侯 瑞

(華林中創(chuàng)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030027)

金融業(yè)數(shù)據(jù)中心需要保證24 h不間斷運(yùn)行，因此對(duì)數(shù)據(jù)中心的能源消耗進(jìn)行控制就顯得尤其重要。研究數(shù)據(jù)證明，數(shù)據(jù)中心總能耗的40%用于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)?？梢?jiàn)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力巨大[1]。

筆者在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，分析了蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組用于數(shù)據(jù)機(jī)房的優(yōu)勢(shì)，并在能效比、年運(yùn)行費(fèi)用等方面與自然冷卻風(fēng)冷式冷水機(jī)組進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 蒸發(fā)冷卻

1.1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)簡(jiǎn)介

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一項(xiàng)利用水蒸發(fā)吸熱制冷的技術(shù)，根據(jù)水與被冷卻空氣的接觸方式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)分為間接式，直接式和復(fù)合式等形式[2]。

1.2 蒸發(fā)冷卻在焓濕圖中處理流程

蒸發(fā)冷卻在焓濕圖中處理流程如圖1所示。

1)直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備處理空氣后，空氣的狀態(tài)點(diǎn)位于0點(diǎn)與1點(diǎn)(空氣狀態(tài)為0點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的空氣濕球溫度點(diǎn))之間，即空氣的干球溫度與濕球溫度之間的某一點(diǎn)，極限溫度可以達(dá)到1點(diǎn)。2)間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備處理空氣后，空氣的狀態(tài)點(diǎn)位于干球溫度與露點(diǎn)溫度之間的某一點(diǎn)。3)復(fù)合蒸發(fā)冷卻設(shè)備處理空氣后，空氣的終狀態(tài)點(diǎn)由間接與直接兩種蒸發(fā)方式共同確定，若間接蒸發(fā)處理空氣到2點(diǎn)，則最終空氣狀態(tài)點(diǎn)會(huì)落到3點(diǎn)處(空氣狀態(tài)為2點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的濕球溫度點(diǎn))。4)多級(jí)蒸發(fā)是在單級(jí)蒸發(fā)冷卻的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的。通過(guò)多次對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，使被處理空氣無(wú)限接近露點(diǎn)溫度4(空氣狀態(tài)為0點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度點(diǎn))。

1.3 蒸發(fā)冷凝式機(jī)組介紹

蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組由四大部件組成。其中的蒸發(fā)式冷凝器是機(jī)組獨(dú)有的部件，也是與常規(guī)水冷式冷水機(jī)組的主要區(qū)別之處。機(jī)組啟動(dòng)后，冷卻水噴淋系統(tǒng)首先啟動(dòng)，冷卻水經(jīng)過(guò)上部噴淋系統(tǒng)，被噴淋在冷凝排管外部，與冷凝排管內(nèi)部高溫制冷劑發(fā)生熱交換，吸收制冷劑的熱量，達(dá)到冷卻制冷劑的目的。機(jī)組同時(shí)設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，通過(guò)空氣與水的雙重作用，強(qiáng)化換熱效果。

2 風(fēng)冷冷卻

2.1 風(fēng)冷冷卻技術(shù)簡(jiǎn)介

風(fēng)冷式冷水機(jī)組是以空氣作為冷卻介質(zhì)，不需要冷卻水系統(tǒng)。風(fēng)冷機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較便宜、安裝方便，由于沒(méi)有冷卻水的因素，冷凝器不易結(jié)垢，換熱效果好。

2.2 風(fēng)冷冷凝式機(jī)組介紹

空氣受到自身物理性質(zhì)的限制，與冷凝器內(nèi)的制冷劑進(jìn)行換熱時(shí)，需要更大的換熱面積，才能達(dá)到與水冷式同樣的換熱效果。因此會(huì)導(dǎo)致風(fēng)冷設(shè)備機(jī)組尺寸增大。此外，機(jī)組對(duì)周邊環(huán)境溫度要求苛刻，當(dāng)?shù)乜照{(diào)計(jì)算干球溫度較高時(shí)，機(jī)組冷卻效果受到很大的影響。因此，自然冷卻風(fēng)冷式冷水機(jī)組常采用復(fù)合式制冷模式，首先充分利用室外低溫空氣的冷卻能力，同時(shí)設(shè)置機(jī)械式制冷為整個(gè)系統(tǒng)提供保障，保證機(jī)組在各種環(huán)境下運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 兩種機(jī)型運(yùn)行分析及經(jīng)濟(jì)性比較

3.1 工程項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于山西省太原市，總建筑面積18 544.43 m2，其中三、四層為數(shù)據(jù)中心，面積為1 910.4 m2，按照標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房設(shè)計(jì)。室外設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 室外空氣計(jì)算參數(shù)(太原地區(qū))

表2 室內(nèi)計(jì)算參數(shù)

