（2022 年江蘇省通信學會“華蘇杯”論文征集評優三等獎）數據中心氟泵空調系統基于經驗模型的能耗模擬與節能研究

崔凌闖

中國電信股份有限公司淮安分公司

0 引言

數據中心是我國實現經濟轉型升級的重要基礎設施，是國家重要的戰略資源。隨著數據中心的不斷發展，其巨大的能源消耗及其對環境的影響日益受到關注。據相關數據統計，數據中心的能耗占比中，IT 設備負荷約占數據中心總能耗的60%。除IT 設備外，空調系統是數據中心最大的能耗單位，因此空調系統的優化成為數據中心節能降耗的重要措施之一。

由于全國數據中心數量規模龐大，同時數據中心的運行管理費用也是一筆巨大的開支，降低數據中心的能耗具有重大意義。而空調系統方面的節能不僅僅是采用節能技術，還要通過對系統的合理調試及積極的運維管理進而實現整個系統的最佳節能效果。目前雖然針對數據機房空調節能方面做了很多研究，但是對于氟泵空調系統并沒有給出合適的能耗計算方法，采用合適的系統能耗計算方法可以更加直觀地展現節能效果。本文針對數據中心氟泵空調系統的能耗情況進行模擬與研究，分析數據中心氟泵空調系統能耗并對其做出優化，從而可以進一步減少整個數據中心的耗電量，促進數據中心的綠色發展。

1 氟泵空調系統原理及現場實測

1.1 氟泵空調系統介紹

氟泵空調系統原理如圖1所示，該空調系統主要由壓縮機、冷凝器、氟泵、膨脹閥、蒸發器、室內外風機、制冷劑管道以及輔助部件構成。相比于常用的機房空調，氟泵空調系統在四大主要部件的基礎上增加了一個制冷劑泵，為系統的壓力提供保障，輔助部件主要包括銅管保溫棉、單向閥、止回閥、液閥、視液鏡、干燥過濾器和壓力傳感器。從圖1 可知，氟泵與壓縮機在單向閥的配合下，可以在不同的工況條件下轉換系統的運行模式。為了配合不同的室外氣象條件，該氟泵直膨式空調系統共三種運行模式，分別是壓縮機模式、氟泵模式和壓縮機-氟泵混合模式。

圖1 氟泵空調原理

1.2 氟泵空調系統現場實測

本研究針對江蘇電信某數據中心的氟泵空調系統進行模型的建立，并利用模型進行空調系統的能耗分析及運行策略優化研究。模型的建立與驗證都依賴于該數據中心的實際運行數據。為此，在不同的室外溫度條件下，對該數據中心氟泵空調系統進行了實地測試。

本研究實測選擇一臺額定制冷量70kW 的精密空調作為測試目標，相關參數如表1 所示，本研究將針對單臺壓縮機或單臺氟泵進行。該空調機組具有直膨式蒸汽壓縮制冷系統、氟泵驅動循環式制冷系統和氟泵/直膨式混合運行制冷系統三種模式。使用制冷劑為R22，采用風冷式冷凝器作為室外機，直膨風冷式蒸發器作為室內機，氟泵在系統中承擔克服制冷工質循環阻力，提供壓差帶動系統運行。氟泵變頻設置，隨著模式的調節而改變自身揚程，每臺機組均設有兩臺定頻壓縮機、兩個同等型號的蒸發器和冷凝器、兩臺EC 離心送風機、四臺冷凝軸流風機，所測試的機房精密空調以及氟泵的詳細參數如表1 所示。

表1 測試機組詳細參數

本次數據中心實測需要測試的數據為溫度、制冷量、耗電量等。本次測試地點位于江蘇電信某個數據中心，其機房平面尺寸為15m×22m，高3.2m，機房布置如圖2 所示，機房內部共有135 個機柜，占據了機房內較大部分的電能消耗。數據中心機房用電設施除了用電負載外，最主要的用電設施就是空調系統，機房內共有5 臺精密空調，本次研究的精密空調在傳統機房空調的基礎上增加了氟泵系統，進而為數據中心機房進行恒溫恒濕處理。

