崔凌闖

中國電信股份有限公司淮安分公司

0 引言

數(shù)據(jù)中心是我國實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是國家重要的戰(zhàn)略資源。隨著數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展，其巨大的能源消耗及其對環(huán)境的影響日益受到關(guān)注。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心的能耗占比中，IT 設(shè)備負(fù)荷約占數(shù)據(jù)中心總能耗的60%。除IT 設(shè)備外，空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心最大的能耗單位，因此空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的重要措施之一。

由于全國數(shù)據(jù)中心數(shù)量規(guī)模龐大，同時(shí)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行管理費(fèi)用也是一筆巨大的開支，降低數(shù)據(jù)中心的能耗具有重大意義。而空調(diào)系統(tǒng)方面的節(jié)能不僅僅是采用節(jié)能技術(shù)，還要通過對系統(tǒng)的合理調(diào)試及積極的運(yùn)維管理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最佳節(jié)能效果。目前雖然針對數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)節(jié)能方面做了很多研究，但是對于氟泵空調(diào)系統(tǒng)并沒有給出合適的能耗計(jì)算方法，采用合適的系統(tǒng)能耗計(jì)算方法可以更加直觀地展現(xiàn)節(jié)能效果。本文針對數(shù)據(jù)中心氟泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況進(jìn)行模擬與研究，分析數(shù)據(jù)中心氟泵空調(diào)系統(tǒng)能耗并對其做出優(yōu)化，從而可以進(jìn)一步減少整個(gè)數(shù)據(jù)中心的耗電量，促進(jìn)數(shù)據(jù)中心的綠色發(fā)展。

1 氟泵空調(diào)系統(tǒng)原理及現(xiàn)場實(shí)測

1.1 氟泵空調(diào)系統(tǒng)介紹

氟泵空調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示，該空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、氟泵、膨脹閥、蒸發(fā)器、室內(nèi)外風(fēng)機(jī)、制冷劑管道以及輔助部件構(gòu)成。相比于常用的機(jī)房空調(diào)，氟泵空調(diào)系統(tǒng)在四大主要部件的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)制冷劑泵，為系統(tǒng)的壓力提供保障，輔助部件主要包括銅管保溫棉、單向閥、止回閥、液閥、視液鏡、干燥過濾器和壓力傳感器。從圖1 可知，氟泵與壓縮機(jī)在單向閥的配合下，可以在不同的工況條件下轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的運(yùn)行模式。為了配合不同的室外氣象條件，該氟泵直膨式空調(diào)系統(tǒng)共三種運(yùn)行模式，分別是壓縮機(jī)模式、氟泵模式和壓縮機(jī)-氟泵混合模式。

圖1 氟泵空調(diào)原理

1.2 氟泵空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)測

本研究針對江蘇電信某數(shù)據(jù)中心的氟泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模型的建立，并利用模型進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析及運(yùn)行策略優(yōu)化研究。模型的建立與驗(yàn)證都依賴于該數(shù)據(jù)中心的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。為此，在不同的室外溫度條件下，對該數(shù)據(jù)中心氟泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)地測試。

本研究實(shí)測選擇一臺(tái)額定制冷量70kW 的精密空調(diào)作為測試目標(biāo)，相關(guān)參數(shù)如表1 所示，本研究將針對單臺(tái)壓縮機(jī)或單臺(tái)氟泵進(jìn)行。該空調(diào)機(jī)組具有直膨式蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)、氟泵驅(qū)動(dòng)循環(huán)式制冷系統(tǒng)和氟泵/直膨式混合運(yùn)行制冷系統(tǒng)三種模式。使用制冷劑為R22，采用風(fēng)冷式冷凝器作為室外機(jī)，直膨風(fēng)冷式蒸發(fā)器作為室內(nèi)機(jī)，氟泵在系統(tǒng)中承擔(dān)克服制冷工質(zhì)循環(huán)阻力，提供壓差帶動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。氟泵變頻設(shè)置，隨著模式的調(diào)節(jié)而改變自身揚(yáng)程，每臺(tái)機(jī)組均設(shè)有兩臺(tái)定頻壓縮機(jī)、兩個(gè)同等型號(hào)的蒸發(fā)器和冷凝器、兩臺(tái)EC 離心送風(fēng)機(jī)、四臺(tái)冷凝軸流風(fēng)機(jī)，所測試的機(jī)房精密空調(diào)以及氟泵的詳細(xì)參數(shù)如表1 所示。

