基于自然冷卻技術應用的數據中心空調節能分析

呂繼祥　王鐵軍, 　趙 麗　王景暉　胡力文 　劉廣輝　趙紹博

(1合肥工業大學機械與汽車工程學院　合肥　230009；2 滁州揚子空調器有限公司　滁州　239000；3 曙光信息產業股份有限公司　北京　100193)

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基于自然冷卻技術應用的數據中心空調節能分析

呂繼祥1王鐵軍1, 2趙 麗1王景暉1胡力文1劉廣輝3趙紹博2

(1合肥工業大學機械與汽車工程學院合肥230009；2 滁州揚子空調器有限公司滁州239000；3 曙光信息產業股份有限公司北京100193)

本文基于數據中心空調系統的選型和節能設計，以風冷直膨式機組、風冷雙冷源冷水機組和熱管復合式制冷機組為研究對象，建立了三種類型空調系統的能效計算模型；基于DEST提供的廣州、上海、北京和哈爾濱四個城市的氣象數據，以相同的空調負荷和回風參數為條件，對三類空調的年均能效(AEER)進行計算和對比分析。結果表明：三類機組的年均能效自南向北隨著平均氣溫的降低而逐漸提高，分別為4.07～4.45、4.00～6.84、4.27～8.20；相比前二類機組，熱管復合式制冷機組的節能幅度分別為4.8%～46%和6.4%～16.6%；雙冷源制冷機組由于能夠應用自然冷卻替代或部分替代高能耗的壓縮制冷，相比風冷直膨式機組節能優勢明顯；與風冷雙冷源冷水機組相比，熱管復合式制冷機組的制冷劑輸送功小、換熱端工作效率高、沒有防凍問題等優點，是年均氣溫較低地區數據中心空調的首選。

空調節能；數據中心；自然冷卻；模型；分析

信息技術的高速發展和廣泛應用推動了數據中心建設規?？焖僭鲩L，數據中心是典型的高密度耗能電子設備集成區，其中包括服務器、通信、存儲、空調、配電、安監等設備。中國數據中心的PUE普遍在2.0以上，相比先進數據中心1.2的PUE值，節能潛力巨大[1]。數據中心的能耗構成中，空調系統約占35%～45%[2]，因此，高效空調設備的研發和應用是實現數據中心節能減排的關鍵之一。目前應用于數據中心的空調設備主要有兩類：一類是傳統的蒸氣壓縮式制冷機組，包括風(水)冷直膨式機組和風(水)冷冷水機組[3]；另一類是將自然冷卻與蒸氣壓縮制冷集成為一體的雙冷源制冷機組，典型的是雙冷源冷水機組和熱管復合式制冷機組[4-6]。近年來，集成分離式熱管技術與蒸氣壓縮制冷技術為一體的熱管復合式制冷空調系統的研發和應用取得進展，石文星等[7]研發的重力型熱管/蒸氣壓縮空調機組，邵雙全等[8]研發的機械制冷/回路熱管一體式機房空調系統，綜合能效大幅提升；馬國遠等[9-10]采用液泵驅動熱管循環的機組對數據中心進行制冷，在室外溫度低于15 ℃時比普通空調節電1/3；艾默生、佳力圖、克萊門特、依米康等制造商也相繼推出雙冷源機房空調產品。本課題組研發的熱管復合式制冷機組解決了分離式熱管系統與蒸氣壓縮制冷系統兼容運行、制冷量精確調節和遠距離輸送等問題[11-13]，開發了多聯空調系統的能量調節與自適應控制技術[14]，自主研發的HKF-200FH、HKF-60FH等規格產品在數據中心空調工程應用中得到檢驗。

