基于自然冷却技术应用的数据中心空调节能分析

吕继祥　王铁军, 　赵 丽　王景晖　胡力文 　刘广辉　赵绍博

(1合肥工业大学机械与汽车工程学院　合肥　230009；2 滁州扬子空调器有限公司　滁州　239000；3 曙光信息产业股份有限公司　北京　100193)



基于自然冷却技术应用的数据中心空调节能分析

吕继祥1王铁军1, 2赵 丽1王景晖1胡力文1刘广辉3赵绍博2

(1合肥工业大学机械与汽车工程学院合肥230009；2 滁州扬子空调器有限公司滁州239000；3 曙光信息产业股份有限公司北京100193)

本文基于数据中心空调系统的选型和节能设计，以风冷直膨式机组、风冷双冷源冷水机组和热管复合式制冷机组为研究对象，建立了三种类型空调系统的能效计算模型；基于DEST提供的广州、上海、北京和哈尔滨四个城市的气象数据，以相同的空调负荷和回风参数为条件，对三类空调的年均能效(AEER)进行计算和对比分析。结果表明：三类机组的年均能效自南向北随着平均气温的降低而逐渐提高，分别为4.07～4.45、4.00～6.84、4.27～8.20；相比前二类机组，热管复合式制冷机组的节能幅度分别为4.8%～46%和6.4%～16.6%；双冷源制冷机组由于能够应用自然冷却替代或部分替代高能耗的压缩制冷，相比风冷直膨式机组节能优势明显；与风冷双冷源冷水机组相比，热管复合式制冷机组的制冷剂输送功小、换热端工作效率高、没有防冻问题等优点，是年均气温较低地区数据中心空调的首选。

空调节能；数据中心；自然冷却；模型；分析

信息技术的高速发展和广泛应用推动了数据中心建设规模快速增长，数据中心是典型的高密度耗能电子设备集成区，其中包括服务器、通信、存储、空调、配电、安监等设备。中国数据中心的PUE普遍在2.0以上，相比先进数据中心1.2的PUE值，节能潜力巨大[1]。数据中心的能耗构成中，空调系统约占35%～45%[2]，因此，高效空调设备的研发和应用是实现数据中心节能减排的关键之一。目前应用于数据中心的空调设备主要有两类：一类是传统的蒸气压缩式制冷机组，包括风(水)冷直膨式机组和风(水)冷冷水机组[3]；另一类是将自然冷却与蒸气压缩制冷集成为一体的双冷源制冷机组，典型的是双冷源冷水机组和热管复合式制冷机组[4-6]。近年来，集成分离式热管技术与蒸气压缩制冷技术为一体的热管复合式制冷空调系统的研发和应用取得进展，石文星等[7]研发的重力型热管/蒸气压缩空调机组，邵双全等[8]研发的机械制冷/回路热管一体式机房空调系统，综合能效大幅提升；马国远等[9-10]采用液泵驱动热管循环的机组对数据中心进行制冷，在室外温度低于15 ℃时比普通空调节电1/3；艾默生、佳力图、克莱门特、依米康等制造商也相继推出双冷源机房空调产品。本课题组研发的热管复合式制冷机组解决了分离式热管系统与蒸气压缩制冷系统兼容运行、制冷量精确调节和远距离输送等问题[11-13]，开发了多联空调系统的能量调节与自适应控制技术[14]，自主研发的HKF-200FH、HKF-60FH等规格产品在数据中心空调工程应用中得到检验。

风冷直膨式制冷机组在数据中心空调中普遍应用，与之相比应用自然冷却的双冷源制冷技术还处于技术成熟期和推广应用阶段，双冷源制冷的主要特点有：1)低温季节可以部分或全部应用自然冷却替代压缩制冷，节能潜力大；2)避免了低温季节运行压缩制冷易产生的冷启动、能量调节、回油润滑等可靠性问题；3)缺点是存在第一工质与第二工质的传热损失，以及第二工质的输送功。双冷源制冷机组都具有直接利用自然冷源的优势，区别在于双冷源冷水机组的第二工质采用水、乙二醇等流体，循环过程中利用显热传热，在相同空调负荷下，与第二工质相变换热的热管复合式机组相比，前者的循环质量流量约为后者的7～10倍、输送功大幅增加、换热系数稍低，并存在防冻问题。

数据中心空调系统的选型设计、节能控制和运维管理，与其所在地气象条件和冷源类型密切相关，为了理清各类机型的节能效果，基于DEST气象数据，以相同空调负荷和回风参数为条件，根据分析对象的差异性及其宽温区制冷性能，对风冷直膨式机组、双冷源冷水机组和热管复合式机组三类空调的能效进行对比分析，为数据中心空调选型设计提供依据。