圖2 測試的數據中心機房分布圖

在空調穩定運行后，空調回風溫度近似等于數據中心機房環境溫度，三種模式下設定機房環境平均溫度為24.8℃，測試過程中氟泵模式可以滿足機房的溫度控制需求。對于不同的室外環境溫度，分別對數據中心氟泵空調系統進行了三種不同運行模式（壓縮機運行、氟泵運行、壓縮機-氟泵混合運行）的測試。分別得到氟泵空調機組隨室外環境溫度的變化，三種不同模式下室內機的送風溫度變化情況，以及不同運行模式下制冷量等變化情況，具體的測試結果見圖3、圖4。

圖3 室內機送風溫度隨室外溫度變化

圖4 三種模式機組制冷量隨室外溫度變化

2 氟泵空調系統模型的建立與驗證

2.1 氟泵空調系統模型建立

結合實測數據，本研究利用經驗公式與軟件相結合的方法對空氣與制冷劑進行參數化處理，同時采用集總參數法對氟泵空調系統建立了制冷系統各個部件的數學模型，利用MATLAB 的編輯運算能力與接口的可協同能力，在MATLAB中輸入系統各個部件模型代碼，并通過Refprop 軟件查詢制冷劑物性參數，兩者同步耦合進行系統的模擬仿真。在對制冷系統的模型進行求解的過程中，每個部件子模型的輸入參數都來自上一個部件模型的輸出參數或根據實際測試得到的已知參數。

下面以壓縮機、冷凝器、氟泵模型建立為例，分析得到制冷系統主要部件的模型。

（1）壓縮機模型

由于系統所使用的是定頻壓縮機，所以壓縮機運行工況下系統的體積流量不發生變化，模型的求解通過質量守恒、蒸發器和冷凝器的制冷劑側與空氣側熱量平衡來計算。制冷系統蒸發溫度、冷凝溫度和蒸發壓力、冷凝壓力的之間溫度與壓力的函數關系如下所示：

式中，Pc：臨界壓力，Pa，對于R22，Pc=49.8×105Pa；Tr：對比溫度，T/Tc；T：實際溫度，℃；Tc：臨界溫度，K；對于R22，Tc=369.25K；Ri：準則數，對于R22，Ri=6.7964；Pα：準則數，對于R22，Pα=-0.1644。

模型中忽略了管道阻力對于溫度產生的影響，并認為系統保溫良好，從而假設吸氣壓力等于蒸發壓力，蒸發器出口溫度視為吸氣溫度，冷凝壓力視為排氣壓力。壓縮機的吸排氣溫度的計算公式如下：

式中，Te：蒸發溫度，℃；Ts：吸氣溫度，℃；Pe：蒸發壓力；n：壓縮過程多變指數，此處n=1.21。

通過式（4）和式（5）來計算壓縮機出口的制冷劑狀態，得到進入冷凝器的壓縮機排氣溫度。制冷劑的物性參數由Refprop 直接調用，調用方程分別為：

式中，mr：系統質量流量，kg/s。

（2）冷凝器模型

式中，Q：空氣側或制冷劑側換熱量，kW；m：空氣側或制冷劑側質量流量，kg/s；Δh：空氣側或制冷劑側進出口焓差，kJ/kg；α：空氣側或制冷劑側換熱系數，W/(m2·K)；A：空氣側或制冷劑側傳熱面積，m2；Δt：空氣側或制冷劑側流體平均溫度與壁面溫度之差，℃。

（3）氟泵模型

式中，Po：氟泵出口壓力，kPa；Pi：氟泵入口壓力，kPa；Δp：氟泵揚程，kPa；Wfb：氟泵耗功，W。

本次模型求解時將系統從上述單個部件模型斷開，輸入參數后進行每個部件參數的計算。以系統質量流量為獨立變量，從冷凝器環節斷開開始計算，通過雙重迭代確定其最終值。系統的整體算法依據是：氟泵空調系統在機房內24 小時全天開啟，全年穩態運行。模式固定時系統的質量流量相對穩定，通過流動焓差與換熱溫差換熱量相等，經過雙重迭代，冷凝器空氣側的出口溫度計算值和假設值相等、壁面溫度的計算值和假設值相等，同理蒸發器空氣側的出口溫度計算值和假設值相等、壁面溫度的計算值和假設值相等，進而完成整個制冷系統的計算。系統模型仿真流程圖如圖5 所示。