風冷直膨式制冷機組在數據中心空調中普遍應用，與之相比應用自然冷卻的雙冷源制冷技術還處于技術成熟期和推廣應用階段，雙冷源制冷的主要特點有：1)低溫季節可以部分或全部應用自然冷卻替代壓縮制冷，節能潛力大；2)避免了低溫季節運行壓縮制冷易產生的冷啟動、能量調節、回油潤滑等可靠性問題；3)缺點是存在第一工質與第二工質的傳熱損失，以及第二工質的輸送功。雙冷源制冷機組都具有直接利用自然冷源的優勢，區別在于雙冷源冷水機組的第二工質采用水、乙二醇等流體，循環過程中利用顯熱傳熱，在相同空調負荷下，與第二工質相變換熱的熱管復合式機組相比，前者的循環質量流量約為后者的7～10倍、輸送功大幅增加、換熱系數稍低，并存在防凍問題。

數據中心空調系統的選型設計、節能控制和運維管理，與其所在地氣象條件和冷源類型密切相關，為了理清各類機型的節能效果，基于DEST氣象數據，以相同空調負荷和回風參數為條件，根據分析對象的差異性及其寬溫區制冷性能，對風冷直膨式機組、雙冷源冷水機組和熱管復合式機組三類空調的能效進行對比分析，為數據中心空調選型設計提供依據。

1 三類機房空調能耗模型

1.1 能耗模型

1.1.1 風冷直膨式機組

風冷直膨式機組逐時功率的計算模型如下式：

(1)

式中：PCCi為風冷直膨式機組的逐時功率，kW；Qi為逐時冷負荷，kW；COPCCi為壓縮制冷系統的逐時效率；Pifan為室內風機功率，kW。

1.1.2 熱管復合式機組

圖1為一種熱管復合式制冷系統[11-12]，由分離式熱管模塊和壓縮制冷模塊復合構成，具有壓縮制冷、復合制冷和熱管制冷三種工作模式。如圖2所示，壓縮制冷區循環模式(室外空氣溫度>T1)：全部冷量由壓縮制冷模塊提供，第二工質在液泵驅動下經過冷凝蒸發器放熱冷凝，為室內側循環供冷；復合區循環模式(T1≥室外空氣溫度≥T2)：熱管模塊滿負荷運行，最大化利用自然冷源，壓縮制冷模塊根據熱負荷變化適量運行以補充冷量，熱負荷較小時壓縮制冷模塊自動停機；熱管循環模式(室外空氣溫度

1蒸發器 2閥A 3換器A 4換熱器 5儲液器 6液泵 7閥B8熱管模塊 9壓縮制冷模塊 10壓縮機 11冷凝器 12膨脹閥圖1 熱管復合制冷系統流程原理Fig.1 Schematic diagram of composite refrigeration system with heat pipe

圖2 熱管復合制冷系統工作溫區劃分Fig.2 Working temperature area division of composite refrigeration system with heat pipe

根據上述三種工作模式，熱管復合式機組逐時功率的計算模型如下：

1)壓縮制冷模式

(2)

式中：PRCi為壓縮制冷區熱管復合式機組逐時功率，kW；COPRi為熱管復合式機組壓縮制冷模塊逐時效率；Prpump為氟泵功率，kW；Pifan為室內風機功率，kW。

2)復合制冷模式

(3)

式中：PRFi為復合區熱管復合式機組逐時功率，kW；QRi為熱管制冷量，kW。

3)熱管制冷模式

PRZi=Pcfan+Prpump+Pifan

(4)

式中：PRZi為熱管區熱管復合式機組逐時功率，kW；Pcfan室外冷卻風機功率，kW。

1.1.3 風冷雙冷源冷水機組

高效的風冷雙冷源冷水機組具有三種工作模式，高溫季節與常規風冷冷水機組一樣運行壓縮制冷模式；過渡季節室外環境溫度低于冷凍水回水溫度時，優先利用風冷為回水降溫，不足冷量由壓縮制冷模塊提供，即為自然冷卻與壓縮制冷兼容運行的復合制冷模式；低溫季節具備足夠的傳熱溫差時，壓縮制冷系統關閉，全部利用自然冷卻提供空調冷量。根據風冷雙冷源冷水機組的三種工作模式，其逐時功率的計算模型如下：

