某電信機房節能改造全年能效的熱力學分析

陳飛虎 廖曙光

1 湖南大學土木工程學院

2 長沙麥融高科股份有限公司

隨著互聯網及信息化飛速發展，數據中心蓬勃發展。我國數據中心平均能量利用系數PUE（Power Use Efficiency）在2.0～2.5，而世界平均水平在1.5 以下[1]。傳統的風冷精密空調在降溫的時候進行了除濕，而為了保證室內濕度要求，又需要對其進行加熱，造成了能量的浪費[2]。針對機房顯熱比大的特點，單元式水冷多聯熱管技術被引入。凌等對應用湖水自然冷源的單元式水冷多聯熱管系統采用分類討論的方法與采用傳統風冷精密空調方式進行了對比，結果表明系統可以節約70%以上[3]。本課題組應用時間累計的方法對某信息數據機房IDC（Information Data Center）機房的單元式水冷多聯熱管系統改造的全年能效進行了對比分析[4]。但以上方法均為間接的方法，不能反應系統的真實運行狀況。本文將應用國際上先進的有限時間熱力學方法，對某電信機房單元式水冷多聯熱管系統改造的全年能效進行建模和仿真計算，提出精度更高的評價新方法。

1 單元式水冷多聯熱管的物理模型

機房發熱量1307.92 kW，包括圍護結構負荷等，機房冷負荷總計1680.25 kW。機房空調系統采用佳力圖等風冷式機房專用精密空調，100 kW 的空調17 臺。精密空調標準設計工況為：冷凝溫度30 ℃。

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

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

圖1 單元式水冷多聯熱管系統圖

表1 為IDC 機房平均室外氣象溫度分布表，表2為熱管系統運行模式，表3 熱管空調改造設備參數表。

表1 IDC 機房平均室外氣象溫度分布表

表2 熱管系統運行模式

表3 熱管空調改造設備參數表

2 單元式水冷多聯熱管系統全年能效的數學模型

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

圖2 空調制冷機組的T-S 圖

2.1 冷凝器的火用分析

當室外溫度大于17 ℃時，系統采用機械制冷模式，冷凝熱Qcond等于從2 狀態到狀態點4 的焓降[5]。

在不同的室外溫度對應系統不同的冷凝溫度，根據制冷劑的T-S圖，4 點的狀態可以確定。

又有：

2.2 壓縮機的火用分析

質量流量為mref的制冷劑逐時進入壓縮機的狀態為1，排出時為2，由于壓縮機壓縮過程的不可逆性，產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，壓縮機耗功為：

全年機械制冷模式壓縮機的功耗等于：

壓縮機實際壓縮終點狀態2 點參數可由下式來確定[7]：

所以：

式中：ηis,c表示壓縮機的等熵壓縮效率，本機組采用離心式壓縮機，其等熵壓縮效率與活塞式壓縮機相比提高約10%左右，這里取0.85。狀態點1 點和3 點由蒸發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 狀態到狀態點8 的焓降[9]。

根據T-S圖，7、8 點的狀態可以確定。

又有：

2.4 熱管末端的火用分析

熱管末端實際上是一個換熱器，可以采用蒸發器的模型。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制冷劑對室內回風吸熱轉化為氣態，進入CDU?？諝鉁囟冉档?。如圖3 中的過程線9～6。當冷量被利用時，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、出口空氣的焓值，sevai、sevao為空氣進出口的熵值。

3 單元式水冷多聯熱管系統全年能效的仿真模型

3.1 機械制冷模式

3.1.1 冷凝器的仿真模型

圖4 冷凝器的逐時仿真模型

3.1.2 壓縮機的仿真模型

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

圖5 壓縮機仿真模型

3.2 部分自然冷卻模式

當室外氣溫在12～17 ℃時，系統采用部分自然冷卻模式。冷水先由冷卻塔預冷降溫后，再進入制冷的主機。

根據輸入的室外溫度，如圖6：

圖6 部分冷卻模式仿真模型

3.3 自然冷卻模式

當室外空氣溫度低于12 ℃時，制冷主機關閉，系統切換為自然冷卻模式。

系統全年的輸入功：

4 計算結果與討論

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

5 結論

應用有限時間熱力學分析方法，建立了全年能效的計算模型。將全年室外逐時氣溫作為輸入值，得到熱管系統全年能效，并提出了單元式水冷多聯熱管系統的能效評價新方法。實測數據表明該模型能達到工程精度要求，可以為熱力系統的能效評價提供參考。