馬曉晨,石文超,楊洪興

(香港理工大學(xué) 建筑環(huán)境與能源工程系,中國 香港 999077)

0 引 言

隨著5G、云計(jì)算和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的快速發(fā)展,大型數(shù)據(jù)中心已成為新的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)。作為現(xiàn)代信息社會的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一,數(shù)據(jù)中心為企業(yè)和個(gè)人提供數(shù)據(jù)存儲、處理和傳輸?shù)确?wù),其建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷增長[1]。從2000年到2005年,世界各地?cái)?shù)據(jù)中心的用電量翻了一番,盡管2008年金融危機(jī)導(dǎo)致全球經(jīng)濟(jì)放緩,但從2005年到2010年,該能耗仍提高了約56%[2]。截至2021年,美國擁有2 670個(gè)數(shù)據(jù)中心,位列世界第一,英國(452個(gè))、德國(443個(gè))和中國(416個(gè))數(shù)據(jù)中心的數(shù)量也比較龐大,且還在增加[3]。因此,數(shù)據(jù)中心的建設(shè)與運(yùn)營面臨著越來越嚴(yán)峻的節(jié)能減排壓力,需要尋求可行的技術(shù)方案和管理策略來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

數(shù)據(jù)中心作為一個(gè)集中了大量電子信息設(shè)備的建筑場所,往往表現(xiàn)出較高的熱密度,需要高效、不間斷的制冷來消除由此產(chǎn)生的大量熱量[4]。隨著IT設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步,數(shù)據(jù)中心的溫度和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)有所放寬,這也為自然冷卻創(chuàng)造了條件[5]。作為一種自然冷源,間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)(IEC)在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛應(yīng)用,其工作模式有3種[6]:當(dāng)設(shè)備在干模式下運(yùn)行時(shí),只有送回風(fēng)機(jī)被打開;在濕模式下,支持噴淋的循環(huán)水泵也開始運(yùn)行;而在混合模式下,除了上述2種模式所需的設(shè)備外,還需啟動直膨式空調(diào)(DX)[7]。這3種運(yùn)行模式需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)進(jìn)行調(diào)整,從而在滿足室內(nèi)溫度控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。雖然IEC已經(jīng)顯示出優(yōu)越的節(jié)能效果,但對于常年高溫高濕地區(qū)(例如香港特區(qū)),IEC的應(yīng)用受到較大的限制。為了進(jìn)一步探討高溫高濕地區(qū)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用IEC技術(shù)的研究,褚俊杰等提出了數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻潛力評價(jià)計(jì)算新方法,并得出廣州地區(qū)采用風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻小時(shí)數(shù)為4 000 h[8]。杜妍等通過模擬露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組將空氣處理至接近或低于濕球溫度的值,使其以自然冷卻的形式所提供的制冷量時(shí)間高達(dá)6 600 h[9]。武茁苗等通過分析不同運(yùn)行模式下間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的能耗,發(fā)現(xiàn)廣州市干、濕、混合模式的運(yùn)行時(shí)長占比分別為21%、15%、64%,而節(jié)電率分別為36%、31%、18%[7],但該技術(shù)在香港數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用還鮮有研究。與廣州相比,香港四面環(huán)海,海水熱容大,海洋性氣候明顯,北下的寒流進(jìn)入更晚。在IEC的應(yīng)用方面廣州所承擔(dān)的顯熱冷量更大,而香港室內(nèi)需要使用風(fēng)機(jī)盤管的能耗更大[10]。此外,液體除濕器(LDD)可以成為輔助單元,通過降低新風(fēng)的濕球溫度以延長IEC系統(tǒng)的有效運(yùn)行時(shí)間[11-13]。為此,本文基于Matlab和EnergyPlus,開發(fā)了IEC-DX和LDD-IEC-DX系統(tǒng),分析并對比了它們用于熱濕地區(qū)數(shù)據(jù)中心的能耗,可為IEC用于熱濕地區(qū)數(shù)據(jù)中心提供一定參考。