表1 測試機(jī)組詳細(xì)參數(shù)

本次數(shù)據(jù)中心實(shí)測需要測試的數(shù)據(jù)為溫度、制冷量、耗電量等。本次測試地點(diǎn)位于江蘇電信某個(gè)數(shù)據(jù)中心，其機(jī)房平面尺寸為15m×22m，高3.2m，機(jī)房布置如圖2 所示，機(jī)房內(nèi)部共有135 個(gè)機(jī)柜，占據(jù)了機(jī)房內(nèi)較大部分的電能消耗。數(shù)據(jù)中心機(jī)房用電設(shè)施除了用電負(fù)載外，最主要的用電設(shè)施就是空調(diào)系統(tǒng)，機(jī)房內(nèi)共有5 臺(tái)精密空調(diào)，本次研究的精密空調(diào)在傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)的基礎(chǔ)上增加了氟泵系統(tǒng)，進(jìn)而為數(shù)據(jù)中心機(jī)房進(jìn)行恒溫恒濕處理。

圖2 測試的數(shù)據(jù)中心機(jī)房分布圖

在空調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行后，空調(diào)回風(fēng)溫度近似等于數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境溫度，三種模式下設(shè)定機(jī)房環(huán)境平均溫度為24.8℃，測試過程中氟泵模式可以滿足機(jī)房的溫度控制需求。對于不同的室外環(huán)境溫度，分別對數(shù)據(jù)中心氟泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了三種不同運(yùn)行模式（壓縮機(jī)運(yùn)行、氟泵運(yùn)行、壓縮機(jī)-氟泵混合運(yùn)行）的測試。分別得到氟泵空調(diào)機(jī)組隨室外環(huán)境溫度的變化，三種不同模式下室內(nèi)機(jī)的送風(fēng)溫度變化情況，以及不同運(yùn)行模式下制冷量等變化情況，具體的測試結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 室內(nèi)機(jī)送風(fēng)溫度隨室外溫度變化

圖4 三種模式機(jī)組制冷量隨室外溫度變化

2 氟泵空調(diào)系統(tǒng)模型的建立與驗(yàn)證

2.1 氟泵空調(diào)系統(tǒng)模型建立

結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，本研究利用經(jīng)驗(yàn)公式與軟件相結(jié)合的方法對空氣與制冷劑進(jìn)行參數(shù)化處理，同時(shí)采用集總參數(shù)法對氟泵空調(diào)系統(tǒng)建立了制冷系統(tǒng)各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB 的編輯運(yùn)算能力與接口的可協(xié)同能力，在MATLAB中輸入系統(tǒng)各個(gè)部件模型代碼，并通過Refprop 軟件查詢制冷劑物性參數(shù)，兩者同步耦合進(jìn)行系統(tǒng)的模擬仿真。在對制冷系統(tǒng)的模型進(jìn)行求解的過程中，每個(gè)部件子模型的輸入?yún)?shù)都來自上一個(gè)部件模型的輸出參數(shù)或根據(jù)實(shí)際測試得到的已知參數(shù)。

下面以壓縮機(jī)、冷凝器、氟泵模型建立為例，分析得到制冷系統(tǒng)主要部件的模型。

（1）壓縮機(jī)模型

由于系統(tǒng)所使用的是定頻壓縮機(jī)，所以壓縮機(jī)運(yùn)行工況下系統(tǒng)的體積流量不發(fā)生變化，模型的求解通過質(zhì)量守恒、蒸發(fā)器和冷凝器的制冷劑側(cè)與空氣側(cè)熱量平衡來計(jì)算。制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)壓力、冷凝壓力的之間溫度與壓力的函數(shù)關(guān)系如下所示：

