云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)域供冷適應(yīng)性分析

陳佳佳 鄭 潔 張少良

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云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)域供冷適應(yīng)性分析

陳佳佳1鄭 潔1張少良2

（1.重慶大學(xué) 重慶 400000；2.中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院 北京 100044）

以重慶市某云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)域供冷項(xiàng)目為例，分析區(qū)域供冷在云計(jì)算工業(yè)園區(qū)的適應(yīng)性。應(yīng)用模擬和理論計(jì)算，分析云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園的全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性及二次管網(wǎng)冷量損失，結(jié)果表明：空調(diào)負(fù)荷全年處于高負(fù)荷狀態(tài)，負(fù)荷率穩(wěn)定，有利于區(qū)域供冷的能效提升；二次管網(wǎng)冷量損失主要由水泵引起；在滿負(fù)荷二次管網(wǎng)冷量損失僅占輸送總冷量的2.04%。

區(qū)域供冷；數(shù)據(jù)機(jī)房；負(fù)荷分析；冷量損失；二次管網(wǎng)

0 引言

區(qū)域供冷系統(tǒng)由制冷站、區(qū)域輸配系統(tǒng)和末端用戶三部分組成。制冷站集中制造冷凍水，通過(guò)輸配系統(tǒng)向末端用戶輸送冷量，從而滿足某一特定區(qū)域內(nèi)多個(gè)建筑物的冷負(fù)荷需求[1]，一般認(rèn)為區(qū)域供冷項(xiàng)目具有的優(yōu)點(diǎn)有集中冷源效率高，冷熱源易于集中優(yōu)化控制和維護(hù)管理，易于降低污染排放量。在國(guó)內(nèi)也有不少工程實(shí)例，但目前仍有一些人反對(duì)該技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用，反對(duì)者認(rèn)為部分項(xiàng)目存在容積率低，長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷率的情況，導(dǎo)致機(jī)組效率下降，管網(wǎng)規(guī)模大，以及大輸配管網(wǎng)所需的水泵功耗不但降低系統(tǒng)效率，而且水泵散熱還將導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)水溫升高，減少有效輸冷量[2,3]。因此，區(qū)域供冷低負(fù)荷率和室外二次管網(wǎng)損失大導(dǎo)致供冷成本增加的主要因素。區(qū)域供冷系統(tǒng)更適合于負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定、常年需要供冷或者供熱的項(xiàng)目。而數(shù)據(jù)中心需要全年供冷，且冷負(fù)荷波動(dòng)小[4]，符合區(qū)域供冷系統(tǒng)的功能特點(diǎn)。本文以重慶市某云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)域供冷項(xiàng)目為例，具體分析區(qū)域供冷建筑負(fù)荷的全年變化情況，以及室外二次管網(wǎng)的冷損失，分析區(qū)域供冷在云計(jì)算工業(yè)園區(qū)的適用情況。

1 工程概況

本區(qū)域供冷項(xiàng)目位于重慶市某云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園，項(xiàng)目的供冷對(duì)象包含五家云計(jì)算企業(yè)，分別為企業(yè)A、B、C、D、E，五家云計(jì)算企業(yè)的數(shù)據(jù)機(jī)房均為A級(jí)數(shù)據(jù)中心。在云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園的中心，設(shè)置“云計(jì)算中心集中制冷站”，承擔(dān)云計(jì)算企業(yè)數(shù)據(jù)機(jī)房的生產(chǎn)計(jì)算產(chǎn)業(yè)園的中心，設(shè)置“云計(jì)算中心集中制冷站”，承擔(dān)云計(jì)算企業(yè)數(shù)據(jù)機(jī)房的生產(chǎn)冷負(fù)荷。各企業(yè)內(nèi)部均建設(shè)有動(dòng)力樓以電制冷機(jī)組為冷源，作為云計(jì)算中心數(shù)據(jù)機(jī)房的備用冷源，并承擔(dān)企業(yè)的生活供冷。企業(yè)與制冷站相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 云計(jì)算中心各企業(yè)位置分布

