年10月的空氣質(zhì)量報(bào)告匯總后發(fā)現(xiàn)：我國338個(gè)地級以上城市總體空氣質(zhì)量良好，嚴(yán)重污染天數(shù)較少；省會(huì)城市的SO2平均濃度值也基本滿足20 μg/m3的年平均一級濃度限值?？紤]到污染天氣呈散發(fā)狀且時(shí)間不長，本文按照各地的空氣品質(zhì)全年均達(dá)標(biāo)進(jìn)行節(jié)能分析。

1.3 節(jié)能分析的溫濕度控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，服務(wù)器機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度在18～27 ℃之間，露點(diǎn)溫度在5.5～15.0 ℃之間，相對濕度不高于60%[20]。盡管放寬了數(shù)據(jù)中心的溫濕度要求，但并不意味著只要有新風(fēng)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心室內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而是要求室外空氣參數(shù)滿足一定條件，所以新風(fēng)引入控制策略十分重要，合理的控制策略既可確保不增加空調(diào)負(fù)荷，又可最大程度地利用自然冷源?？刂聘汕驕囟取⒏汕驕夭?、比焓或比焓差等控制策略均有各自的缺陷[21]，故宜采用綜合控制策略。如圖2所示，以溫度23 ℃、相對濕度50%作為送風(fēng)點(diǎn)S的參數(shù)設(shè)定值，在GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的近似五邊形包絡(luò)線區(qū)域內(nèi)均是可以接受的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。按照12 ℃的送回風(fēng)溫差，則理論回風(fēng)點(diǎn)R的干球溫度為35 ℃。如圖2所示，過R點(diǎn)作等比焓線，理論上，該等比焓線下的所有區(qū)域均可以利用自然冷源，但是數(shù)據(jù)中心幾乎無潛熱，大部分的數(shù)據(jù)中心均要求空調(diào)系統(tǒng)在干盤管工況下運(yùn)行，空調(diào)系統(tǒng)通常均不具備除濕能力，而且除濕通常需要付出比制冷更大的代價(jià)[21]，故圖1中由理論回風(fēng)點(diǎn)的等比焓線、100%的相對濕度線及露點(diǎn)溫度15 ℃的等含濕量線組成的三角區(qū)域?yàn)樽匀焕鋮s的舍棄區(qū)域，而干球溫度低于35 ℃線且露點(diǎn)溫度不高于15 ℃的區(qū)域均可以引入室外新風(fēng)自然冷卻，通過減少或者完全取消機(jī)械壓縮制冷實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)然，室外新風(fēng)濕度過低則需要進(jìn)行加濕以確保送風(fēng)濕度滿足要求。

圖2 自然冷卻可能區(qū)域示意圖

2 新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱節(jié)能性分析

2.1 節(jié)能評價(jià)參數(shù)

國際上通行的數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能評價(jià)指標(biāo)是由綠色網(wǎng)格組織提出的電能使用效率PUE(power usage effectiveness)、水使用效率WUE(water usage effectiveness)和碳使用效率CUE(carbon usage effectiveness)，文獻(xiàn)[22]不僅對PUE、PUE衍生效率及其測量和計(jì)算方法作了詳細(xì)的闡述，而且對WUE及CUE也作了介紹。針對特定數(shù)據(jù)中心或者特定數(shù)據(jù)中心的子系統(tǒng)，不同的數(shù)據(jù)中心上述3個(gè)參數(shù)不同。本文嘗試采用對數(shù)據(jù)中心樣本依賴程度低的評價(jià)參數(shù)。自然冷卻利用室外冷源對數(shù)據(jù)中心設(shè)備進(jìn)行冷卻，替代或部分替代機(jī)械制冷，通過縮短機(jī)械制冷的運(yùn)行時(shí)間控制和降低冷卻系統(tǒng)的能耗，從而降低數(shù)據(jù)中心總能耗，故自然冷卻時(shí)間可作為空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能的評價(jià)依據(jù)。最佳的新風(fēng)直接自然冷卻狀態(tài)是室外新風(fēng)直接引入，或者引入后與室內(nèi)回風(fēng)混合后即滿足數(shù)據(jù)中心的送風(fēng)要求，滿足此條件的時(shí)間稱為完全自然冷卻時(shí)間。新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)的耗能尚涉及加濕及機(jī)械壓縮制冷系統(tǒng)補(bǔ)冷等部件功耗，應(yīng)加以考慮，為了正確評估這些能耗，本文采用年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間來描述，其計(jì)算式為