1)壓縮制冷模式

(5)

式中：PSCi為壓縮制冷區風冷雙冷源冷水機組逐時功率，kW；COPSi為風冷雙冷源冷水機組壓縮制冷模塊逐時效率；Pwpump為水泵功率，kW；Pifan為室內風機功率，kW。

2)復合制冷模式

(6)

式中：PSFi為復合區風冷雙冷源冷水機組逐時功率，kW；QCi為風冷冷卻制冷量，kW。

3)風冷冷卻模式

PSZi=Pcfan+Pwpump+Pifan

(7)

式中：PSZi為風冷雙冷源冷水機組逐時功率，kW；Pcfan室外冷卻風機功率，kW。

1.2 壓縮制冷循環效率

蒸氣壓縮制冷的循環效率與環境溫度、制冷循環參數和熱負荷相關。設定分析對象具有相同的內、外部熱環境和室內側送風參數，則制冷循環的冷凝溫度均隨外部環境溫度下降而降低，影響不同機型制冷循環效率的主要因素是蒸發溫度。在室外環境溫度和室內送風量、送風溫度相同的條件下，由于工作原理的不同，風冷直膨式制冷機組、熱管復合式制冷機組、風冷雙冷源冷水機組的蒸發溫度依次下降，因而循環效率相應降低。

根據蒸氣壓縮制冷系統參數匹配的基本關系和上述三種制冷機組的特性，設定如下：1)額定工況冷凝溫度與環境溫度的溫差為15 ℃；2)數據中心空調末端回風溫度均為33 ℃，其中風冷雙冷源冷水機組的供/回水溫度分別為12 ℃/18 ℃，熱管復合式機組的供液飽和溫度16 ℃、回氣溫度18 ℃。根據以上設定并結合市場上知名品牌產品的性能數據[15]，統計了三種制冷機組中壓縮制冷模塊COP隨室外環境溫度的變化關系，如圖3所示。

圖3 COP與室外環境溫度關系Fig.3 Relationship between COP and outdoor environment temperature

1.3 自然冷卻模塊的制冷特性

數據中心室內溫度與室外環境溫度達到一定差值時，雙冷源制冷機組自然冷卻模塊啟動工作，其制冷量隨著室內外溫差的增大而增大。在空調負荷和回風參數恒定的條件下，當室內外溫差大于一定值時，調節室外風機轉速來滿足空調對象的熱平衡。設定空調負荷均為1MW，參考熱管復合式機組的實驗數據[16]和克萊門特等雙冷源冷水機組的性能參數，可得到兩種自然冷卻模塊的特性曲線，如圖4所示。

圖4 自然冷卻模塊制冷特性Fig.4 Refrigerating capacity of natural cooling module

2 數據中心空調能效對比分析

2.1 自然冷源的資源目標地區氣象資料對比分析

根據DeST隨機氣候模型，分別統計了廣州、上海、北京和哈爾濱四個城市全年干球溫度逐時變化數據。統計結果表明，自南向北，上海、北京和哈爾濱三個城市，全年干球溫度低于10 ℃的時間分別接近五個月、六個月及八個月，均有豐富的自然冷源資源，為雙冷源空調系統的應用提供了良好的氣候條件；廣州地區全年氣溫低于10 ℃的時間不到兩個月，可利用的自然冷源的量能較小。

表1 工作溫區設定

表1為熱管復合式機組與風冷雙冷源冷水機組的工作模式所對應的工作溫區。根據四個城市氣象數據得到兩種空調機組全年各工作模式運行時間占比，如圖5所示。廣州、上海、北京及哈爾濱由于氣候條件的差異，自然冷卻模塊全年工作時數占比分別為21%、45.1%、57%和69.9%。

圖5 四城市各工作模式全年運行時間占比Fig.5 Annual running time proportion of every mode in four cities