2 建筑負(fù)荷特性分析

目前各企業(yè)項(xiàng)目正處于建設(shè)階段，部分項(xiàng)目還處于規(guī)劃階段，企業(yè)內(nèi)已建立的數(shù)據(jù)機(jī)房也處于初始運(yùn)營(yíng)階段，并未全部投入運(yùn)行。因此，難以獲取各企業(yè)準(zhǔn)確的負(fù)荷數(shù)據(jù)。本文借助DeST軟件對(duì)已建成的典型數(shù)據(jù)機(jī)房建立負(fù)荷模型，模擬機(jī)房全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷，再對(duì)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸納和統(tǒng)計(jì)，計(jì)算五家云計(jì)算企業(yè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的空調(diào)負(fù)荷。這樣可得出整個(gè)區(qū)域的設(shè)計(jì)負(fù)荷、全年累計(jì)冷熱負(fù)荷以及負(fù)荷變化規(guī)律等參數(shù)。

2.1 建筑模型建立

（1）建筑物理因素

建筑物理因素包括建筑朝向、建筑底面形狀、建筑層高及層數(shù)、建筑體形系數(shù)、窗墻比、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)業(yè)主所提供的圖紙建立模型，并按照下表1中的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)在DeST軟件中進(jìn)行設(shè)置。

表1 數(shù)據(jù)機(jī)房維護(hù)結(jié)構(gòu)表

（2）內(nèi)擾因素

建筑的內(nèi)擾主要是人員、燈光以及設(shè)備等內(nèi)擾。數(shù)據(jù)機(jī)房基本上無(wú)工作人員，只有在檢修和維護(hù)工作才有人員，人員內(nèi)擾很小可忽略不計(jì)。數(shù)據(jù)機(jī)房全年連續(xù)運(yùn)行，燈光也始終保持開啟，且燈光內(nèi)擾為9W/m2。數(shù)據(jù)機(jī)房的主要內(nèi)擾由計(jì)算機(jī)服務(wù)器產(chǎn)生，內(nèi)擾的強(qiáng)度有服務(wù)器的臺(tái)數(shù)和功率決定，服務(wù)器功率的80%都轉(zhuǎn)換成熱量增加室內(nèi)負(fù)荷，參照業(yè)主提供的數(shù)據(jù)機(jī)房資料，將設(shè)備內(nèi)擾設(shè)置為1267W/m2。云計(jì)算中心數(shù)據(jù)機(jī)房全年8760小時(shí)連續(xù)工作，故在建筑全局設(shè)定中，將空調(diào)運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為全年連續(xù)運(yùn)行。

（3）外擾因素

建筑的外擾因素主要是室外設(shè)計(jì)參數(shù)、室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)與新風(fēng)量。室外設(shè)計(jì)參數(shù)包括室外空氣的溫濕度以及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，本文采用DeST軟件自帶的基于隨機(jī)模型形成的室外氣象參數(shù)作為室外設(shè)計(jì)條件。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)包括室內(nèi)溫濕度，根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)計(jì)資料，取干球溫度25℃，相對(duì)濕度50%。新風(fēng)量是保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要因素，其取值應(yīng)能維持正壓并滿足檢修人員的衛(wèi)生要求，新風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)置為1次/h。

2.2 建筑負(fù)荷模擬

圖2 云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷

利用DeST軟件對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房典型建筑模型進(jìn)行模擬得到數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)逐時(shí)單位面積負(fù)荷特征，結(jié)合本項(xiàng)目云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)的數(shù)據(jù)中心規(guī)模，考慮到數(shù)據(jù)中心機(jī)房全年8760h連續(xù)運(yùn)行，故在確定云計(jì)算中心集中制冷站冷源機(jī)組配置時(shí)，將五家云計(jì)算企業(yè)數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)的同時(shí)使用系數(shù)取值為1，再對(duì)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸納和統(tǒng)計(jì)，確定五家企業(yè)云計(jì)算中心數(shù)據(jù)機(jī)房的逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷。云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)逐時(shí)冷負(fù)荷見圖2所示，空調(diào)負(fù)荷全年處于高負(fù)荷狀態(tài)，負(fù)荷率變化不大，常年穩(wěn)定在79.8%—100%之間。經(jīng)計(jì)算，云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)五家云計(jì)算中心數(shù)據(jù)機(jī)房一期生產(chǎn)用冷設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為55000kW。

