某电信机房节能改造全年能效的热力学分析

2021-12-16陈飞虎廖曙光

建筑热能通风空调 2021年10期

陈飞虎廖曙光

1 湖南大学土木工程学院

2 长沙麦融高科股份有限公司

随着互联网及信息化飞速发展，数据中心蓬勃发展。我国数据中心平均能量利用系数PUE（Power Use Efficiency）在2.0～2.5，而世界平均水平在1.5 以下[1]。传统的风冷精密空调在降温的时候进行了除湿，而为了保证室内湿度要求，又需要对其进行加热，造成了能量的浪费[2]。针对机房显热比大的特点，单元式水冷多联热管技术被引入。凌等对应用湖水自然冷源的单元式水冷多联热管系统采用分类讨论的方法与采用传统风冷精密空调方式进行了对比，结果表明系统可以节约70%以上[3]。本课题组应用时间累计的方法对某信息数据机房IDC（Information Data Center）机房的单元式水冷多联热管系统改造的全年能效进行了对比分析[4]。但以上方法均为间接的方法，不能反应系统的真实运行状况。本文将应用国际上先进的有限时间热力学方法，对某电信机房单元式水冷多联热管系统改造的全年能效进行建模和仿真计算，提出精度更高的评价新方法。

1 单元式水冷多联热管的物理模型

机房发热量1307.92 kW，包括围护结构负荷等，机房冷负荷总计1680.25 kW。机房空调系统采用佳力图等风冷式机房专用精密空调，100 kW 的空调17 台。精密空调标准设计工况为：冷凝温度30 ℃。

1.1 采用热管末端+CDU（冷量分配单元，Cooling Deliver Unit)+制冷主机的改造方案

空调设2 套系统，一套为集中式冷冻水系统，一套为板换换热器与冷却塔连接的自然冷源（图1）。冷冻水空调采用螺杆式冷水机组，选用两台901.4 kW 两台。冷水供回水温度12/17 ℃。

图1 单元式水冷多联热管系统图

表1 为IDC 机房平均室外气象温度分布表，表2为热管系统运行模式，表3 热管空调改造设备参数表。

表1 IDC 机房平均室外气象温度分布表

表2 热管系统运行模式

表3 热管空调改造设备参数表

2 单元式水冷多联热管系统全年能效的数学模型

如图2，制冷剂的（温熵）图，1’-2’-3’-4’-5’为理论制冷循环，1-2-3-4-5 为实际的制冷循环。

图2 空调制冷机组的T-S 图

2.1 冷凝器的火用分析

当室外温度大于17 ℃时，系统采用机械制冷模式，冷凝热Qcond等于从2 状态到状态点4 的焓降[5]。

在不同的室外温度对应系统不同的冷凝温度，根据制冷剂的T-S图，4 点的状态可以确定。

又有：

2.2 压缩机的火用分析

质量流量为mref的制冷剂逐时进入压缩机的状态为1，排出时为2，由于压缩机压缩过程的不可逆性，产生了过程的增和损失，其平衡方程为[6]：

不可逆压缩过程的熵增为

理想可逆压缩时，压缩机耗功为：

全年机械制冷模式压缩机的功耗等于：

压缩机实际压缩终点状态2 点参数可由下式来确定[7]：

所以：

式中：ηis,c表示压缩机的等熵压缩效率，本机组采用离心式压缩机，其等熵压缩效率与活塞式压缩机相比提高约10%左右，这里取0.85。状态点1 点和3 点由蒸发温度和冷凝温度可以得到[8]。

2.3 冷量分配单元（CDU)的火用分析

图3 为热管换热器中制冷剂的T-S图。

图3 热管换热器中制冷剂的T-S 图

冷凝热Qcond等于从7 状态到状态点8 的焓降[9]。

根据T-S图，7、8 点的状态可以确定。

又有：

2.4 热管末端的火用分析

热管末端实际上是一个换热器，可以采用蒸发器的模型。近年来多用的是平行流换热器代替原来的铜管铝翅片换热器[10]。

在热管换热器中循环制冷剂对室内回风吸热转化为气态，进入CDU。空气温度降低。如图3 中的过程线9～6。当冷量被利用时，由火用平衡方程可知火用的损失为：

式中：mevw为冷水流量，heva,i、heva,o为进、出口空气的焓值，sevai、sevao为空气进出口的熵值。

3 单元式水冷多联热管系统全年能效的仿真模型

3.1 机械制冷模式

3.1.1 冷凝器的仿真模型

图4 冷凝器的逐时仿真模型

3.1.2 压缩机的仿真模型

由蒸发温度Te计算得到制冷剂的熵值s1，再由冷凝温度计算得到制冷剂的熵值s2。根据Te、Tc和压缩机的压缩效率ηis,c计算得出(h2-h1)的值，然后将(h2-h1)减去初始温度T0乘以(s2-s1)的积，将计算结果(h2-h1)-T0(s2-s1)乘以制冷剂流量mref就得到压缩机的火用损失mref[(h2-h1)-T0(s2-s1)]。根据压缩机的压缩比得到2'点。将mref乘以并对其运行的时间进行积分（1/s），得到压缩机的输入功（Wcom）。如图5[11]。