2.2 計算與分析

大型數據中心為確保室內空氣質量普遍采用密閉式維護結構，并以IT等設備的發熱量作為數據中心的空調設計負荷。以1MW空調負荷為基數，在相同的回風參數條件下，分別計算三種類型空調系統的全年運行總能耗。

圖6 三種空調機組各城市全年能耗Fig.6 Annual energy consumption distribution of three kinds of air conditioning units in every city

圖6為基于四個城市氣象數據的三類空調機組的全年能耗計算值，自南向北隨著城市平均氣溫的降低，風冷直膨式機組、風冷雙冷源冷水機組和熱管復合式機組的全年能耗均呈下降趨勢，年均能效最大升幅分別為9.34%、71.00%和92.04%，由此可見平均氣溫越低空調機組的能效越高。氣候寒冷的北方地區更利于數據中心空調系統的節能運行，其中風冷雙冷源冷水機組和熱管復合式機組由于應用自然冷卻技術，在氣候寒冷地區節能減排的優勢更為突出。

由表2可知，在自然冷源豐富的哈爾濱、北京和上海，風冷雙冷源冷水機組和熱管復合式機組與風冷直膨式機組相比運行能耗均有大幅下降，在平均氣溫最低的哈爾濱相對能耗降幅分別達到34.9%和46%，其節能效果與自然冷卻技術應用的“傳熱溫差”與“運行時間”的“積”相關。值得注意的是，在廣州使用風冷雙冷源冷水機組的能耗相對風冷直膨式機組提高了2%，其原因是廣州全年平均氣溫較高，致使自然冷卻應用的時間短、溫差小，且水泵功耗較大，使得其全年能耗不降反升。

四個城市中三類空調機組的全年運行能耗計算結果顯示，熱管復合式機組節能優勢最為突出，相比風冷直膨式機組和風冷雙冷源冷水機組節能幅度分別為4.8%～46%和6.4%～16.6%。

表2 三種數據中心空調全年運行能耗對比

3 結論

本文建立了風冷直膨式制冷機組、風冷雙冷源冷水機組和熱管復合式機組數據中心空調系統全年運行能耗的分析模型，基于DEST提供的廣州、上海、北京和哈爾濱4個城市的氣象數據，以相同的空調負荷和回風參數為條件，對上述三類型空調的年度總能耗進行計算和對比分析。得到如下分析結果：

1)風冷直膨式制冷機組、風冷雙冷源冷水機組和熱管復合式機組三類數據中心空調系統的年均能效自南向北隨著平均氣溫的降低而逐漸提高，分別為4.07～4.45、4.00～6.84、4.27～8.20；

2)相比風冷直膨式制冷機組和風冷雙冷源冷水機組，熱管復合式制冷機組隨著應用地區平均氣溫的降低，節能率分別提高4.8%～46%、6.4%～16.6%；

3)雙冷源空調機組由于能夠應用自然冷卻替代或部分替代高能耗的蒸氣壓縮制冷，相比風冷直膨式空調機組節能優勢明顯；與風冷雙冷源冷水機組相比，熱管復合式制冷機組的冷媒輸送功小、換熱端工作效率高、沒有防凍問題等優點，是年均氣溫較低地區數據中心空調的首選。

[1]呂天文. 2014年度中國機房精密空調產品市場回顧與展望[J]. 制冷與空調(北京), 2014, 14(9): 4-7. (LYUTianwen.ReviewandprospectofChinaCRACmarketin2014[J].RefrigerationandAir-conditioning, 2014, 14(9): 4-7.)

[2]田浩, 李震, 劉曉華, 等. 數據中心熱環境評價指標研究[J]. 制冷學報, 2012, 33(5): 5-9. (TIANHao,LIZhen,LIUXiaohua,etal.Studyonthermalenvironmentevaluationindatacenters[J].JournalofRefrigeration, 2012, 33(5): 5-9. )

[3]EbrahimiK,JonesGF,FleischerAS,etal.Areviewofdatacentercoolingtechnology,operatingconditionsandthecorrespondinglow-gradewasteheatrecoveryopportunities[J].RenewableandSustainableEnergyReviews, 2014, 31(2): 622-638.