3.2 冷負(fù)荷計(jì)算

綜合考慮數(shù)據(jù)中心24 h不間斷運(yùn)行的特殊性。冷量按照逐時(shí)逐項(xiàng)綜合最大值計(jì)算，冷負(fù)荷最大值為630 kW,其中建筑冷負(fù)荷30 kW，數(shù)據(jù)中心機(jī)房工藝?yán)鋮s550 kW,輔助及UPS房間冷負(fù)荷50 kW。

3.3 性能對(duì)比分析

表3為常規(guī)制冷工況下，數(shù)據(jù)機(jī)房分別采用兩種機(jī)組在經(jīng)濟(jì)性，性能、能源消耗等方面的對(duì)比。

表3 常規(guī)制冷工況下兩種方案COP及運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

從表中數(shù)據(jù)可知：1)COP比較：蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組與自然冷卻風(fēng)冷式冷水機(jī)組相比，COP有大幅提升，二者存在巨大差距。2)經(jīng)濟(jì)性方面比較：a.初投資經(jīng)濟(jì)性比較：蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組系統(tǒng)造價(jià)約為250元/m2，自然冷卻風(fēng)冷式冷水機(jī)組系統(tǒng)造價(jià)約為230元/m2，蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組初投資費(fèi)用略高。b.運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性比較：蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組具有更低的年耗電費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性方面比自然冷卻風(fēng)冷式冷水機(jī)組更具優(yōu)勢(shì)。

3.4 機(jī)組利用室外低溫空氣能力的對(duì)比分析

當(dāng)外部環(huán)境滿足機(jī)組使用要求時(shí)，兩種機(jī)型均可在完全不開(kāi)啟壓縮機(jī)的前提下，利用外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，提供冷量，滿足使用需求。表4所示為利用室外低溫空氣時(shí)，數(shù)據(jù)中心機(jī)房分別采用兩種機(jī)型的性能比較。

表4 自然冷源工況下兩種方案COP對(duì)比

從表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)機(jī)組處于室外低溫空氣工況下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的節(jié)能效果均非常明顯。提供相同制冷量的前提下，蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組具有更高的能效比，經(jīng)濟(jì)性方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。

3.5 兩種機(jī)組對(duì)環(huán)境空氣溫度依賴(lài)性比較

風(fēng)冷式冷水機(jī)組的性能變化與環(huán)境的干球溫度有直接關(guān)系，而環(huán)境的濕球溫度則決定了蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組的性能變化。圖2為環(huán)境空氣濕球溫度與蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組性能變化關(guān)系。由數(shù)據(jù)可知，機(jī)組制冷性能與其所處環(huán)境的濕球溫度成反比關(guān)系。濕球溫度的升高，會(huì)導(dǎo)致冷凝溫度及其對(duì)應(yīng)的冷凝壓力的共同升高。這對(duì)冷凝器的傳熱非常不利，因?yàn)殡S著冷凝溫度升高，冷凝器內(nèi)外的傳熱溫差會(huì)變小，壓縮機(jī)的壓比π會(huì)增大，系統(tǒng)制冷量及性能系數(shù)均會(huì)受到影響，下降的幅度非常明顯。因此，在實(shí)際使用中，需要隨時(shí)關(guān)注機(jī)組的室外環(huán)境參數(shù)，選擇合適的冷卻方式[3]。

圖3為環(huán)境干球溫度與自然冷卻風(fēng)冷式冷水機(jī)組性能變化關(guān)系。由數(shù)據(jù)可知，與濕球溫度對(duì)蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組性能的影響類(lèi)似。風(fēng)冷式冷水機(jī)組制冷性能與其所處環(huán)境的干球溫度同樣成反比關(guān)系。隨著干球溫度的升高，制冷機(jī)組的效率降低，制冷量及性能系數(shù)都會(huì)產(chǎn)生明顯下降，需要消耗更多的電能去制冷，從而造成經(jīng)濟(jì)性的下降。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)兩種機(jī)組在不同工況下的運(yùn)行情況，考慮環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組性能的影響，得到如下結(jié)論：

1)在常規(guī)制冷工況下，蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組在經(jīng)濟(jì)性及COP性能上占據(jù)優(yōu)勢(shì)。2)使用自然冷源工況下，兩種機(jī)組COP數(shù)據(jù)均很高。其中蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組的COP更是高達(dá)29.5，仍比自然冷卻風(fēng)冷式冷水機(jī)組COP高約34.1%。3)兩種機(jī)組性能均受到環(huán)境溫度的影響。分別受到環(huán)境中空氣濕球溫度及空氣干球溫度的影響，并且與溫度的變化成反比關(guān)系。4)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，蒸發(fā)冷卻機(jī)組的節(jié)能潛力及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)將得到更大的體現(xiàn)。