金洪文，孫 妍，張 炯

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.吉林省建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，長(zhǎng)春 130012；3.山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030006)

嚴(yán)寒地區(qū)數(shù)據(jù)中心降溫節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)探究

金洪文1,2，孫 妍1,2，張 炯3

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.吉林省建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，長(zhǎng)春 130012；3.山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030006)

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展迅速。其特點(diǎn)是散熱量大，空調(diào)能耗高，人工制冷作為數(shù)據(jù)中心主要室內(nèi)降溫方式且連續(xù)運(yùn)行，耗電量?jī)H次于IT設(shè)備用電， PUE值較高。嚴(yán)寒地區(qū)冬季溫度≤5 ℃的天數(shù)不足170 d，夏季超過(guò)30 ℃的天數(shù)不足30 d，氣候特點(diǎn)鮮明。故可充分利用室外空氣溫度變化來(lái)滿足室內(nèi)環(huán)境溫度需求，即在數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)方案中擬采用全熱交換、蒸發(fā)冷卻和人工制冷系統(tǒng)相結(jié)合的模式，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

數(shù)據(jù)中心；全熱交換；蒸發(fā)冷卻

0 前言

隨著數(shù)據(jù)中心容量的增加、規(guī)模的擴(kuò)大以及新型設(shè)備與技術(shù)的引入，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的諸多問(wèn)題隨之而來(lái)。通常數(shù)據(jù)中心設(shè)備集中，且單位面積發(fā)熱密度高。據(jù)資料顯示，從1987年首次載入ASHRAE手冊(cè)(空調(diào)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法)單位冷負(fù)荷為108～162 W/m2，到如今單個(gè)機(jī)柜散熱量高達(dá)3.5～10 kW，單位面積功率密度已高達(dá)500～2 000 W/m2。單位機(jī)柜發(fā)熱密度的不斷提高，易引起通信設(shè)備因溫度過(guò)高燒毀等問(wèn)題，需增大空調(diào)制冷機(jī)制冷量，以降低室內(nèi)環(huán)境溫度，這就增大了空調(diào)耗電比重。并且空調(diào)環(huán)境溫度下調(diào)1 ℃，其對(duì)應(yīng)的電耗是驚人的。在機(jī)房電能消耗中，空調(diào)耗電量約占總耗電的50%左右，這對(duì)數(shù)據(jù)中心的制冷技術(shù)提出了更高要求[1]。

目前，國(guó)內(nèi)室內(nèi)降溫采用的方式有：空調(diào)系統(tǒng)降溫、通風(fēng)降溫、黑網(wǎng)布吸收太陽(yáng)輻射降溫和地冷室內(nèi)降溫等[2]。數(shù)據(jù)中心主要降溫方式為空調(diào)系統(tǒng)降溫和通風(fēng)降溫，需要較高的投資和運(yùn)行費(fèi)用[3]。主要是人工制冷設(shè)備投資和運(yùn)行電耗高，既要減少人工制冷設(shè)備初投資以及其運(yùn)行時(shí)間，又要保證數(shù)據(jù)中心室內(nèi)溫度，二者是矛盾的。減少設(shè)備投入和運(yùn)行時(shí)間，意味著不能保障數(shù)據(jù)中心要求的環(huán)境溫度，這就需要通過(guò)其他渠道來(lái)解決這一矛盾。

1 嚴(yán)寒地區(qū)氣候特點(diǎn)

嚴(yán)寒地區(qū)以長(zhǎng)春市為例，年平均氣溫4.8 ℃，最熱月為7月，最高溫度39.5 ℃，平均氣溫23 ℃；最冷月為1月，最低溫度-39.8 ℃，平均氣溫-16 ℃。可充分利用室外溫度條件，盡可能減少人工制冷開(kāi)啟時(shí)間。

2 數(shù)據(jù)中心特點(diǎn)

據(jù)資料顯示，截至2013年3月底，我國(guó)各類數(shù)據(jù)中心總量約為43×104個(gè)，容納服務(wù)器共約500×104臺(tái)[4]。到2015年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心年用電量突破1 000億kWh，超過(guò)三峽電站當(dāng)年總發(fā)電量。相比其他類型的建筑空調(diào)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心具有運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、送風(fēng)參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定、高顯熱比、氣流組織復(fù)雜、耗電量大、全年要求制冷且負(fù)荷較大等特點(diǎn)[5]。并且數(shù)據(jù)中心有著嚴(yán)格的熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)GB 50174《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,見(jiàn)表1所示。

數(shù)據(jù)中心主要發(fā)熱設(shè)備要求進(jìn)風(fēng)溫度約為25 ℃左右，依據(jù)規(guī)范送風(fēng)溫差應(yīng)該在15 ℃左右，即送風(fēng)溫度一般應(yīng)在13 ℃左右，室內(nèi)最高溫度不宜超過(guò)28 ℃。