1 LDD-IEC-DX系統(tǒng)工作原理

1.1 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)IEC主要由一次空氣通道(干通道)和二次空氣通道(濕通道)2部分組成,一次空氣主要是室外空氣,二次空氣可以是室外空氣也可以是室內(nèi)排風(fēng)。而當(dāng)IEC空調(diào)系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)中心時(shí),則是通過引入室外新風(fēng)來間接冷卻室內(nèi)回風(fēng),具體氣流流向如圖1所示[14]。在二次空氣通道中,新風(fēng)通過與水膜直接接觸近似等焓降溫帶走潛熱,從而冷卻通道壁面,有利于相鄰干通道中的一次空氣溫降。同時(shí),在一次空氣通道中,一次氣流流經(jīng)被冷卻的通道壁面完成熱交換,以達(dá)到等濕冷卻的效果[15-16]。該系統(tǒng)的關(guān)鍵影響因素是室外環(huán)境的干球溫度和濕球溫度的差值,因此在高濕地區(qū)機(jī)組的噴淋冷卻效果有限,IEC系統(tǒng)需要機(jī)械補(bǔ)冷的運(yùn)行時(shí)間更長[17]。

圖 1 IEC空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的布置Fig.1 The arrangement of IEC AC system in DCs

1.2 太陽能輔助除濕系統(tǒng)的工作原理

作為一種可持續(xù)性的空調(diào)技術(shù),IEC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于干熱地區(qū)的數(shù)據(jù)中心且具有明顯的節(jié)能效果。然而在濕熱地區(qū),室外新風(fēng)需要經(jīng)過除濕才能保證一定的干濕球溫度差,因此為數(shù)據(jù)中心的IEC空調(diào)系統(tǒng)加裝LDD是一種值得研究的方案。依照本組之前的研究發(fā)現(xiàn),在以香港為代表的濕熱氣候地區(qū),通過LDD將濕熱的新鮮空氣先除濕,再通入IEC進(jìn)行顯熱冷卻有助于提高空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率[18]。故本文以此為基礎(chǔ),針對數(shù)據(jù)中心將新風(fēng)作為工作氣流的特點(diǎn),新風(fēng)經(jīng)LDD除濕后通入IEC的濕通道用于間接冷卻相鄰干通道流經(jīng)的室內(nèi)回風(fēng)。同時(shí),將太陽能集熱器捕獲的熱能用于干燥劑溶液再生。

圖2是LDD-IEC空調(diào)系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)原理圖,該系統(tǒng)由3部分組成:用于預(yù)除濕處理新風(fēng)的太陽能輔助LDD系統(tǒng)、用于新風(fēng)冷卻回風(fēng)的IEC系統(tǒng),以及用于補(bǔ)冷的DX裝置[19]。包括太陽能集熱器、除濕器、再生器、冷卻塔、IEC和DX裝置等6個(gè)主要部件。太陽能收集器捕獲的熱量通過水/溶液熱交換器將干燥劑溶液再生。如果熱能不足以再生,輔助加熱器將運(yùn)行。儲罐用于儲存多余的熱量。由于高入口溶液溫度可導(dǎo)致低除濕,故冷卻塔將通過溶液/水熱交換器冷卻干燥劑溶液。室外的新鮮空氣經(jīng)除濕器預(yù)除濕后通入IEC的濕通道內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)冷卻,相鄰干通道內(nèi)的室內(nèi)回風(fēng)被冷卻后作為供應(yīng)氣流被送入室內(nèi)。當(dāng)環(huán)境空氣溫濕度超出LDD-IEC單元的冷卻范圍時(shí),啟動機(jī)械補(bǔ)冷裝置用以送風(fēng)降溫[18]。

圖 2 LDD-IEC空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的布置Fig.2 The arrangement of LDD-IEC AC system in DCs

1.3 方法

在LDD-IEC空調(diào)系統(tǒng)中,每個(gè)組件的模型都單獨(dú)建立,再根據(jù)參數(shù)的入口和出口關(guān)系進(jìn)行整合,以方便系統(tǒng)模擬。采用一維有限差分模型進(jìn)行除濕器/再生器分析,熱量和質(zhì)量傳遞過程遵循能量和質(zhì)量守恒方程,即

1) 質(zhì)量守恒方程

mf,Ddωf+dmso=0

(1)

2) 能量守恒方程

mf,Ddif+d(isomso)=0

(2)

3) 顯熱交換方程

mf,Dcpadtf=d(tso-tf)dA

(3)

4) 總熱交換方程

(4)

式中:mf,D為LDD的新風(fēng)流量;ωf為新風(fēng)的含濕量;mso為干燥劑溶液的流量;if為新風(fēng)的焓值;iso為干燥劑溶液的焓值;cpa為空氣比熱容;tf為新風(fēng)的溫度;tso為干燥劑溶液的溫度;hmf為新風(fēng)的傳質(zhì)系數(shù);isat為飽和空氣的焓值;hf為新風(fēng)的傳熱系數(shù)。

