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    應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的氟泵自然冷卻機(jī)組的模擬計(jì)算

    2018-07-10 08:20:26韓小磊涂淑平李學(xué)章
    制冷 2018年2期
    關(guān)鍵詞:模擬計(jì)算冷卻系統(tǒng)環(huán)境溫度

    韓小磊,涂淑平,李學(xué)章

    (上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海201306)

    1 引言

    數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排一直是數(shù)據(jù)中心行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn),根據(jù)國(guó)家能源中心頒布數(shù)據(jù)顯示,2015年數(shù)據(jù)機(jī)房能耗高達(dá)1000億kWh,且絕大數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE能效值比2.2大,與美國(guó)等有名的數(shù)據(jù)中心有較大的能耗差異。本文所介紹的氟泵自然冷卻系統(tǒng)能充分利用自然冷源來(lái)代替機(jī)械制冷以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

    2 氟泵冷卻機(jī)組原理及設(shè)計(jì)

    2.1 氟泵冷卻機(jī)組的原理

    氟泵冷卻[1]-[4]裝置主要由儲(chǔ)液器、氟泵和管道閥組成。氟泵系統(tǒng)必須與專用的風(fēng)冷型空調(diào)配套使用??照{(diào)系統(tǒng)包括壓縮式制冷循環(huán)和氟泵制冷循環(huán),形成一個(gè)完整的全天候制冷系統(tǒng)。

    氟泵自然冷卻系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。在室外溫度比較高的夏季時(shí),機(jī)房的制冷系統(tǒng)為壓縮式制冷,在過(guò)渡時(shí)期或者冬季,室外的溫度低于設(shè)定值時(shí),制冷模式切換到氟泵自然冷卻模式。氣態(tài)氟利昂氣體在室外空氣冷卻冷凝器冷卻變?yōu)榈蜏匾后w,通過(guò)泵壓將氟液輸至室內(nèi)蒸發(fā)器節(jié)流吸熱變成氣態(tài),然后輸至室外空氣冷卻冷凝器再次液化成液態(tài)的氟利昂制冷劑,周而復(fù)始的重復(fù)上述的過(guò)程。因?yàn)榉玫碾姽β蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)的電功率,自然冷卻的能量效率大于壓縮機(jī)的能量效率,所以氟泵自然冷卻系統(tǒng)更能體現(xiàn)出節(jié)能的目的。

    2.2 氟泵冷卻機(jī)組設(shè)計(jì)工況

    已知氟泵冷卻機(jī)組的名義制冷量為40kW,其使用工況如表1所示:

    表1 氟泵自然冷卻系統(tǒng)使用工況

    圖2 流體溫度變化圖

    以氟泵冷卻機(jī)組的使用工況作為其設(shè)計(jì)工況:

    當(dāng)室外環(huán)境溫度設(shè)定在8℃,蒸發(fā)器的入口側(cè)的空氣溫度為32℃,蒸發(fā)器出風(fēng)口的空氣溫度為24℃,氟泵制冷劑的工作溫度為17℃,則室內(nèi)外空氣的溫度變化如圖2所示,泵的輸送效率η=0.9。

    2.3 氟泵冷卻機(jī)組設(shè)計(jì)方案

    氟泵自然冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是壓縮機(jī)的機(jī)械式制冷與氟泵系統(tǒng)的復(fù)合技術(shù),并且以降低制造成本、高可靠性、良好的調(diào)節(jié)性能和節(jié)能效果[5]為設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于數(shù)據(jù)中心的等級(jí)不同,服務(wù)器數(shù)量不同,所以其熱負(fù)荷不同,所以氟泵自然冷卻系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì),可以根據(jù)具體的對(duì)象配置相應(yīng)數(shù)量的氟泵自然冷卻系統(tǒng)。同時(shí)模塊化的產(chǎn)品也便于以后規(guī)?;?、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),也會(huì)降低相應(yīng)的制造成本。

    針對(duì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保[6]-[9]的要求,我們提出了空調(diào)設(shè)計(jì)方案具體如下:

    氟泵自然冷卻空調(diào)有彼此獨(dú)立的機(jī)械式制冷單元和氟泵制冷單元,在換熱器之間通過(guò)電磁閥和氟泵的切換而組成,冷量由兩個(gè)單元直接提供,其控制方式為:當(dāng)室外側(cè)的溫度與室內(nèi)側(cè)的溫度的差值大于設(shè)定的溫度差值時(shí),則數(shù)據(jù)中心的冷量由機(jī)械式制冷單元直接提供;當(dāng)室外側(cè)溫度與內(nèi)測(cè)溫度的差值小于或等于設(shè)定的差值時(shí),氟泵系統(tǒng)開始工作,制冷量不足的部分由機(jī)械式制冷單元提供;當(dāng)室外測(cè)溫度繼續(xù)下降時(shí)。機(jī)械壓縮式制冷直接停止工作,所需的冷量單獨(dú)由氟泵系統(tǒng)提供。