[4]VakiloroayaV,SamaliB,PishghadamK.Acomparativestudyontheeffectofdifferentstrategiesforenergysavingofair-cooledvaporcompressionairconditioningsystems[J].Energy&Buildings, 2014, 74(7): 163-172.

[5]徐偉. 北京某數據機房空調節能設計[J]. 暖通空調, 2011, 41(8): 19-20. (XUWei.Airconditioningenergysavingdesignforadatacenter[J].JournalofHV&AC, 2011, 41(8): 19-20.)

[6]SrinarayanaN,FakhimB,BehniaM,etal.Thermalperformanceofanair-cooleddatacenterwithraised-floorandnon-raised-floorconfigurations[J].HeatTransferEngineering, 2014, 35(4): 384-397.

[7]石文星, 翰林俊, 王寶龍, 等. 熱管-蒸氣壓縮復合空調原理及其在高發熱量空間的應用效果分析[J].制冷與空調(北京), 2011, 11(1): 30-36. (SHIWenxing,HANLinjun,WANGBaolong,etal.Principleofcombinedairconditionerbyheatpipeandvaporcompressionanditsapplicationanalysisinhighheatdensityspace[J].RefrigerationandAir-conditioning. 2011, 11(1): 30-36.)

[8]張海南, 邵雙全, 田長青. 機械制冷/回路熱管一體式機房空調系統研究[J]. 制冷學報, 2015, 36(3): 29-33. (ZHANGHainan,SHAOShuangquan,TIANChangqing.Performanceanalysisonintegratedsystemofmechanicalrefrigerationandthermosyphon[J].JournalofRefrigeration, 2015, 36(3): 29-33.)

[9]張雙, 馬國遠, 周峰, 等. 數據機房自然冷卻用泵驅動回路熱管換熱機組性能實驗研究[J]. 土木建筑與環境工程, 2013, 35(4): 145-150.(ZHANGShuang,MAGuoyuan,ZHOUFeng,etal.Experimentalanalysisonfunctionoffreecoolingunitwithapump-drivenloopheatpipeforinternetdatacenter[J].JournalofCivil,Architectural&EnvironmentalEngineering, 2013, 35(4): 145-150.)

[10] 馬國遠, 魏川鋮, 張雙, 等. 某小型數據中心散熱用泵驅動回路熱管換熱機組的應用研究[J]. 北京工業大學學報, 2015, 41(3): 439-445. (MAGuoyuan,WEIChuancheng,ZHANGShuang,etal.Applicationofapumpedloopheatpipeheatexchangerunitforasmalldatacenter[J].JournalofBeijingUniversityofTechnology, 2015, 41(3): 439-445.)

[11] 王鐵軍, 王冠英, 王蒙, 等. 高性能計算機用熱管復合制冷系統設計研究[J]. 低溫與超導, 2013, 41(8)：63-66. (WANGTiejun,WANGGuanying,WANGMeng,etal.Designandstudyofcompositerefrigerationsystemwithheatpipeusedinhigh-performancecomputer[J].Cryogenics&Superconductivity, 2013, 41(8): 63-66.)

[12] 王鐵軍, 高才, 王蒙, 等. 機房用熱管復合型空調機組及其工作方式, 201210037332.8[P]. 2014-01-15.

[13] 王鐵軍, 王飛, 李宏洋, 等. 動力型分離式熱管設計與實驗研究[J]. 制冷與空調(北京), 2014, 14(12): 41-43.(WANGTiejun,WANGFei,LIHongyang,etal.Designandexperimentstudyofseparatetypeheatpipe[J].RefrigerationandAir-conditioning, 2014, 14(12): 41-43.)