Ttn=(1-η)Tt

(1)

(2)

不同空調(diào)機(jī)組在不同室外干球溫度下的機(jī)械制冷功率不同。AEER為不同溫度EER的加權(quán)平均值，本文以所有干球溫度均按照GB 19576—2019《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)能效限定值及能效等級》中數(shù)據(jù)處理機(jī)房用單元式空調(diào)機(jī)風(fēng)冷式一級能效AEER限值為4.0，即1 kW制冷量制冷功率為250 W進(jìn)行計(jì)算[23]。

2.2 節(jié)能分析的運(yùn)行工況分區(qū)

如圖3所示，對自然冷卻可能區(qū)域進(jìn)行細(xì)分：室外空氣位于露點(diǎn)溫度5.5 ℃及露點(diǎn)溫度15 ℃的等含濕量線、27 ℃等干球溫度線及100%等相對濕度線包圍區(qū)域內(nèi)，室外新風(fēng)可以直接或者與室內(nèi)回風(fēng)混合后對服務(wù)器進(jìn)行降溫，故稱為完全自然冷卻工況區(qū)域；室外空氣位于干球溫度低于27 ℃且含濕量處于露點(diǎn)溫度低于5.5 ℃對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，室外新風(fēng)可以作為冷源，但是需要進(jìn)行加濕處理，該區(qū)域稱為自然冷卻+加濕工況區(qū)域；室外空氣干球溫度為27～35 ℃且含濕量處于露點(diǎn)溫度5.5～15.0 ℃對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，盡管室外溫度低于數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度，可以引入室內(nèi)對服務(wù)器進(jìn)行降溫，但尚需機(jī)械制冷進(jìn)行冷量補(bǔ)充，該區(qū)域稱為混合制冷工況區(qū)域；室外空氣干球溫度為27～35 ℃且含濕量處于露點(diǎn)溫度低于5.5 ℃對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，則除了室外新風(fēng)與機(jī)械壓縮混合制冷外，還需要對其進(jìn)行加濕處理，該區(qū)域稱為混合制冷+加濕工況區(qū)域。以上4個(gè)區(qū)域以外的區(qū)域則為機(jī)械制冷工況區(qū)域。

圖3 新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱節(jié)能分析運(yùn)行工況分區(qū)

27～35 ℃的室外空氣干球溫度是機(jī)械制冷及新風(fēng)直接自然冷卻混合制冷的溫度區(qū)間，如圖4所示，除西寧、拉薩及昆明外，我國其他典型城市及特別行政區(qū)在該溫度區(qū)間跨度均較長，故將該區(qū)間納入節(jié)能分析才能正確評估新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱的節(jié)能效果，同時(shí)也可以分析位于不同城市的新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱對于該溫度區(qū)域的敏感程度。

