自然冷源及蒸發冷卻機房空調的運行能耗分析

崔華玉 李紅旗 羅宇辰

北京工業大學環境與能源工程學院

2013 年五部委聯合頒布的《關于數據中心建設布局的指導意見》[1]和2017 年的《關于加強“十三五”信息通信業節能減排工作的指導意見》[2]將機房PUE（耗能有效性=數據中心總能耗/IT 設備能耗）值限制在1.5 以下。目前針對與機房空調的節能問題已開展了大量的研究[3-5]，主要集中于自然冷源的利用、空調機組能效的提升等方面。本文將蒸發冷卻技術結合到自然冷源的應用中，擴大自然冷源應用的溫度范圍、進一步提升節能效果。基于機房的全年逐時負荷和室外逐時氣象參數，計算分析了不同空調方案、不同氣候分區下能耗狀況，對比了其節能效果并分析了氣象因素對能耗的影響。

1 空調方案

本文從自然冷源利用的角度出發，以最大限度利用自然冷源為原則，而為實現這一模式所引起和涉及的一些其它問題和相應的技術措施暫不詳細考慮，且研究假設機房內部氣流組織合理，機房建筑滿足設置相關空調機組的條件。

本文中共涉及四種制冷方案，方案一：新風直接自然冷卻+精密空調。方案二：新風間接自然冷卻+精密空調。方案三：新風間接自然冷卻+間接蒸發冷卻+精密空調。方案四：傳統精密機房空調。

1.1 方案一

如圖1 所示，在采用新風直接自然冷卻方案時，根據送回風溫度，對室外狀態點進行區域劃分。

圖1 方案一運行模式分區

區域Ⅰ中，新風經預熱后與回風混合，經過等焓除濕之后送入室內。區域Ⅱ中，新風直接與回風混合，進行等焓除濕再送入室內，區域Ⅲ采用傳統精密空調制冷。該方案自然冷卻過程中，能耗主要由預熱功耗、除濕能耗、送風機/排風機功耗組成。

已知室外環境干/濕球溫度、含濕量、焓值、相對濕度，送風狀態點的干球溫度，含濕量及回風溫度。可根據熱力學和傳熱學等相關公式計算能耗部件功耗。

1.2 方案二

該方案下包含三種運行模式，當室外環境溫度足夠低時，直接通過換熱原件用新風對回風進行冷卻。當直接利用回風換熱后的送風溫度不能滿足要求但又低于回風溫度時，換熱元件與傳統空調同時運行，傳統空調進行冷量補充。否則，則采用傳統精密機房空調制冷。該方案自然冷卻過程中，能耗主要由室內/外風機功耗組成。

目前，為了控制送風溫度的穩定，換熱器的換熱效率通常通過風量比進行調節，根據室外溫度調節風機轉速進而穩定送風溫度，因此，需要知道回風側換熱效率與風量比的關系，并為此設置修正系數，即換熱效率的變化量與風量比變化量的比值。在室內溫度和送風溫度已知時，通過該系數可以計算出排風機功耗。

1.3 方案三

該方案下包含四種運行模式，當室外環境溫度足夠低時，直接通過換熱原件用新風對回風進行冷卻。當直接利用新風換熱的送風溫度不能滿足要求時，轉變為蒸發冷卻模式（換熱濕模式）。當蒸發冷卻模式下的送風溫度不能滿足要求但是低于回風溫度時，利用傳統精密空調進行補充。否則，則采用精密空調制冷。該方案自然冷卻過程中，能耗主要由室外側風機、噴淋水泵、室內送風機的功耗組成。

同樣，王毅力[6]的研究指出，在換熱原件結構固定的情況下，間接蒸發冷卻效率主要受到二/一次風量比、風速的影響，因此為了維持送風溫度的穩定，需要及時的調節室外側風機的風量，為計算室外風機功耗，需要知道蒸發冷卻效率隨室外/室內側風量比的變化規律，因此，該方案同樣設置修正系數。

1.4 方案四

全年采用單一的蒸汽壓縮式機房精密空調[7]。

2 全年能耗計算

根據《公共建筑節能設計標準》的建筑熱工分區，分別從氣候特點明顯的氣候分區中各選擇一個典型城市進行分析，其中嚴寒地區-哈爾濱，寒冷地區-北京，夏熱冬冷地區-上海，夏熱冬暖地區-汕頭。