1 三类机房空调能耗模型

1.1 能耗模型

1.1.1 风冷直膨式机组

风冷直膨式机组逐时功率的计算模型如下式：

(1)

式中：PCCi为风冷直膨式机组的逐时功率，kW；Qi为逐时冷负荷，kW；COPCCi为压缩制冷系统的逐时效率；Pifan为室内风机功率，kW。

1.1.2 热管复合式机组

图1为一种热管复合式制冷系统[11-12]，由分离式热管模块和压缩制冷模块复合构成，具有压缩制冷、复合制冷和热管制冷三种工作模式。如图2所示，压缩制冷区循环模式(室外空气温度>T1)：全部冷量由压缩制冷模块提供，第二工质在液泵驱动下经过冷凝蒸发器放热冷凝，为室内侧循环供冷；复合区循环模式(T1≥室外空气温度≥T2)：热管模块满负荷运行，最大化利用自然冷源，压缩制冷模块根据热负荷变化适量运行以补充冷量，热负荷较小时压缩制冷模块自动停机；热管循环模式(室外空气温度

1蒸发器 2阀A 3换器A 4换热器 5储液器 6液泵 7阀B8热管模块 9压缩制冷模块 10压缩机 11冷凝器 12膨胀阀图1 热管复合制冷系统流程原理Fig.1 Schematic diagram of composite refrigeration system with heat pipe

图2 热管复合制冷系统工作温区划分Fig.2 Working temperature area division of composite refrigeration system with heat pipe

根据上述三种工作模式，热管复合式机组逐时功率的计算模型如下：

1)压缩制冷模式

(2)

式中：PRCi为压缩制冷区热管复合式机组逐时功率，kW；COPRi为热管复合式机组压缩制冷模块逐时效率；Prpump为氟泵功率，kW；Pifan为室内风机功率，kW。

2)复合制冷模式

(3)

式中：PRFi为复合区热管复合式机组逐时功率，kW；QRi为热管制冷量，kW。

3)热管制冷模式

PRZi=Pcfan+Prpump+Pifan

(4)

式中：PRZi为热管区热管复合式机组逐时功率，kW；Pcfan室外冷却风机功率，kW。

1.1.3 风冷双冷源冷水机组

高效的风冷双冷源冷水机组具有三种工作模式，高温季节与常规风冷冷水机组一样运行压缩制冷模式；过渡季节室外环境温度低于冷冻水回水温度时，优先利用风冷为回水降温，不足冷量由压缩制冷模块提供，即为自然冷却与压缩制冷兼容运行的复合制冷模式；低温季节具备足够的传热温差时，压缩制冷系统关闭，全部利用自然冷却提供空调冷量。根据风冷双冷源冷水机组的三种工作模式，其逐时功率的计算模型如下：

1)压缩制冷模式

(5)

式中：PSCi为压缩制冷区风冷双冷源冷水机组逐时功率，kW；COPSi为风冷双冷源冷水机组压缩制冷模块逐时效率；Pwpump为水泵功率，kW；Pifan为室内风机功率，kW。

2)复合制冷模式

(6)

式中：PSFi为复合区风冷双冷源冷水机组逐时功率，kW；QCi为风冷冷却制冷量，kW。

3)风冷冷却模式

PSZi=Pcfan+Pwpump+Pifan

(7)

式中：PSZi为风冷双冷源冷水机组逐时功率，kW；Pcfan室外冷却风机功率，kW。

1.2 压缩制冷循环效率

蒸气压缩制冷的循环效率与环境温度、制冷循环参数和热负荷相关。设定分析对象具有相同的内、外部热环境和室内侧送风参数，则制冷循环的冷凝温度均随外部环境温度下降而降低，影响不同机型制冷循环效率的主要因素是蒸发温度。在室外环境温度和室内送风量、送风温度相同的条件下，由于工作原理的不同，风冷直膨式制冷机组、热管复合式制冷机组、风冷双冷源冷水机组的蒸发温度依次下降，因而循环效率相应降低。

根据蒸气压缩制冷系统参数匹配的基本关系和上述三种制冷机组的特性，设定如下：1)额定工况冷凝温度与环境温度的温差为15 ℃；2)数据中心空调末端回风温度均为33 ℃，其中风冷双冷源冷水机组的供/回水温度分别为12 ℃/18 ℃，热管复合式机组的供液饱和温度16 ℃、回气温度18 ℃。根据以上设定并结合市场上知名品牌产品的性能数据[15]，统计了三种制冷机组中压缩制冷模块COP随室外环境温度的变化关系，如图3所示。

图3 COP与室外环境温度关系Fig.3 Relationship between COP and outdoor environment temperature