    3 以南通某數(shù)據(jù)中心進(jìn)行氟泵自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)全年模擬分析

    為了進(jìn)一步研究氟泵自然冷卻系統(tǒng)的節(jié)能性,對(duì)40kW的氟泵自然冷卻空調(diào)進(jìn)行全年的運(yùn)行模擬能耗分析。

    由于空調(diào)工作的過(guò)程是一直變化的,我們?yōu)榱撕?jiǎn)化模擬過(guò)程,假設(shè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的計(jì)算服務(wù)器全年滿負(fù)荷運(yùn)行,制冷量為40kW,室內(nèi)側(cè)換熱器的風(fēng)量滿足機(jī)房環(huán)境溫度的要求,室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)的功率Pifan=1.2kW,室外側(cè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量隨環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),風(fēng)機(jī)的功率為Pofan=2kW;氟泵系統(tǒng)中所選用氟泵的體積流量為qh=1.0m3/h,額定的功率Ppump=0.4kW。我們根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和模擬分析結(jié)果綜合下設(shè)定氟泵系統(tǒng)的工作模式切換規(guī)則如下:

    (1)當(dāng)室外溫度小于或等于8℃時(shí),該系統(tǒng)為氟泵自然冷卻方式,壓縮機(jī)不工作;

    (2)當(dāng)室外環(huán)境溫度介于8℃到21℃時(shí),系統(tǒng)切換為復(fù)合循環(huán)模式,不足的冷量有制冷單元提供;

    (3)當(dāng)室外環(huán)境溫度為21℃時(shí),系統(tǒng)切換為壓縮制冷循環(huán)模式,氟泵停止工作。

    針對(duì)以上3種工作模式劃分,采用下面的公式模擬計(jì)算空調(diào)模塊能耗:

    (1)氟泵自然冷卻工作模式,機(jī)組的總的功率:

    式中:

    P1—氟泵自然冷卻模式時(shí)空調(diào)模塊的總功率,kW;

    Pifan—室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)的功率,kW;

    Pofan—氟泵系統(tǒng)室外側(cè)風(fēng)機(jī)的功率,kW。

    氟泵自然冷卻模式全年總能耗:

    式中:W1—氟泵自然冷卻模式全年總能耗,kW·h;t8—氟泵自然冷卻模式全年運(yùn)行時(shí)間,即全年室外環(huán)境溫度為8℃的時(shí)間,單位h。

    (2)復(fù)合循環(huán)模式,氟泵自然冷卻模式滿負(fù)荷運(yùn)行,不足的冷量由壓縮式制冷來(lái)補(bǔ)充,為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,我們先利用壓縮式制冷的COP估算其制冷功率。對(duì)于某一室外側(cè)環(huán)境溫度下,空調(diào)模塊的總的電功率如下:

    式中:

    P2i—當(dāng)室外側(cè)溫度為i℃時(shí),空調(diào)模塊的總功率;kW;

    Q0—空調(diào)模塊的制冷量;

    Qhi—對(duì)應(yīng)室外側(cè)環(huán)境溫度 i℃時(shí),根據(jù) EES模擬計(jì)算得到的氟泵自然冷卻滿負(fù)荷運(yùn)行所提供的制冷量,kW。

    COP—壓縮式制冷的能效比,即制冷量與系統(tǒng)總的能耗的比值。此處取COP為3.4。

    復(fù)合循環(huán)模式全年總能耗計(jì)算:

    式中:

    W2—復(fù)合循環(huán)模式的全年總能耗,kW·h;ti—室外側(cè)環(huán)境溫度i℃的全年時(shí)間,h。

    (3)壓縮式制冷循環(huán)模式,此時(shí)空調(diào)模塊的總功率可表示為:

    式中:

    P3—壓縮式制冷循環(huán)時(shí)空調(diào)模塊總的功率,kW;

    壓縮式制冷循環(huán)全年空調(diào)總能耗:

    式中:

    W3—壓縮式制冷循環(huán)模式全年總能耗,kW·h;

    t22—壓縮式制冷循環(huán)模式全年運(yùn)行時(shí)間,即全年室外環(huán)境溫度高于21℃的時(shí)間,h。

    (4)40kW氟泵自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行總能耗計(jì)算公式如下:

    則氟泵自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行的綜合COP計(jì)算公式如下:

    式中:COP′—氟泵自然冷卻系統(tǒng)全年綜合COP。

    我們選取南通地區(qū)作為氟泵自然冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用地區(qū),按照Dest軟件分析的標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)繪制的南通地域標(biāo)準(zhǔn)氣象年干球溫度年變化情況如圖3和4所示:

    圖3 南通標(biāo)準(zhǔn)氣象年干球溫度曲線

    圖4 南通地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年全年各級(jí)干球溫度分布圖

    由圖3和4可以得出,室外側(cè)環(huán)境溫度低于8℃的干球溫度的時(shí)間大約有2075h,占全年運(yùn)行時(shí)間的23%以上;高于室外側(cè)環(huán)境干球溫度21℃的時(shí)間為3422h,占全年運(yùn)行時(shí)間數(shù)的39%。

    表2表示的是氟泵自然冷卻全年運(yùn)行能耗模擬計(jì)算結(jié)果:

    表2 40kW氟泵自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗模擬計(jì)算結(jié)果

    根據(jù)表2模擬計(jì)算結(jié)果表明,40kW的氟泵自然冷卻系統(tǒng)的空調(diào)模塊全年運(yùn)行的總的能耗為67874.66kW·h,全年系統(tǒng)的綜合COP達(dá)到6.88。以壓縮式制冷模式的空調(diào)模塊能耗為基準(zhǔn),可以模擬計(jì)算出氟泵自然冷卻模式和復(fù)合循環(huán)模式的總能耗分別為13%、33.1%和100%。當(dāng)室外側(cè)環(huán)境的溫度低于8℃時(shí),氟泵自然冷卻模式能耗僅僅為壓縮式制冷模式的13%,可見(jiàn)節(jié)能效果十分顯著。同時(shí)增加復(fù)合制冷模式,有效的減少了能耗,充分利用了自然冷源,提高了機(jī)組的能效COP,當(dāng)室外環(huán)境溫度介于8℃到21℃時(shí),復(fù)合循環(huán)制冷模式的能耗僅為壓縮式能耗的33.1%,節(jié)能效果也十分顯著。相比于壓縮式制冷模式的氟泵自然冷系統(tǒng)的全年運(yùn)行總能耗:

    式中:

    Wratio—氟泵自然冷卻系統(tǒng)空調(diào)總能耗的年能耗;

    Wi—對(duì)應(yīng)工作模式的全年總能耗;

    ti—對(duì)應(yīng)工作模式的全年運(yùn)行時(shí)間比例。

    由上式計(jì)算可得:

    因此氟泵自然冷卻系統(tǒng)的全年運(yùn)行總能耗僅為壓縮式制冷的54.4%,節(jié)能效果達(dá)到45.6%,節(jié)能效果十分明顯。

    在研究復(fù)合循環(huán)模式的節(jié)能性時(shí),我們利用上面同樣的方法。假設(shè)當(dāng)室外環(huán)境溫度小于8℃時(shí),機(jī)組的工作模式為氟泵自然冷卻制冷模式,沒(méi)增設(shè)復(fù)合區(qū),只有氟泵自然冷卻模式和壓縮式制冷模式,因此當(dāng)室外環(huán)境溫度高于8℃時(shí),系統(tǒng)直接切換為壓縮式制冷循環(huán)模式。氟泵自然冷卻模式工作時(shí)間為2075h,壓縮式制冷模式增加到6685h。模擬計(jì)算的結(jié)果如表3所示。

    表3 氟泵自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗模擬計(jì)算結(jié)果

    與表2相比,引入復(fù)合區(qū)循環(huán)模式,可以很大程度上減少壓縮式制冷循環(huán)的時(shí)間,表格數(shù)據(jù)表明,時(shí)間減小了3263h,系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗下降了29.6%,全年綜合COP提高了29.5%,由此可見(jiàn),引入復(fù)合循環(huán)模式充分利用了自然冷源,大幅提高了系統(tǒng)的綜合COP,節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    研究結(jié)果表明:氟泵相比于常規(guī)的壓縮式制冷系統(tǒng),氟泵自然冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果達(dá)到45.6%,綜合系統(tǒng)COP得到顯著的提高。在夏季時(shí),可以有效的減少壓縮式制冷模式的運(yùn)行時(shí)間,數(shù)據(jù)表明,運(yùn)行時(shí)間減小了3263h,系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗下降了29.6%,全年綜合COP提高了29.5%。所以氟泵自然冷卻系統(tǒng)更具應(yīng)用性。

    數(shù)據(jù)中心對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求嚴(yán)格,對(duì)氟泵系統(tǒng)的使用工況和環(huán)境也有一定的限制,所以還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究:

    完善關(guān)鍵部位的可靠性實(shí)驗(yàn),完成系統(tǒng)的集成,進(jìn)行制冷單元的整機(jī)性能和應(yīng)用實(shí)驗(yàn),考察在不同工況下的性能,并與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析;

    分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)據(jù)中心的技術(shù)需要,設(shè)計(jì)合理的能量調(diào)節(jié)和工作模式切換控制系統(tǒng)。

    參考文獻(xiàn):

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