3 二次管網(wǎng)能耗損失分析

3.1 二次管網(wǎng)能耗損失計(jì)算模型

云計(jì)算中心集中制冷站生產(chǎn)的冷凍水經(jīng)冷凍水管網(wǎng)輸送至五家云計(jì)算企業(yè)用戶，在各企業(yè)換熱站內(nèi)的換熱器進(jìn)行熱交換后輸回，為間接連接形式。冷凍水管網(wǎng)采用直埋敷設(shè)，二次管網(wǎng)冷量損失主要包括水泵引起的冷量損失和供回水管網(wǎng)的冷量損失。

（1）水泵引起冷量損失

冷凍水泵在運(yùn)行期間散熱所引起的冷量損失，可采用利用冷凍水泵的實(shí)際運(yùn)行功率計(jì)算冷量損失[5]，即冷凍水泵的逐時(shí)運(yùn)行功率等于水泵冷量損失。計(jì)算公式如下：

式中，Δ為冷凍水泵引起的逐時(shí)冷損失，kW；W為單臺(tái)冷凍水泵的額定功率，kW；為冷凍水泵的實(shí)際運(yùn)行臺(tái)數(shù)；L為單臺(tái)冷凍水的實(shí)際流量，m3/h；L為單臺(tái)冷凍水泵的額定流量，m3/h。

（2）直埋管道引起冷量損失

圖3 直埋管道冷量損失計(jì)算圖

直埋敷設(shè)中單根直埋管的傳熱熱阻是由工作鋼管的熱阻、保溫層熱阻、外套管與防腐層的熱阻以及土壤熱阻4部分組成，如圖3所示。其中外套管與防腐層的熱阻相對(duì)而言較小，一般約占總熱阻的5%以下，通?？珊雎圆挥?jì)[6]。

直埋敷設(shè)方式冷損失計(jì)算公式如下[7]：

式中，為冷凍水管段保冷層的保溫系數(shù)，W/(m·K)；為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，可取2.5W/(m·K)；d為冷凍水管段保護(hù)層的外管徑，m；d為冷凍水管段鋼管的外管徑，m；R為管段保冷層熱阻，m·K/W；R為管段保護(hù)層外壁面與土壤的換熱熱阻，m·K/W；R為并聯(lián)敷設(shè)的管段由于相互傳熱所引起的附加熱阻，m·K/W；為冷凍水管段中心的覆土深度，m；為冷凍水供回水管道中心的間距，m。

式中，Δ為直埋敷設(shè)方式管道冷損失，W/m；t為室外環(huán)境溫度，℃；t為管道內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；t為另一管道內(nèi)介質(zhì)溫度，℃。

3.2 計(jì)算參數(shù)

針對(duì)本案例工程，區(qū)域二次管網(wǎng)分為3個(gè)環(huán)路，各環(huán)路管徑、管長(zhǎng)、保冷層厚度見表2。設(shè)計(jì)供/回水溫度為12/18℃，輸配系統(tǒng)采用變流量運(yùn)行模式。其中，保冷層保溫系數(shù)為0.033W/(m·K)；土壤導(dǎo)熱系數(shù)取2.5W/(m·K)；覆土深度為2.5m；回水管道中心的間距為冷凍水供回水管道中心的間距，取2m；取30℃進(jìn)行計(jì)算。