2.1 建筑設定

本文針對面積4000 m2的機房建筑進行全年供冷能耗分析，并探究氣象因素對方案節能效果的影響。

樣本機房建筑圍護結構要求滿足GB 50174《數據中心設計規范》和GB 50189《公共建筑節能設計標準要求》。采用DEST 繪制建筑模型并計算建筑環境動態負荷。在上述基礎上，設備負荷取1 kW/m2，燈光功率8 W/m2，機房無人員值守，機房內部無散濕源，機房總冷負荷由圍護結構得熱與其他負荷疊加，并設置負荷修正系數[8]。

本文中的氣象參數來源于2005 年建筑工業出版社出版的《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》。

文中設定送風溫度23 ℃，相對濕度50%，送回風溫差10 ℃。

2.2 空調機組參數

精密空調機組數據如圖2 所示。隨著環境溫度的降低制冷量和COP 均逐漸升高最后趨于穩定，對機組變工況參數進行擬合，并根據當地室外環境溫度，可計算機組開機率及相應功耗。

圖2 機組性能圖

間接自然冷卻換熱器換熱效率60%，換熱效率隨風量比的修正系數0.335[9]。間接蒸發冷卻換熱器換熱效率70%，換熱效率隨風量比的修正系數0.295[10]。送機和排風機均為單機送風量25000 m3/h，功耗10 kW，水氣比0.3，水泵單機流量30 m3/h，功率7.5 kW。

2.3 計算流程

按照空調方案，運用Visual Basic 語言進行編程，將自然冷源與精密空調匹配，并計算空調的制冷量和能耗，基本流程如圖3 所示。

圖3 計算流程

送風量按下式計算：

式中：G1為送風量，m3/h；Q 為機房總冷負荷，kW；ρ 為空氣的密度，kg/m3；cp為空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K)；tn為房間溫度，℃；to為送風溫度，℃。

風機功率按下式計算：

式中：P 為風機實際功率，kW；Po為風機的名義功率，kW；Go為風機的名義風量，m3/h；G 為風機實際風量，m3/h。

采用電加熱預熱，耗電量近似等于預熱量：

式中：W1為室外新風預熱功耗，kW；Gw為新風量，m3/h；hw為室外空氣狀態點的焓值，kJ/kg；hw'為預熱狀態點空氣的焓值，kJ/kg。

根據送回風溫度，室內外新風混合后的含濕量dc：

式中：ho為送風狀態點的焓，kJ/kg；dw為室外狀態點含濕量，g/kg；do為送風狀態點含濕量，g/kg。

選用濕膜加濕器，加濕量耗能量0.02 kW/(kg·h)，加濕能耗為：

式中：W2為空氣所需加濕能耗；D 為空氣所需加濕量，g/kg。

對于方案二、三，風機功率計算公式與式（2）相同，室外風機風量由修正系數ξ 和室外環境的參數共同來確定。

已知最佳風量比λ 和對應的熱交換效率η：

若為方案二，則

若為方案三，則

式中：G2為室外風機風量，m3/h；η1為實際熱交換效率；th為回風溫度，℃；to為送風溫度，℃；tg為室外干球溫度，℃；ts為室外濕球溫度，℃。

3 結果及分析

3.1 氣象與建筑負荷

在上述建筑模型下，利用DeST 軟件進行計算，位于哈爾濱，北京，上海和汕頭地區機房逐時冷負荷范圍依次為3951～4029 kW、3946～4046 kW、3963～4051 kW、3986～4052 kW，見圖4，顯然，機房需全年供冷，負荷受到室外氣象環境的影響產生相應的波動，但是影響低于2%的總負荷數值。

圖4 典型城市全年冷負荷分布

圖5 為典型城市的溫度分布示意圖，可以看出，自北向南四個城市，溫度分布集中度逐漸右移，年均氣溫逐漸提升，最大冷負荷值提升，夏季出現負荷峰值。

圖5 典型城市溫度分布

盡管室外氣象參數對機房負荷存在影響，但是影響效果較小，負荷大小主來取決于通信設備負荷。

3.2 運行時長

圖6 為四個典型城市采用三種自然冷卻方案送風溫度為23 ℃時的各模式運行時長。

圖6 典型城市節能方案各模式運行時長

在送風溫度相同的情況下，對于相同的空調方案，完全自然冷卻的可用時長受氣候因素的影響由北向南逐漸遞減。其中哈爾濱和北京三種方案可利用自然冷源時長均達到全年時長的50%以上。上海和汕頭稍顯遜色，其中不依靠精密空調制冷時長分別只占到31.72%～48.12%、7.47%～27.63%。

對比三種節能空調方案，在不依靠精密空調制冷的情況下的運行時長，方案三＞方案一＞方案二，方案三可用時長最長。其中，在四個典型城市中，方案三與方案二、方案一相比，全年可單一利用自然冷源時長占比分別增加，哈爾濱地區為19.30%和13.94%。北京地區為21.00%和12.74%。上海地區為17.00%和13.85%。汕頭地區為21.60%和20.34%。其中汕頭提升幅度最大，但不依靠精密空調制冷的情況下的運行時長仍最短。在上述基礎上，由于方案二、三存在著混合制冷模式，因此總的可利用自然冷源時長，方案二、三更為突出。

