某電信機(jī)房節(jié)能改造全年能效的熱力學(xué)分析

陳飛虎 廖曙光

1 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院

2 長(zhǎng)沙麥融高科股份有限公司

隨著互聯(lián)網(wǎng)及信息化飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心蓬勃發(fā)展。我國(guó)數(shù)據(jù)中心平均能量利用系數(shù)PUE（Power Use Efficiency）在2.0～2.5，而世界平均水平在1.5 以下[1]。傳統(tǒng)的風(fēng)冷精密空調(diào)在降溫的時(shí)候進(jìn)行了除濕，而為了保證室內(nèi)濕度要求，又需要對(duì)其進(jìn)行加熱，造成了能量的浪費(fèi)[2]。針對(duì)機(jī)房顯熱比大的特點(diǎn)，單元式水冷多聯(lián)熱管技術(shù)被引入。凌等對(duì)應(yīng)用湖水自然冷源的單元式水冷多聯(lián)熱管系統(tǒng)采用分類討論的方法與采用傳統(tǒng)風(fēng)冷精密空調(diào)方式進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明系統(tǒng)可以節(jié)約70%以上[3]。本課題組應(yīng)用時(shí)間累計(jì)的方法對(duì)某信息數(shù)據(jù)機(jī)房IDC（Information Data Center）機(jī)房的單元式水冷多聯(lián)熱管系統(tǒng)改造的全年能效進(jìn)行了對(duì)比分析[4]。但以上方法均為間接的方法，不能反應(yīng)系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀況。本文將應(yīng)用國(guó)際上先進(jìn)的有限時(shí)間熱力學(xué)方法，對(duì)某電信機(jī)房單元式水冷多聯(lián)熱管系統(tǒng)改造的全年能效進(jìn)行建模和仿真計(jì)算，提出精度更高的評(píng)價(jià)新方法。

1 單元式水冷多聯(lián)熱管的物理模型

機(jī)房發(fā)熱量1307.92 kW，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷等，機(jī)房冷負(fù)荷總計(jì)1680.25 kW。機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)采用佳力圖等風(fēng)冷式機(jī)房專用精密空調(diào)，100 kW 的空調(diào)17 臺(tái)。精密空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況為：冷凝溫度30 ℃。

1.1 采用熱管末端+CDU（冷量分配單元，Cooling Deliver Unit)+制冷主機(jī)的改造方案

空調(diào)設(shè)2 套系統(tǒng)，一套為集中式冷凍水系統(tǒng)，一套為板換換熱器與冷卻塔連接的自然冷源（圖1）。冷凍水空調(diào)采用螺桿式冷水機(jī)組，選用兩臺(tái)901.4 kW 兩臺(tái)。冷水供回水溫度12/17 ℃。

圖1 單元式水冷多聯(lián)熱管系統(tǒng)圖

表1 為IDC 機(jī)房平均室外氣象溫度分布表，表2為熱管系統(tǒng)運(yùn)行模式，表3 熱管空調(diào)改造設(shè)備參數(shù)表。

表1 IDC 機(jī)房平均室外氣象溫度分布表

表2 熱管系統(tǒng)運(yùn)行模式

表3 熱管空調(diào)改造設(shè)備參數(shù)表

2 單元式水冷多聯(lián)熱管系統(tǒng)全年能效的數(shù)學(xué)模型

如圖2，制冷劑的（溫熵）圖，1’-2’-3’-4’-5’為理論制冷循環(huán)，1-2-3-4-5 為實(shí)際的制冷循環(huán)。

圖2 空調(diào)制冷機(jī)組的T-S 圖

2.1 冷凝器的火用分析

當(dāng)室外溫度大于17 ℃時(shí)，系統(tǒng)采用機(jī)械制冷模式，冷凝熱Qcond等于從2 狀態(tài)到狀態(tài)點(diǎn)4 的焓降[5]。

在不同的室外溫度對(duì)應(yīng)系統(tǒng)不同的冷凝溫度，根據(jù)制冷劑的T-S圖，4 點(diǎn)的狀態(tài)可以確定。

又有：

2.2 壓縮機(jī)的火用分析

質(zhì)量流量為mref的制冷劑逐時(shí)進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)為1，排出時(shí)為2，由于壓縮機(jī)壓縮過程的不可逆性，產(chǎn)生了過程的增和損失，其平衡方程為[6]：