圖4 我國不同熱工區(qū)域典型城市及特別行政區(qū)27～35 ℃室外溫度年時(shí)長占比

2.3 室外新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱性能分析

為簡化性能分析的計(jì)算過程，依據(jù)ASHRAE手冊中我國氣象臺(tái)站的參數(shù)，將干球溫度(整數(shù)±0.5 ℃)范圍內(nèi)的全年時(shí)長和作為該整數(shù)干球溫度的年時(shí)長Tt，將該范圍內(nèi)所有濕球溫度的時(shí)長加權(quán)算術(shù)平均值作為名義濕球溫度，匯總此±0.5 ℃范圍內(nèi)的時(shí)長和Tt，依據(jù)該點(diǎn)所處的運(yùn)行工況區(qū)域進(jìn)行對應(yīng)加濕功率及機(jī)械制冷功率的計(jì)算，通過式(3)～(5)聯(lián)立推導(dǎo)出式(6)，通過式(6)可以計(jì)算出室外干球溫度23 ℃及以下單位冷量的室外空氣質(zhì)量流量，室外干球溫度23 ℃以上的室外空氣質(zhì)量流量按照全新風(fēng)量即23 ℃時(shí)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

mO+mR=mS

(3)

mOtO+mRtR=mStS

(4)

Q=cpmS(tR-tS)

(5)

(6)

式(3)～(6)中mO為室外空氣質(zhì)量流量，kg/s；mR為回風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s；mS為送風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s；tO為室外空氣干球溫度，℃；tR為回風(fēng)干球溫度，℃；tS為送風(fēng)干球溫度，℃；Q為制冷量，本文為單位制冷量1 kW；cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)。

綜上，國內(nèi)學(xué)界對海外中國政治研究的關(guān)注，既包括宏觀的關(guān)于中國道路、中國模式等帶有濃厚意識(shí)形態(tài)色彩的研究，也包括中觀的黨史黨建方面的研究，更有微觀的關(guān)于基層社會(huì)治理方面的研究。這些研究領(lǐng)域都是傳統(tǒng)漢學(xué)發(fā)展到新漢學(xué)階段后，海外學(xué)術(shù)界認(rèn)識(shí)與理解中國政治的熱點(diǎn)話題，也是國內(nèi)政治學(xué)界在對新漢學(xué)進(jìn)行再研究時(shí)的突破口。

(7)

式中Pth為單位制冷量的加濕功率，W；3 600為單位換算系數(shù)，s/h；dmin為數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的最低含濕量，kg/kg；dO為室外空氣的含濕量，kg/kg。

機(jī)械制冷及新風(fēng)直接自然冷卻混合制冷工況下單位制冷量的機(jī)械制冷功率按照23～35 ℃下線性增加至名義機(jī)械壓縮制冷功率，即可以按照式(8)進(jìn)行計(jì)算。如式(9)所示，將單位制冷量的加濕功率及機(jī)械制冷功率相加則可計(jì)算出該干球溫度的單位制冷量的名義功率。

(8)

Ptn=Ptr+Pth

(9)

式(8)、(9)中Ptr為單位制冷量機(jī)械壓縮制冷功率，W。

利用式(1)可以求出該干球溫度當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間，將全年各個(gè)干球溫度的當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間累加起來就可以得出年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間。

為了分析室外溫度27～35 ℃范圍內(nèi)新風(fēng)自然冷卻的節(jié)能地域分布情況，對我國位于不同熱工區(qū)的省會(huì)城市在這一溫度區(qū)間的當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算分析，并且通過式(10)計(jì)算當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間的占比，式中溫度取整。

(10)

式中ξ為室外溫度27～35 ℃范圍內(nèi)的當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間占比。

經(jīng)過匯總整理，得到如圖5所示的當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間及占比。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，由于不同熱工區(qū)域室外空氣在此溫度范圍內(nèi)的濕度差異明顯，其自然冷卻時(shí)間也迥然不同：除東北三省省會(huì)城市及太原外，嚴(yán)寒C區(qū)(1C)及寒冷A區(qū)(2A)的大部分城市在混合模式工況的當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間較長，且當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間區(qū)間占比均超過40%；而寒冷B區(qū)(2B)、夏熱冬冷地區(qū)(3A、3B)及夏熱冬暖地區(qū)(4A、4B)則無當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間，同屬于溫和A區(qū)(5A)的貴陽和昆明也不盡相同，貴陽無當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間，昆明卻表現(xiàn)搶眼，當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間占比將近82%。