3 空調(diào)設(shè)計(jì)方案

寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn)鮮明，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)方案時(shí)，需要充分考慮地域的特點(diǎn)。當(dāng)室內(nèi)、外溫度接近或溫差不大的時(shí)候，可以考慮采用直接新風(fēng)系統(tǒng)降溫方式；當(dāng)室外溫度較高時(shí)，采用自來(lái)水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻送風(fēng)降溫方式；當(dāng)室外溫度較低時(shí)，采用全熱交換系統(tǒng)運(yùn)行方式；當(dāng)持續(xù)高溫采用上述方式運(yùn)行不能滿足室內(nèi)溫度要求時(shí)，啟動(dòng)人工制冷系統(tǒng)運(yùn)行降溫。根據(jù)不同氣溫變化，將全新風(fēng)系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、全熱交換系統(tǒng)及人工制冷系統(tǒng)集成并發(fā)揮其各設(shè)備優(yōu)勢(shì)，不啟動(dòng)或延遲啟動(dòng)人工制冷設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，這樣設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)將會(huì)比單一的傳統(tǒng)人工制冷空調(diào)系統(tǒng)有更大的節(jié)能潛質(zhì)。

表1 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求

這需要將置換通風(fēng)的新風(fēng)系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、全熱交換系統(tǒng)及人工制冷系統(tǒng)合理集成并高度智能運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的，即依據(jù)室外氣溫變化，進(jìn)行各個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)切換運(yùn)行，以維持室內(nèi)環(huán)境溫度并達(dá)到人工制冷系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間最短，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。節(jié)能降溫空調(diào)設(shè)計(jì)方案原理圖如1所示。

1.過(guò)濾器；2.全熱交換器；3.濕膜蒸發(fā)冷卻器；4.人工制冷設(shè)備；5.風(fēng)機(jī)圖1 擬采用空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

利用溫度敏感元件檢測(cè)室內(nèi)外空氣溫度并進(jìn)行精確控制，防止臨界溫度條件下室內(nèi)空氣發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象或室外溫度過(guò)高時(shí)采用單一制冷方式滿足不了室內(nèi)環(huán)境溫度需求。具體方案運(yùn)行如圖2～4所示。

圖2 全新風(fēng)原理圖

圖3 全新風(fēng)處理過(guò)程圖

圖4 排風(fēng)混入新風(fēng)處理過(guò)程圖

3.1 全新風(fēng)運(yùn)行模式

4月—6月，9月—10月室外平均溫度約為10 ℃左右，滿足直接利用新風(fēng)降溫的條件，可充分利用室外新風(fēng)直接降溫。開(kāi)啟圖1中閥門F1、F2，室外新風(fēng)(W點(diǎn))經(jīng)過(guò)濾器處理后直接送入室內(nèi)，吸收余熱后直接由排風(fēng)口(P點(diǎn))排至室外，處理原理圖如圖2所示，處理過(guò)程圖如圖3所示。此時(shí)，運(yùn)行時(shí)需要注意送風(fēng)溫度需要高于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的露點(diǎn)溫度，否則會(huì)結(jié)露，如某時(shí)段室外溫度低，需要混入一部分排風(fēng)，通過(guò)F3開(kāi)啟，混入少量排風(fēng)，此時(shí)處理過(guò)程圖如圖4所示。

3.2 蒸發(fā)冷卻降溫運(yùn)行模式

7月—8月室外日平均溫度升高至20 ℃左右，僅用室外新風(fēng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了室內(nèi)環(huán)境需求，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫冷水可以用來(lái)消除室內(nèi)熱負(fù)荷。以長(zhǎng)春地區(qū)為例，夏季設(shè)計(jì)室外干球溫度為30.5 ℃時(shí)，新風(fēng)通過(guò)濕膜材料降溫后出風(fēng)濕球溫度下可降至25 ℃，相對(duì)濕度85%。

故采用蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入室內(nèi)的空氣進(jìn)行降溫，利用室外干燥空氣和水作為制冷的驅(qū)動(dòng)源，讓空氣與水直接接觸進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)過(guò)程[6]，處理原理圖如圖5所示，處理過(guò)程圖如圖6所示，室外空氣W點(diǎn)沿等焓線等焓加濕降溫到L點(diǎn)，出風(fēng)的干球溫度即為室外空氣處理后的濕球溫度，其焓值與室外空氣相同，L點(diǎn)狀態(tài)空氣吸收室內(nèi)余熱量后由排風(fēng)口(P點(diǎn))排至室外。