3.3 節能效果分析

上述模型下，分別計算了四種空調方案的全年運行結果（表1），表中，全年能耗為采用對應空調方案下為維持機房環境溫度所需要的能耗。綜合能效為機房建筑全年所需制冷量與全年能耗的比值。節能率為實際空調方案與傳統方案（方案四）相比，全年能耗減少量與方案四全年能耗的比值。四個典型城市在采用方案四時，自北向南隨著城市氣溫的提升，全年能耗出現了提升的趨勢，綜合上述冷負荷和機組數據，其原因包括隨著室外環境溫度的升高，機房全年冷負荷的增加，且空調機組能效下降，最終導致總能耗增加。

表1 典型城市不同運行方案的全年能耗，綜合能效及節能率

與方案四相比，四個城市在采用節能方案時，運行能耗均有不同程度的下降，綜合能效提升。

對比三種節能方案和傳統方案，結果表明，帶蒸發冷卻的制冷方案節能效果最為突出，在哈爾濱節能率相對于帶新風間接冷卻方案和新風直接冷卻方案分別增加了6.37%和40.02%。在北京分別增加了10.47%和21.08%。在上海分別增加了7.15%和23.56%。在汕頭分別增加了9.29%和29.83%。綜上，方案三節能效果最好，方案二次之，方案一較低。

對比相同方案的節能率，方案一的節能率北京＞上海＞哈爾濱＞汕頭。方案二、三呈現出哈爾濱＞北京＞上海＞汕頭的情況。由此可見，在氣候寒冷的地區，自然冷卻方案的節能效果會更為突出，但在方案一中，出現哈爾濱節能效果弱于北京的現象，這是因為哈爾濱地區部分時間段室外溫度過低，在新風直送時為了避免新回風混合時經過“霧區”，需要對新風預熱，因此在考慮這種方案時，需要充分考慮新風預熱問題。

在哈爾濱、北京這兩種年均氣溫較低的城市，方案二和方案三呈現出色的節能效果，節能率均在50%以上，而方案一則稍顯遜色，為了深入探究影響三種節能方案的因素。以北京9 月12 日作為典型日進行了分析。

從圖7 中可以看出方案一在2-6 時及18-24 時不能利用自然冷源，此時對應的環境溫度并不是最大值或特殊值，結合圖1 的運行分區，可以看出，方案一能否利用自然冷源由環境溫度和濕度共同確定，當環境溫度超過送風狀態點的露點溫度時，相同溫度下空氣濕度越低，自然冷源可利用概率越大。如9 時和20 時。

圖7 典型日氣象參數和空調方案COP

方案二的系統能效與室外干球溫度呈相反的變化趨勢，干球溫度越低，系統COP 越高。

而方案三在環境溫度小于16 ℃時，系統COP 與方案二重疊，隨著環境溫度的上升，轉化為蒸發冷卻模式，該模式下空調系統的COP 變化與濕球溫度的變化趨勢成反比。

4 結論

機房建筑的地理位置對機房冷負荷的影響微小，可以忽略不計。機房建筑的地理位置決定了機房室外氣象環境，進而影響到節能方案的節能效果。

通過分析北京地區典型日不同運行方案系統COP 的變動，可知環境參數對系統COP 的影響，進而得到環境參數對節能效果的影響。其中方案一受到環境溫度、濕度的綜合影響，方案二的主要影響因素為室外干球溫度。方案三的主要影響因素為室外濕球溫度。總體來說，干球溫度越低，空氣越干燥，節能效果越好。

自然冷源可利用時長和室外氣象參數共同影響節能方案節能效果。

方案和送風溫度相同時，自然冷源可利用時長由北向南逐漸遞減，其中哈爾濱、北京可利用自然冷源時長均超過全年的50%。在四個典型城市中，方案三較方案二、方案一全年可單一利用自然冷源時長占比分別增加了17.00%～21.60%和12.74%～20.34%。

三種自然冷卻方案的節能效果從高到低依次是：方案三、方案二、方案一。送風溫度為23 ℃時，方案三節能效果相對于方案二和方案一分別增加6.37%～10.47%和21.08%～40.02%。方案二、三的節能率由北向南逐漸遞減，方案一種則因為新風預熱的問題導致哈爾濱地區節能效果減弱。在氣候寒冷地區，自然冷卻方案的節能效果更佳。