表2 各環(huán)路及管段參數(shù)設(shè)定

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

依據(jù)各建筑逐時(shí)冷負(fù)荷及供回水溫差求得逐時(shí)輸配流量，管徑、管材、保溫材料性質(zhì)及厚度和回填材料一經(jīng)敷設(shè)好便確定，因此理論計(jì)算認(rèn)為輸配冷損失量是室外地表面溫度及流量的函數(shù)。根據(jù)前文負(fù)荷分析負(fù)荷率在79.8%到100%之間，在根據(jù)各環(huán)路輸配的流量判定水泵開啟臺(tái)數(shù)及變頻功率，通過(guò)前文的冷量損失計(jì)算模型，計(jì)算在80%、90%、100%額定流量下案例項(xiàng)目二次管網(wǎng)冷損失量。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同流量下二次管網(wǎng)系統(tǒng)的冷量損失

從表3的冷量損失計(jì)算結(jié)果可知：

（1）二次管網(wǎng)在設(shè)計(jì)工況下的冷量損失總的來(lái)說(shuō)很小，在100%額定流量下總冷量損失為1123.6kW，而二次管網(wǎng)輸送的最大冷負(fù)荷為55000kW，冷量損失僅占輸送冷量的2.04%。

（2）供水管與回水管上平均單位長(zhǎng)度冷量損失分別為26.8kW，16.9kW，回水管比供水管總冷量損失低，這是由于供水管內(nèi)冷水的溫度比回水管內(nèi)的低，管內(nèi)冷水與周圍環(huán)境的溫差大，從而導(dǎo)致供水管的冷量損失大。

（3）在80%額定流量下，管網(wǎng)的冷損失占二次管網(wǎng)總冷損失的10.8%，在90%額定流量下二次泵，管網(wǎng)的冷損失占二次管網(wǎng)總冷損失的7.6%；在100%額定流量下二次泵，管網(wǎng)的冷損失占二次管網(wǎng)總冷損失的5.5%，管網(wǎng)冷損失占總冷損失的比例逐漸減小，總冷損失逐漸增大。二次泵引起的冷損失占輸配系統(tǒng)損失的90%左右，因此，合理設(shè)計(jì)二次管網(wǎng)系統(tǒng)，降低二次泵功率，能有效降低二次管網(wǎng)的冷量損失。

4 結(jié)論

（1）區(qū)域供冷建筑負(fù)荷采用全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)計(jì)算方式，云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園中數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)全年不間斷運(yùn)行，負(fù)荷率穩(wěn)定，符合區(qū)域供冷的運(yùn)行特點(diǎn)。

（2）在100%額定流量下二次管網(wǎng)冷量損失僅占輸送總冷量的2.04%，二次管網(wǎng)引起的冷量損失較小，有利于區(qū)域供冷的經(jīng)濟(jì)性。

（3）二次管網(wǎng)輸配系統(tǒng)冷量損失主要由水泵引起，合理設(shè)計(jì)區(qū)域供冷輸配管網(wǎng)系統(tǒng)，不僅可以降低水泵功率，而且能有效降低輸配系統(tǒng)的冷量損失。

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District Cooling Adaptability Analysis of Cloud Computing Industrial Park

Chen Jiajia1Zheng Jie1Zhang Shaoliang2

( 1.Chongqin University, Chongqing, 400000; 2.China Institute of Building Standard Design & Research, Beijing, 100044 )

With an actul example District Cooling Adaptability Analysis of Cloud computing Industrial Park in Chongqing, Analyzing adaptability ofdistrict cooling. Application simulations and theoretical calculations of cloud computing load calculation and analysis of secondary pipe cooling loss of industrial parks, the results showed that: the air conditioning load throughout the year in the high load state, load rate remained stable, In favor of district cooling energy efficiency improvements; secondary pipe net cooling loss is mainly caused by the pump; at 100% of rated flow of the second pipe cooling loss is only 2.04% of the total transport volume of cold.

district cooling; date room; load analysis; cooling loss; Secondary pipe network

1671-6612（2016）06-664-04

TU995

A

陳佳佳（1992.05-），男，在讀碩士研究生，E-mail：chenjia115@qq.com

鄭 潔（1960-），女，教授，E-mail：zj187@cqu.edu.cn

2016-06-10