圖5 蒸發(fā)冷卻降溫原理圖

圖6 蒸發(fā)冷卻處理過(guò)程圖

3.3 蒸發(fā)冷卻與人工制冷系統(tǒng)協(xié)同模式

當(dāng)室外溫度上升到利用蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)不能滿足室內(nèi)環(huán)境溫度的需要時(shí)，采用蒸發(fā)冷卻與人工制冷協(xié)同降溫，開(kāi)啟圖1中的閥門F1、F2，新風(fēng)由新風(fēng)口(W點(diǎn))經(jīng)空調(diào)機(jī)組進(jìn)入蒸發(fā)冷卻空調(diào)降溫，若仍不滿足規(guī)范要求，則由人工制冷補(bǔ)充不足部分，冷空氣進(jìn)入室內(nèi)降溫后，室內(nèi)熱空氣由排風(fēng)口(P點(diǎn))排出，此時(shí)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)和人工制冷分擔(dān)負(fù)荷需要分配合理，原理圖如圖7所示。處理過(guò)程圖如圖8所示，室外空氣W點(diǎn)沿著等焓線處理到到L點(diǎn)后，剩余的負(fù)荷再由人工制冷減焓減濕處理到L＇點(diǎn)后送至室內(nèi)，吸收室內(nèi)余熱后排到室外。

3.4 全熱交換系統(tǒng)模式

嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣候寒冷，1月、2月、3月、11月、12月溫度均在0 ℃以下，溫度≤5 ℃的天數(shù)達(dá)145 d以上。此時(shí)利用自然溫度進(jìn)行降溫，由于天氣寒冷導(dǎo)致進(jìn)入室內(nèi)空氣發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，可利用全熱交換系統(tǒng)將室內(nèi)熱空氣與室外冷空氣進(jìn)行交叉換熱，室外空氣W點(diǎn)經(jīng)全熱交換器處理增焓增濕至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)W＇處。提升室外進(jìn)入室內(nèi)的空氣溫度，降低結(jié)露現(xiàn)象發(fā)生的可能性，即如圖8所示：關(guān)閉圖1中的閥門F1、F2，室外冷空氣與室內(nèi)排風(fēng)換熱升溫后進(jìn)入室內(nèi)。吸收室內(nèi)余熱后排至室外，處理過(guò)程圖如圖10所示。

圖7 蒸發(fā)冷卻與人工制冷系統(tǒng)協(xié)同原理圖

圖8 蒸發(fā)冷卻與人工制冷系統(tǒng)協(xié)同處理過(guò)程圖

圖9 全熱交換系統(tǒng)降溫原理圖

采用的蒸發(fā)冷卻式系統(tǒng)和全熱交換系統(tǒng)相對(duì)于人工制冷具有投資費(fèi)用低的特點(diǎn)，其中蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)初投資約為傳統(tǒng)人工制冷的1/2，維護(hù)費(fèi)用約為人工制冷的1/3，運(yùn)行費(fèi)用約為人工制冷的1/4，運(yùn)行的耗電量?jī)H為人工制冷的1/6～1/8[7]；采用濕膜蒸發(fā)冷卻過(guò)程中，空氣得到凈化功能，大約可使室內(nèi)空氣中PM10可吸入顆粒物質(zhì)量濃度減少40%，PM2.5質(zhì)量濃度減少10%～40%[8]。

圖10 全熱交換系統(tǒng)處理過(guò)程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)主要利用嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，充分利用可再生能源及自然冷源，采用蒸發(fā)冷卻、全熱交換系統(tǒng)、自然冷卻全部代替或部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷劑空調(diào)系統(tǒng)，合理運(yùn)用低能耗的風(fēng)、水空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)熱空氣進(jìn)行降溫處理，推遲了人工制冷設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間，解決了人工制冷空調(diào)全年運(yùn)行能源浪費(fèi)較大的問(wèn)題。對(duì)下一步數(shù)據(jù)中心改造及新建的空調(diào)方案選擇，具有一定的實(shí)際借鑒意義。

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The Research on Cooling and Energy-saving Air-conditioning System in Data Exchange Center in Severe Cold Area

JIN Hong-wen，et al.

(SchoolofEnergy&Power，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

With the arrival of large data era，the construction of data center is developing rapidly.It is characterized by large heat，high energy consumption on air conditioning.Artificial refrigeration as the data center and the main indoor cooling mode to run continuously，the power consumption in it is the second to the power consumption of IT equipment，and the PUE value is higher.The time in cold winter areas with the temperature ≤5 ℃ is less than 170 days，the duration of annual days with the temperature more than 30 ℃ is less than 30 days and with distinctive climate characteristics.Therefore，the outdoor air temperature changes can be made full use to meet the need of indoor temperature.In the data exchange center of the evaporative cooling air conditioning system，it is to be adopted a total heat exchange，and combined model of evaporative cooling and artificial refrigeration system to achieve energy saving purposes.

data exchange center；total heat exchange；evaporative cooling

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.015

2016-12-09

金洪文(1970-)，男(漢)，遼寧朝陽(yáng)，教授 主要研究暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)。

TU831.3

A

1009-8984(2017)01-0060-04