式中，Pc：臨界壓力，Pa，對于R22，Pc=49.8×105Pa；Tr：對比溫度，T/Tc；T：實(shí)際溫度，℃；Tc：臨界溫度，K；對于R22，Tc=369.25K；Ri：準(zhǔn)則數(shù)，對于R22，Ri=6.7964；Pα：準(zhǔn)則數(shù)，對于R22，Pα=-0.1644。

模型中忽略了管道阻力對于溫度產(chǎn)生的影響，并認(rèn)為系統(tǒng)保溫良好，從而假設(shè)吸氣壓力等于蒸發(fā)壓力，蒸發(fā)器出口溫度視為吸氣溫度，冷凝壓力視為排氣壓力。壓縮機(jī)的吸排氣溫度的計(jì)算公式如下：

式中，Te：蒸發(fā)溫度，℃；Ts：吸氣溫度，℃；Pe：蒸發(fā)壓力；n：壓縮過程多變指數(shù)，此處n=1.21。

通過式（4）和式（5）來計(jì)算壓縮機(jī)出口的制冷劑狀態(tài)，得到進(jìn)入冷凝器的壓縮機(jī)排氣溫度。制冷劑的物性參數(shù)由Refprop 直接調(diào)用，調(diào)用方程分別為：

式中，mr：系統(tǒng)質(zhì)量流量，kg/s。

（2）冷凝器模型

式中，Q：空氣側(cè)或制冷劑側(cè)換熱量，kW；m：空氣側(cè)或制冷劑側(cè)質(zhì)量流量，kg/s；Δh：空氣側(cè)或制冷劑側(cè)進(jìn)出口焓差，kJ/kg；α：空氣側(cè)或制冷劑側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·K)；A：空氣側(cè)或制冷劑側(cè)傳熱面積，m2；Δt：空氣側(cè)或制冷劑側(cè)流體平均溫度與壁面溫度之差，℃。

（3）氟泵模型

式中，Po：氟泵出口壓力，kPa；Pi：氟泵入口壓力，kPa；Δp：氟泵揚(yáng)程，kPa；Wfb：氟泵耗功，W。

本次模型求解時(shí)將系統(tǒng)從上述單個(gè)部件模型斷開，輸入?yún)?shù)后進(jìn)行每個(gè)部件參數(shù)的計(jì)算。以系統(tǒng)質(zhì)量流量為獨(dú)立變量，從冷凝器環(huán)節(jié)斷開開始計(jì)算，通過雙重迭代確定其最終值。系統(tǒng)的整體算法依據(jù)是：氟泵空調(diào)系統(tǒng)在機(jī)房內(nèi)24 小時(shí)全天開啟，全年穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。模式固定時(shí)系統(tǒng)的質(zhì)量流量相對穩(wěn)定，通過流動(dòng)焓差與換熱溫差換熱量相等，經(jīng)過雙重迭代，冷凝器空氣側(cè)的出口溫度計(jì)算值和假設(shè)值相等、壁面溫度的計(jì)算值和假設(shè)值相等，同理蒸發(fā)器空氣側(cè)的出口溫度計(jì)算值和假設(shè)值相等、壁面溫度的計(jì)算值和假設(shè)值相等，進(jìn)而完成整個(gè)制冷系統(tǒng)的計(jì)算。系統(tǒng)模型仿真流程圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)模型仿真流程圖

2.2 氟泵空調(diào)系統(tǒng)模型驗(yàn)證

在模型中輸入不同的室外溫度、室內(nèi)外風(fēng)機(jī)風(fēng)速以及冷凝溫度和蒸發(fā)溫度，模擬各室外溫度點(diǎn)下的系統(tǒng)運(yùn)行情況，為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，根據(jù)不同室外溫度，分別對比氟泵空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)模式、氟泵模式下的室內(nèi)風(fēng)機(jī)送風(fēng)溫度，得到如圖6、圖7 的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖6 壓縮機(jī)模式室內(nèi)機(jī)送風(fēng)溫度對比

圖7 氟泵模式室內(nèi)機(jī)送風(fēng)溫度對比

從上述實(shí)測和模擬結(jié)果的對比可以看出，通過模型計(jì)算所得各模式下的運(yùn)行參數(shù)與實(shí)測值的平均誤差較小，均在可接受范圍內(nèi)，模擬效果較好，從而證明了所建立的MATLAB氟泵空調(diào)系統(tǒng)能耗模型的準(zhǔn)確性和可靠性，可用于后續(xù)的氟泵空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬分析。