不可逆壓縮過程的熵增為

理想可逆壓縮時(shí)，壓縮機(jī)耗功為：

全年機(jī)械制冷模式壓縮機(jī)的功耗等于：

壓縮機(jī)實(shí)際壓縮終點(diǎn)狀態(tài)2 點(diǎn)參數(shù)可由下式來確定[7]：

所以：

式中：ηis,c表示壓縮機(jī)的等熵壓縮效率，本機(jī)組采用離心式壓縮機(jī)，其等熵壓縮效率與活塞式壓縮機(jī)相比提高約10%左右，這里取0.85。狀態(tài)點(diǎn)1 點(diǎn)和3 點(diǎn)由蒸發(fā)溫度和冷凝溫度可以得到[8]。

2.3 冷量分配單元（CDU)的火用分析

圖3 為熱管換熱器中制冷劑的T-S圖。

圖3 熱管換熱器中制冷劑的T-S 圖

冷凝熱Qcond等于從7 狀態(tài)到狀態(tài)點(diǎn)8 的焓降[9]。

根據(jù)T-S圖，7、8 點(diǎn)的狀態(tài)可以確定。

又有：

2.4 熱管末端的火用分析

熱管末端實(shí)際上是一個(gè)換熱器，可以采用蒸發(fā)器的模型。近年來多用的是平行流換熱器代替原來的銅管鋁翅片換熱器[10]。

在熱管換熱器中循環(huán)制冷劑對(duì)室內(nèi)回風(fēng)吸熱轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，進(jìn)入CDU?？諝鉁囟冉档?。如圖3 中的過程線9～6。當(dāng)冷量被利用時(shí)，由火用平衡方程可知火用的損失為：

式中：mevw為冷水流量，heva,i、heva,o為進(jìn)、出口空氣的焓值，sevai、sevao為空氣進(jìn)出口的熵值。

3 單元式水冷多聯(lián)熱管系統(tǒng)全年能效的仿真模型

3.1 機(jī)械制冷模式

3.1.1 冷凝器的仿真模型

圖4 冷凝器的逐時(shí)仿真模型

3.1.2 壓縮機(jī)的仿真模型

由蒸發(fā)溫度Te計(jì)算得到制冷劑的熵值s1，再由冷凝溫度計(jì)算得到制冷劑的熵值s2。根據(jù)Te、Tc和壓縮機(jī)的壓縮效率ηis,c計(jì)算得出(h2-h1)的值，然后將(h2-h1)減去初始溫度T0乘以(s2-s1)的積，將計(jì)算結(jié)果(h2-h1)-T0(s2-s1)乘以制冷劑流量mref就得到壓縮機(jī)的火用損失mref[(h2-h1)-T0(s2-s1)]。根據(jù)壓縮機(jī)的壓縮比得到2'點(diǎn)。將mref乘以并對(duì)其運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行積分（1/s），得到壓縮機(jī)的輸入功（Wcom）。如圖5[11]。

圖5 壓縮機(jī)仿真模型

3.2 部分自然冷卻模式

當(dāng)室外氣溫在12～17 ℃時(shí)，系統(tǒng)采用部分自然冷卻模式。冷水先由冷卻塔預(yù)冷降溫后，再進(jìn)入制冷的主機(jī)。

根據(jù)輸入的室外溫度，如圖6：

圖6 部分冷卻模式仿真模型

3.3 自然冷卻模式

當(dāng)室外空氣溫度低于12 ℃時(shí)，制冷主機(jī)關(guān)閉，系統(tǒng)切換為自然冷卻模式。

系統(tǒng)全年的輸入功：

4 計(jì)算結(jié)果與討論

該方案實(shí)施后全年（自然冷卻模式+部分冷卻模式+夏季工況）綜合節(jié)電=442×39%+531.4×6.7%+(757.7-363.3)×11.5%kw×8760 h=190 萬kWh。

5 結(jié)論

應(yīng)用有限時(shí)間熱力學(xué)分析方法，建立了全年能效的計(jì)算模型。將全年室外逐時(shí)氣溫作為輸入值，得到熱管系統(tǒng)全年能效，并提出了單元式水冷多聯(lián)熱管系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)新方法。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明該模型能達(dá)到工程精度要求，可以為熱力系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)提供參考。