系統(tǒng)中的工質(zhì)是氯化鋰(LiCl),其溶液的比熱容是溶液溫度和溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的函數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[20]計(jì)算。IEC的模型則是在2個(gè)通道的能量和質(zhì)量平衡的基礎(chǔ)上建立的,例如:

1)二次空氣的熱平衡

hs(tw-ts)dA=cpams,Edts

(5)

2)二次空氣的能量平衡

hms(ωsat-ωs)dA=ms,Edωs

(6)

3) 一次空氣的熱平衡

hf(tf-tw)dA=cpamf,Edtf

(7)

4) 蒸發(fā)水膜的質(zhì)量平衡

dmew=msdωs

(8)

5) 總能量平衡方程

msdis-cpamf,Edtf=d(cpwtewmew)

(9)

6) 一次空氣和二次空氣的質(zhì)量流速滿足關(guān)系

ms=r2·mf,E

(10)

假設(shè)Lewis關(guān)系得到滿足,并且Lewis數(shù)在空氣和水相互作用的表面上是統(tǒng)一的,就可以得到傳質(zhì)系數(shù)(hms)。根據(jù)干燥劑除濕和再生過程的質(zhì)量平衡,除濕器中的空氣水分損失等于再生器中的空氣水分增加。

mf,D(ωf,D-ωf,D,out)=mf,E(ωf,E,out-ωf,E,in)

(11)

式中:hs為二次風(fēng)的傳熱系數(shù);mf,E為IEC的新風(fēng)流量;ms,E為IEC的二次風(fēng)流量;hms為二次風(fēng)的傳質(zhì)系數(shù);ωsat為飽和空氣的含濕量;ωs為二次風(fēng)的含濕量;hs為新風(fēng)的傳熱系數(shù);ts為二次風(fēng)的溫度;tw為墻壁的溫度;mew為蒸發(fā)水膜的質(zhì)量;ms為二次風(fēng)的質(zhì)量;is為二次風(fēng)的焓值;tew為蒸發(fā)水膜的溫度;r2為IEC的抽氣比。

1.4 系統(tǒng)模型框架

利用圖3所示的框架建立系統(tǒng)模型。首先,通過Sketchup軟件建立數(shù)據(jù)中心的建筑模型,并為其基本圍護(hù)結(jié)構(gòu),內(nèi)部增益等賦予基本信息。隨后,基于Openstudio 的工作臺為建筑模型劃分熱區(qū),以獲得完整的建筑概況并導(dǎo)入Energyplus。利用Energyplus則可以分配空調(diào)系統(tǒng)中的不同模塊,并在建筑物中進(jìn)行全年的能耗模擬。本文所輸入Energyplus中的氣象數(shù)據(jù)來源于香港天文臺的最新信息。其中,IEC的運(yùn)行情況如濕球效率和除濕率曲線則是通過自行寫入Matlab軟件中代碼生成的。

圖 3 仿真模型框架Fig.3 The framework of simulation model

1.5 評估指標(biāo)

為了評估IEC-DX系統(tǒng)和LDD-IEC-DX對濕熱地區(qū)的數(shù)據(jù)中心制冷能耗的降低程度,以節(jié)能強(qiáng)度為評估指標(biāo),對比2種優(yōu)化系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的能耗,具體計(jì)算方程為

(12)

(13)

式中:EAC為基準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)的能耗;EID為IEC-DX系統(tǒng)的能耗;ELID為LDD-IEC-DX系統(tǒng)的能耗;φ為采用IEC-DX系統(tǒng)的節(jié)能強(qiáng)度;φ′為采用LDD-IEC-DX系統(tǒng)的節(jié)能強(qiáng)度。

2 實(shí)例模擬

為了分析實(shí)際情況下,IEC-DX系統(tǒng)以及LDD-IEC-DX系統(tǒng)對于濕熱地區(qū)數(shù)據(jù)中心制冷的節(jié)能效果,本文以處于香港氣候環(huán)境下的大型數(shù)據(jù)中心為例進(jìn)行具體的能耗模擬分析。