圖5 系統模型仿真流程圖

2.2 氟泵空調系統模型驗證

在模型中輸入不同的室外溫度、室內外風機風速以及冷凝溫度和蒸發溫度，模擬各室外溫度點下的系統運行情況，為了驗證模型的準確性，根據不同室外溫度，分別對比氟泵空調系統壓縮機模式、氟泵模式下的室內風機送風溫度，得到如圖6、圖7 的相關運行數據。

圖6 壓縮機模式室內機送風溫度對比

圖7 氟泵模式室內機送風溫度對比

從上述實測和模擬結果的對比可以看出，通過模型計算所得各模式下的運行參數與實測值的平均誤差較小，均在可接受范圍內，模擬效果較好，從而證明了所建立的MATLAB氟泵空調系統能耗模型的準確性和可靠性，可用于后續的氟泵空調系統能耗模擬分析。

3 氟泵空調系統的能耗模擬分析與優化

氟泵空調系統當前在機房實際運行模式為：當室外溫度低于10℃時為氟泵運行模式，當室外溫度為10℃～20℃時為混合運行模式，當室外溫度超過20℃時為壓縮機運行模式。本研究的模擬條件來自現場實測，在室內溫度恒定為24.8℃的情況下，通過實際測試不同室外溫度下不同模式的蒸發壓力與冷凝壓力。

圖8 給出了根據江蘇全年氣候情況對機房空調運行室內機送回風溫度的模擬結果。其中，室內機的回風溫度不隨室外溫度的變化而改變，全年穩定在24.8℃，江蘇地區全年最低平均溫度為-4.5℃，最高平均氣溫為36.8℃。為了便于計算，所模擬結果室外溫度選取范圍為-5.0℃至37.0℃的變化情況。

圖8 江蘇機房空調系統全年運行三種模式室內機送回風溫度

從模擬結果可以看出，氟泵模式的送風溫度變化相較于壓縮機模式與混合模式更加明顯，當室外溫度在5℃到10℃時，啟動混合模式運行比氟泵模式運行更節能，混合模式室內機送風溫度更低。

江蘇地區全年運行條件下三種模式運行總功率及系統EER 的模擬結果如圖9 所示，混合模式及壓縮機模式的功率均遠遠大于氟泵模式的功率。另一方面從圖中可以看出氟泵模式的能效比遠大于混合模式與壓縮機模式下的系統能效，因此在滿足冷量供給的條件下，盡量增加氟泵的使用可以起到良好的節能作用。

圖9 江蘇機房空調系統全年運行三種模式總功率和EER

上述對江蘇地區既定運行策略下全年運行的三種模式進行能耗分析，根據不同運行模式下的室內機出風溫度、功率和能效模擬結果可以看出，當前的運行策略并不是最優的運行策略，仍存在節能優化的空間。在滿足目標冷量的前提下，可以改變各模式之間溫度的切換界限，并通過不同運行模式的啟停控制來提供數據中心所需總的制冷能耗，尋找數據機房空調系統最優運行策略。

4 結束語

本研究從降低數據中心空調系統能耗與運行成本的角度出發，通過對數據中心氟泵空調系統進行現場測試與建模模擬相結合的方法，建立了氟泵空調系統的系統模型，進而探究該空調系統在不同室外溫度下的運行情況，并進行了全年能耗的模擬預測，在現有運行策略的基礎上結合各模式的模擬結果進行優化分析。

經過對本研究所建立模型的綜合模擬分析，目前數據中心氟泵實際運行模式不是最優的運行模式，存在巨大的節能優化空間，可以通過調整各模式之間溫度的切換界限、不同運行模式的啟停控制等可行性調節措施，提高氟泵空調系統的總體能效，實現數據中心機房節能運行。