1.3 自然冷却模块的制冷特性

数据中心室内温度与室外环境温度达到一定差值时，双冷源制冷机组自然冷却模块启动工作，其制冷量随着室内外温差的增大而增大。在空调负荷和回风参数恒定的条件下，当室内外温差大于一定值时，调节室外风机转速来满足空调对象的热平衡。设定空调负荷均为1MW，参考热管复合式机组的实验数据[16]和克莱门特等双冷源冷水机组的性能参数，可得到两种自然冷却模块的特性曲线，如图4所示。

图4 自然冷却模块制冷特性Fig.4 Refrigerating capacity of natural cooling module

2 数据中心空调能效对比分析

2.1 自然冷源的资源目标地区气象资料对比分析

根据DeST随机气候模型，分别统计了广州、上海、北京和哈尔滨四个城市全年干球温度逐时变化数据。统计结果表明，自南向北，上海、北京和哈尔滨三个城市，全年干球温度低于10 ℃的时间分别接近五个月、六个月及八个月，均有丰富的自然冷源资源，为双冷源空调系统的应用提供了良好的气候条件；广州地区全年气温低于10 ℃的时间不到两个月，可利用的自然冷源的量能较小。

表1 工作温区设定

表1为热管复合式机组与风冷双冷源冷水机组的工作模式所对应的工作温区。根据四个城市气象数据得到两种空调机组全年各工作模式运行时间占比，如图5所示。广州、上海、北京及哈尔滨由于气候条件的差异，自然冷却模块全年工作时数占比分别为21%、45.1%、57%和69.9%。

图5 四城市各工作模式全年运行时间占比Fig.5 Annual running time proportion of every mode in four cities

2.2 计算与分析

大型数据中心为确保室内空气质量普遍采用密闭式维护结构，并以IT等设备的发热量作为数据中心的空调设计负荷。以1MW空调负荷为基数，在相同的回风参数条件下，分别计算三种类型空调系统的全年运行总能耗。

图6 三种空调机组各城市全年能耗Fig.6 Annual energy consumption distribution of three kinds of air conditioning units in every city

图6为基于四个城市气象数据的三类空调机组的全年能耗计算值，自南向北随着城市平均气温的降低，风冷直膨式机组、风冷双冷源冷水机组和热管复合式机组的全年能耗均呈下降趋势，年均能效最大升幅分别为9.34%、71.00%和92.04%，由此可见平均气温越低空调机组的能效越高。气候寒冷的北方地区更利于数据中心空调系统的节能运行，其中风冷双冷源冷水机组和热管复合式机组由于应用自然冷却技术，在气候寒冷地区节能减排的优势更为突出。

由表2可知，在自然冷源丰富的哈尔滨、北京和上海，风冷双冷源冷水机组和热管复合式机组与风冷直膨式机组相比运行能耗均有大幅下降，在平均气温最低的哈尔滨相对能耗降幅分别达到34.9%和46%，其节能效果与自然冷却技术应用的“传热温差”与“运行时间”的“积”相关。值得注意的是，在广州使用风冷双冷源冷水机组的能耗相对风冷直膨式机组提高了2%，其原因是广州全年平均气温较高，致使自然冷却应用的时间短、温差小，且水泵功耗较大，使得其全年能耗不降反升。

四个城市中三类空调机组的全年运行能耗计算结果显示，热管复合式机组节能优势最为突出，相比风冷直膨式机组和风冷双冷源冷水机组节能幅度分别为4.8%～46%和6.4%～16.6%。

表2 三种数据中心空调全年运行能耗对比

3 结论

本文建立了风冷直膨式制冷机组、风冷双冷源冷水机组和热管复合式机组数据中心空调系统全年运行能耗的分析模型，基于DEST提供的广州、上海、北京和哈尔滨4个城市的气象数据，以相同的空调负荷和回风参数为条件，对上述三类型空调的年度总能耗进行计算和对比分析。得到如下分析结果：

1)风冷直膨式制冷机组、风冷双冷源冷水机组和热管复合式机组三类数据中心空调系统的年均能效自南向北随着平均气温的降低而逐渐提高，分别为4.07～4.45、4.00～6.84、4.27～8.20；

2)相比风冷直膨式制冷机组和风冷双冷源冷水机组，热管复合式制冷机组随着应用地区平均气温的降低，节能率分别提高4.8%～46%、6.4%～16.6%；

3)双冷源空调机组由于能够应用自然冷却替代或部分替代高能耗的蒸气压缩制冷，相比风冷直膨式空调机组节能优势明显；与风冷双冷源冷水机组相比，热管复合式制冷机组的冷媒输送功小、换热端工作效率高、没有防冻问题等优点，是年均气温较低地区数据中心空调的首选。

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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

简介

王铁军，男，教授，合肥工业大学制冷与空调技术研究所所长，13905510159，E-mail:wtj555@sina.com。研究方向：制冷空调系统节能与能源综合利用。