圖5 我國不同熱工區(qū)域典型城市及特別行政區(qū)在27～35 ℃溫度區(qū)間的當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間及占比

為了保證計(jì)算分析具備足夠覆蓋率，確保依據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中熱工設(shè)計(jì)區(qū)屬每個(gè)二級區(qū)劃至少有1個(gè)城市入選，除了以上典型城市及特別行政區(qū)外，增加呼倫貝爾及思茅2個(gè)城鎮(zhèn)。我國不同熱工區(qū)域典型城市及特別行政區(qū)的年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)長如圖6所示。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，除?？谀戤?dāng)量完全自然冷卻時(shí)間少于1 000 h外，其余城市均超過2 000 h，不少城市甚至超過8 000 h，新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱節(jié)能效果十分顯著。

由圖6還可以發(fā)現(xiàn)，位于夏熱冬暖B區(qū)(4B)的3個(gè)城市表現(xiàn)也存在明顯差異。業(yè)界對于新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱在夏熱冬暖B區(qū)的應(yīng)用尚存疑惑。為了探索該熱工區(qū)域的節(jié)能規(guī)律，本文進(jìn)一步細(xì)化計(jì)算分析的顆粒度，統(tǒng)計(jì)了該區(qū)域不同緯度及海拔城鎮(zhèn)的年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間，結(jié)果如表1所示。由表1可見：由于空氣濕度過大，盡管海南島內(nèi)各氣象臺(tái)站的年室外溫度低于27 ℃的時(shí)長均在4 500 h以上，全省的年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間卻均少于800 h；該熱工區(qū)域的年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間隨著緯度升高而增加；緯度相同相近城鎮(zhèn)年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間隨著海拔升高而下降。雖然年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間相對其他熱工區(qū)域短，但考慮到我國正建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，且數(shù)據(jù)中心高達(dá)15 a的設(shè)計(jì)壽命對于節(jié)能的疊加效應(yīng)，該熱工區(qū)域仍可積極利用新風(fēng)直接自然冷卻節(jié)能減排。

圖6 我國不同熱工區(qū)域典型城市及特別行政區(qū)的年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間

表1 夏熱冬暖B區(qū)典型城鎮(zhèn)年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間

3 結(jié)論

1) GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》放寬了數(shù)據(jù)中心的溫濕度要求，新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱在全國包括夏熱冬暖的大部分地區(qū)均適用。

2) 應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱節(jié)能效果明顯，寒冷地區(qū)及嚴(yán)寒地區(qū)越發(fā)突出，年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間均長于5 000 h。

3) 新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱在27～35 ℃溫度區(qū)域的混合制冷運(yùn)行模式對于位于嚴(yán)寒地區(qū)及寒冷A區(qū)的數(shù)據(jù)中心具有積極的節(jié)能意義；對于溫和地區(qū)的數(shù)據(jù)中心則宜一城一策進(jìn)行分析；應(yīng)用位于寒冷B區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)的數(shù)據(jù)中心的新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱則完全沒有必要設(shè)定混合制冷模式。

4) 應(yīng)用于夏熱冬暖B區(qū)的新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱的年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間與當(dāng)?shù)鼐暥瘸烧?，與當(dāng)?shù)睾０纬煞幢取?/p>

上述結(jié)論基于空氣品質(zhì)全年均達(dá)標(biāo)的前提下得出，具體項(xiàng)目應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)乜諝馄焚|(zhì)的實(shí)際情況修正年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間。隨著我國室外空氣品質(zhì)的持續(xù)改善及高溫耐腐蝕服務(wù)器的進(jìn)一步推廣，全國各地?cái)?shù)據(jù)中心因地制宜采用新風(fēng)直接自然冷卻空調(diào)箱，充分發(fā)揮與其匹配的節(jié)能作用對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的環(huán)保經(jīng)濟(jì)效益，有利于打造真正的綠色數(shù)據(jù)中心。