3 氟泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗模擬分析與優(yōu)化

氟泵空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)前在機(jī)房實(shí)際運(yùn)行模式為：當(dāng)室外溫度低于10℃時(shí)為氟泵運(yùn)行模式，當(dāng)室外溫度為10℃～20℃時(shí)為混合運(yùn)行模式，當(dāng)室外溫度超過20℃時(shí)為壓縮機(jī)運(yùn)行模式。本研究的模擬條件來自現(xiàn)場實(shí)測，在室內(nèi)溫度恒定為24.8℃的情況下，通過實(shí)際測試不同室外溫度下不同模式的蒸發(fā)壓力與冷凝壓力。

圖8 給出了根據(jù)江蘇全年氣候情況對機(jī)房空調(diào)運(yùn)行室內(nèi)機(jī)送回風(fēng)溫度的模擬結(jié)果。其中，室內(nèi)機(jī)的回風(fēng)溫度不隨室外溫度的變化而改變，全年穩(wěn)定在24.8℃，江蘇地區(qū)全年最低平均溫度為-4.5℃，最高平均氣溫為36.8℃。為了便于計(jì)算，所模擬結(jié)果室外溫度選取范圍為-5.0℃至37.0℃的變化情況。

圖8 江蘇機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行三種模式室內(nèi)機(jī)送回風(fēng)溫度

從模擬結(jié)果可以看出，氟泵模式的送風(fēng)溫度變化相較于壓縮機(jī)模式與混合模式更加明顯，當(dāng)室外溫度在5℃到10℃時(shí)，啟動(dòng)混合模式運(yùn)行比氟泵模式運(yùn)行更節(jié)能，混合模式室內(nèi)機(jī)送風(fēng)溫度更低。

江蘇地區(qū)全年運(yùn)行條件下三種模式運(yùn)行總功率及系統(tǒng)EER 的模擬結(jié)果如圖9 所示，混合模式及壓縮機(jī)模式的功率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氟泵模式的功率。另一方面從圖中可以看出氟泵模式的能效比遠(yuǎn)大于混合模式與壓縮機(jī)模式下的系統(tǒng)能效，因此在滿足冷量供給的條件下，盡量增加氟泵的使用可以起到良好的節(jié)能作用。

圖9 江蘇機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行三種模式總功率和EER

上述對江蘇地區(qū)既定運(yùn)行策略下全年運(yùn)行的三種模式進(jìn)行能耗分析，根據(jù)不同運(yùn)行模式下的室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度、功率和能效模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)前的運(yùn)行策略并不是最優(yōu)的運(yùn)行策略，仍存在節(jié)能優(yōu)化的空間。在滿足目標(biāo)冷量的前提下，可以改變各模式之間溫度的切換界限，并通過不同運(yùn)行模式的啟停控制來提供數(shù)據(jù)中心所需總的制冷能耗，尋找數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行策略。

4 結(jié)束語

本研究從降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗與運(yùn)行成本的角度出發(fā)，通過對數(shù)據(jù)中心氟泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試與建模模擬相結(jié)合的方法，建立了氟泵空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，進(jìn)而探究該空調(diào)系統(tǒng)在不同室外溫度下的運(yùn)行情況，并進(jìn)行了全年能耗的模擬預(yù)測，在現(xiàn)有運(yùn)行策略的基礎(chǔ)上結(jié)合各模式的模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析。

經(jīng)過對本研究所建立模型的綜合模擬分析，目前數(shù)據(jù)中心氟泵實(shí)際運(yùn)行模式不是最優(yōu)的運(yùn)行模式，存在巨大的節(jié)能優(yōu)化空間，可以通過調(diào)整各模式之間溫度的切換界限、不同運(yùn)行模式的啟?？刂频瓤尚行哉{(diào)節(jié)措施，提高氟泵空調(diào)系統(tǒng)的總體能效，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機(jī)房節(jié)能運(yùn)行。