[14] 王鐵軍, 李宏洋, 吳昊, 等.一種多功能換熱器的設計與實驗[J]. 流體機械, 2014, 42(9): 1-4.(WANGTiejun,LIHongyang,WUHao,etal.Designandexperimentofakindofmulti-functionalheatexchanger[J].FluidMachinery, 2014, 42(9):1-4.)

[15] 王前方, 彭少華, 丁麟鋼. 數據中心直接蒸發型風冷機房空調和水冷冷水空調方案的能效分析[J]. 暖通空調, 2014, 44(7)：29-31, 39.(WANGQianfang,PENGShaohua,DINGQigang.Energyefficiencyanalysisbetweenaircoolingdirectionevaporativeairconditioningandwatercoolingairconditioningsolutionfordatacenters[J].JournalofHV&AC, 2014, 44(7): 29-31, 39.)

[16] 施鋮.復合型環控機組檢測報告[R]. 廣州: 威凱檢測技術有限公司, 2015.

Aboutthecorrespondingauthor

WangTiejun,male,professor,theheadofRefrigerationandAirConditioningInstitute,HefeiUniversityofTechnology, +86 13905510159.E-mail:wtj555@sina.com.Researchfields:conservationandutilizationofenergyinrefrigerationandairconditioningsystem.

EnergySavingAnalysisofDataCenterAirConditioningSystemBasedonApplicationofNaturalCoolingTechnology

LüJixiang1WangTiejun1, 2ZhaoLi1WangJinghui1HuLiwen1LiuGuanghui3ZhaoShaobo2

(1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei, 230009,China; 2.YangziGroupSuzhouYangziAirConditionerCo.,Ltd.,Chuzhou, 239000,China; 3.SugonInformationIndustryCo.,Ltd.,Beijing, 100193,China)

Inorderforbetterselectionandenergysavingdesignofdatacenterairconditioningsystem,energyconsumptionmodelsforthreetypesofdatacenterairconditioning,aircoolingdirectexpansionunit,dualcoolingsourcechillerandcombinedrefrigerationunitwithheatpipe,wereestablished.Theannualenergyefficiencyratio(AEER)andannualenergyconsumptionofthethreetypesofair-conditionswiththesameairconditioningloadandreturnairparameterswerecalculatedandanalyzedbasedonthemeteorologicaldataoffourcities,i.,e.,Harbin,Beijing,ShanghaiandGuangzhouinDEST.TheresultsshowedthattheAEERofthesethreeunitsincreasealongwiththedecreaseoftheaveragetemperaturefromsouthtonorth.Asaresult,theAEERofthemare4.07-4.45、4.00-6.84and4.27-8.20.Comparingthecombinedrefrigerationunitwithheatpipewithaircoolingdirectexpansionunitanddualcoolingsourcechiller,theenergysavingrateoftheheatpipeis4.8%-46%and6.4%-16.6%respectively.Incomparisonwiththeaircoolingdirectexpansionunit,theenergysavingofdualcoolingsourceunitareobvious,becauseitcanusenaturalcoolingresourcetoreplaceorpartiallyreplacethecompressionrefrigeration.Comparedwithdualcoolingsourcechiller,combinedrefrigerationunitwithheatpipehastheadvantagesoflowrefrigeranttransportingpower,highheatexchangeefficiencyandanti-freezing.Therefore,combinedrefrigerationunitwithheatpipeisthefirstchoiceforthedatacenterairconditioningsysteminlowannualtemperaturearea.

airconditioningenergysaving;datacenter;naturalcooling;model;analysis

0253- 4339(2016) 03- 0113- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.113

2015年10月15日

TB657.2；TP308

A

簡介

王鐵軍，男，教授，合肥工業大學制冷與空調技術研究所所長，13905510159，E-mail:wtj555@sina.com。研究方向：制冷空調系統節能與能源綜合利用。