2.1 建筑概況

根據(jù)文獻(xiàn)[21-22]對建筑物中部分物理參數(shù)及內(nèi)部增益參數(shù)的規(guī)定,設(shè)計(jì)了占地面積為1 500 m2的數(shù)據(jù)中心建筑施工參數(shù),如材料、厚度、墻壁、屋頂和窗戶的U值(見表1)和內(nèi)部增益(照明3.5 W/m2、IT設(shè)備400 W/m2)參數(shù)。

表 1 建筑物的物理參數(shù)

2.2 運(yùn)行工況

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》和T/DZJN 10—2020《數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定,本文規(guī)定數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)溫度和濕度分別為25 ℃和60%,而回風(fēng)溫度為36 ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 室外空氣條件

香港位于我國南部,屬于亞熱帶濕潤氣候。圖4顯示了香港全年的室外氣溫和相對濕度變化情況?？梢钥闯? 高溫主要出現(xiàn)在6月—8月,最高溫度約為35 ℃,而最低溫度則出現(xiàn)在12月、1月、2月。由于香港四面環(huán)海,相對濕度明顯高于內(nèi)陸,除冬季外,全年的相對濕度在50%～95%之間波動。

SVD法所得到的矩陣奇異值,具有唯一性、穩(wěn)定性和比例不變性等性質(zhì).奇異值降噪的關(guān)鍵因素是確定重構(gòu)相空間的階數(shù)和矩陣重機(jī)分離階數(shù).

圖 4 全年溫濕度變化Fig.4 The changes of annual temperature and humidity

3.2 IEC空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能分析

模擬基于文獻(xiàn)[23-24],規(guī)定IEC空調(diào)系統(tǒng)在環(huán)境空氣干球溫度不高于16 ℃的情況下以干模式運(yùn)行,此時(shí)室內(nèi)回風(fēng)和室外新風(fēng)直接進(jìn)行顯熱交換。當(dāng)干球溫度超過16 ℃且濕球溫度低于18 ℃時(shí),IEC機(jī)組以濕模式運(yùn)行,供水系統(tǒng)被開啟。在濕膜式下,水膜在二次氣流通道中蒸發(fā)并與新風(fēng)進(jìn)行熱交換,而相鄰的干通道內(nèi)的冷卻空氣則被送入室內(nèi)。在香港,5月之后的環(huán)境空氣相對濕度過高,新風(fēng)濕球溫度急劇上升,直到10月份才有所下降。此時(shí),數(shù)據(jù)中心的IEC機(jī)組以混合模式運(yùn)行,DX單元為IEC系統(tǒng)補(bǔ)冷以維持室內(nèi)環(huán)境。

圖5為2種空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果對比?？梢钥闯?在溫度較低且干燥的11月—4月,IEC系統(tǒng)的節(jié)能效果更加顯著,然而進(jìn)入相對濕度較高的5月—10月,IEC空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果則有所下降?？傮w而言,IEC系統(tǒng)的年能耗降低了16.5%。需要注意的是,在高濕情況下,IEC空調(diào)系統(tǒng)的效率受到了較大影響,因此添加除濕單元是值得考慮的方案。

圖 5 2種空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析Fig.5 Energy consumption analysis of two AC systems

3.3 IEC-LDD空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能分析

作為一種依靠太陽能為原動力的除濕裝置,太陽能輔助除濕系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、環(huán)保節(jié)能和可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn),是一種行之有效的除濕單元。將LDD與IEC空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合,可以在第一環(huán)節(jié)對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)除濕,降低新風(fēng)的相對濕度和濕球溫度?；谖墨I(xiàn)[18],除濕量在太陽能集熱板為50 m2時(shí)可以達(dá)到12 g/kg,由此可以大幅增加IEC空調(diào)系統(tǒng)以濕模式運(yùn)行的時(shí)間,同時(shí)縮短DX補(bǔ)冷的時(shí)長,從而大大降低能耗,提高能源利用效率。具體運(yùn)行時(shí)長的變化如圖6所示。

圖 6 IEC空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式時(shí)長分布Fig.6 Time distribution of IEC AC system operating mode

從圖6可以看出:在系統(tǒng)以干模式運(yùn)行時(shí)長不變的情況下,IEC空調(diào)系統(tǒng)濕模式運(yùn)行所占比例增加了35.9%,混合模式的運(yùn)行時(shí)間減少了35.6%。由于系統(tǒng)全年以濕模式占比的時(shí)間增長,故年能耗相較傳統(tǒng)機(jī)械制冷和IEC空調(diào)系統(tǒng)分別降低了33.3%和20.1% (見圖7)。此外,因高濕地區(qū)干濕球溫差小而導(dǎo)致6月—9月IEC的功效較低,則能耗與原系統(tǒng)相近。增設(shè)LDD單元后得益于除濕環(huán)節(jié)的啟用,系統(tǒng)能耗即使在夏季也顯著降低。

圖 7 3種空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析Fig.7 Energy consumption analysis of three AC systems

圖8為使用LDD輔助IEC空調(diào)系統(tǒng)的全年不同運(yùn)行模式的占比情況?？梢钥闯?在氣溫較低且干燥的12月—2月,僅依靠IEC運(yùn)行即可承擔(dān)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的所有負(fù)荷,此時(shí)只有水泵和風(fēng)機(jī)運(yùn)行以消耗能量。其中,由于1月份氣溫小于16 ℃的天數(shù)較多,IEC以干模式運(yùn)行的時(shí)長更長,水泵功耗較低,因此總能耗減小。當(dāng)進(jìn)入3月后,隨著環(huán)境溫濕度的逐漸攀升,新風(fēng)的濕球溫度已經(jīng)超過IEC冷卻處理的最高限度,此時(shí)需要開啟LDD單元。室外空氣流經(jīng)LDD通道被除濕后再送入IEC濕通道用于水膜蒸發(fā),維持LDD系統(tǒng)正常運(yùn)行的部分能耗也需要被考慮。

圖 8 空調(diào)系統(tǒng)不同運(yùn)行模式的占比情況Fig.8 The proportion of different operating modes of the AC system

此外,由于LDD系統(tǒng)的除濕程度有限,當(dāng)室外空氣經(jīng)過最高限度的除濕后,IEC的送風(fēng)溫度仍然不能滿足數(shù)據(jù)中心的送風(fēng)溫度要求時(shí),DX將作為補(bǔ)冷單元參與到整個(gè)制冷系統(tǒng)中。在每年的7月,DX需要消耗大量的電能以處理高溫空氣,導(dǎo)致該月份的總能耗也達(dá)到每年的最高值。總的來說,相較于全年純機(jī)械制冷所產(chǎn)生的能耗而言,LDD輔助IEC空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果非?？捎^。

但是,太陽能輔助除濕系統(tǒng)的應(yīng)用受到地區(qū)氣候條件的限制,該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要大量的太陽輻射以能產(chǎn)生足夠的熱量,在陽光不夠充足的地區(qū)可能效果不佳。對于香港地區(qū),文獻(xiàn)[25]可以證明,太陽能輻射度尤其在日間時(shí)能夠滿足對除濕溶液濃度提升的需求。此外,香港地區(qū)的太陽輻射照度可達(dá)1 500 MJ/m2,且被鼓勵(lì)就地增加太陽能能源使用程度[26]。然而,從經(jīng)濟(jì)性方面考慮,太陽能輔助除濕技術(shù)需要較高的初始投資以及維護(hù)成本,包括太陽能收集器、傳熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝以及定期的維護(hù)和保養(yǎng)。這些成本可能會影響到系統(tǒng)的實(shí)際效益和經(jīng)濟(jì)性。因此,在選擇太陽能輔助除濕系統(tǒng)時(shí),需要考慮地區(qū)的氣候條件、經(jīng)濟(jì)實(shí)力和維護(hù)成本等因素,綜合評估其可行性和實(shí)際效果。

4 結(jié) 論

2) 借助LDD系統(tǒng)預(yù)處理新風(fēng)可以降低新風(fēng)含濕量及濕球溫度,使得IEC在濕模式下的運(yùn)行時(shí)長增加35.9%,混合模式的運(yùn)行時(shí)間減少35.6%。

3) IEC-LDD空調(diào)系統(tǒng)在IEC空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將年能耗又降低了20.1%,相較于傳統(tǒng)機(jī)械制冷則降低了33.3%的能耗,體現(xiàn)了該系統(tǒng)在濕熱地區(qū)的數(shù)據(jù)中心中顯著的節(jié)能減排潛力。

4) 在IEC-LDD空調(diào)的實(shí)際應(yīng)用中,需要考慮太陽能集熱系統(tǒng)的地域局限性,由于再生所需的補(bǔ)熱對系統(tǒng)能耗的影響仍有待探討。