应用于数据中心的氟泵自然冷却机组的模拟计算

1 引言

2 氟泵冷却机组原理及设计

2. 1 氟泵冷却机组的原理

氟泵冷却^{［1］－［4］}装置主要由储液器、氟泵和管道阀组成。氟泵系统必须与专用的风冷型空调配套使用。空调系统包括压缩式制冷循环和氟泵制冷循环，形成一个完整的全天候制冷系统。

图1 氟泵自然冷却系统工作原理图

氟泵自然冷却系统的工作原理如图1 所示。在室外温度比较高的夏季时，机房的制冷系统为压缩式制冷，在过渡时期或者冬季，室外的温度低于设定值时，制冷模式切换到氟泵自然冷却模式。气态氟利昂气体在室外空气冷却冷凝器冷却变为低温液体，通过泵压将氟液输至室内蒸发器节流吸热变成气态，然后输至室外空气冷却冷凝器再次液化成液态的氟利昂制冷剂，周而复始的重复上述的过程。因为氟泵的电功率远远小于压缩机的电功率，自然冷却的能量效率大于压缩机的能量效率，所以氟泵自然冷却系统更能体现出节能的目的。

2. 2 氟泵冷却机组设计工况

已知氟泵冷却机组的名义制冷量为40kW，其使用工况如表1 所示:

表1 氟泵自然冷却系统使用工况

以氟泵冷却机组的使用工况作为其设计工况:当室外环境温度设定在8℃，蒸发器的入口侧的空气温度为32℃，蒸发器出风口的空气温度为24℃，氟泵制冷剂的工作温度为17℃，则室内外空气的温度变化如图2 所示，泵的输送效率η =0. 9。

图2 流体温度变化图

2. 3 氟泵冷却机组设计方案

氟泵自然冷却系统设计的关键是压缩机的机械式制冷与氟泵系统的复合技术，并且以降低制造成本、高可靠性、良好的调节性能和节能效果^［5］为设计目标。由于数据中心的等级不同，服务器数量不同，所以其热负荷不同，所以氟泵自然冷却系统采用模块化的设计，可以根据具体的对象配置相应数量的氟泵自然冷却系统。同时模块化的产品也便于以后规模化、标准化生产，也会降低相应的制造成本。

针对数据中心节能环保^{［6］－［9］}的要求，我们提出了空调设计方案具体如下:

氟泵自然冷却空调有彼此独立的机械式制冷单元和氟泵制冷单元，在换热器之间通过电磁阀和氟泵的切换而组成，冷量由两个单元直接提供，其控制方式为：当室外侧的温度与室内侧的温度的差值大于设定的温度差值时，则数据中心的冷量由机械式制冷单元直接提供；当室外侧温度与内测温度的差值小于或等于设定的差值时，氟泵系统开始工作，制冷量不足的部分由机械式制冷单元提供; 当室外测温度继续下降时。机械压缩式制冷直接停止工作，所需的冷量单独由氟泵系统提供。

3 以南通某数据中心进行氟泵自然冷却空调系统全年模拟分析

为了进一步研究氟泵自然冷却系统的节能性，对40kW 的氟泵自然冷却空调进行全年的运行模拟能耗分析。

由于空调工作的过程是一直变化的，我们为了简化模拟过程，假设数据中心内的计算服务器全年满负荷运行，制冷量为40kW，室内侧换热器的风量满足机房环境温度的要求，室内侧风机的功率P_ifan= 1. 2kW，室外侧风机的风量随环境温度进行调节，风机的功率为P_ofan= 2kW; 氟泵系统中所选用氟泵的体积流量为q_h= 1. 0m3 /h，额定的功率P_pump= 0. 4kW。我们根据设计计算和模拟分析结果

综合下设定氟泵系统的工作模式切换规则如下:

( 1) 当室外温度小于或等于8℃时，该系统为氟泵自然冷却方式，压缩机不工作;

( 2) 当室外环境温度介于8℃到21℃时，系统切换为复合循环模式，不足的冷量有制冷单元提供;

( 3) 当室外环境温度为21℃时，系统切换为压缩制冷循环模式，氟泵停止工作。

针对以上3 种工作模式划分，采用下面的公式模拟计算空调模块能耗:

( 1) 氟泵自然冷却工作模式，机组的总的功率:

P1 = P_ifan+ P_ofan + P_pump         ( 3－1)

式中:

P₁—氟泵自然冷却模式时空调模块的总功率，kW;

P_ifan—室内侧风机的功率，kW;

P_ofan—氟泵系统室外侧风机的功率，kW。

氟泵自然冷却模式全年总能耗:

W₁=P₁×t₈                             ( 3－2)

式中:

W₁—氟泵自然冷却模式全年总能耗，kW·h;t₈—氟泵自然冷却模式全年运行时间，即全年室外环境温度为8℃的时间，单位h。

( 2) 复合循环模式，氟泵自然冷却模式满负荷运行，不足的冷量由压缩式制冷来补充，为了简化计算过程，我们先利用压缩式制冷的COP 估算其制冷功率。对于某一室外侧环境温度下，空调模块的总的电功率如下:

P_2i= P₁+ Q₀－Q_hiCOP               ( 3－3)

式中:

P_2i—当室外侧温度为i℃时，空调模块的总功率; kW;

Q₀—空调模块的制冷量;

Q_hi—对应室外侧环境温度i℃时，根据EES模拟计算得到的氟泵自然冷却满负荷运行所提供的制冷量，kW。

COP —压缩式制冷的能效比，即制冷量与系统总的能耗的比值。此处取COP 为3. 4。

复合循环模式全年总能耗计算:

W₂=Σ²²₈(P_2i×t_i)                        ( 3－4)

式中:

W₂—复合循环模式的全年总能耗，kW·h;

t_i—室外侧环境温度i℃的全年时间，h。

( 3) 压缩式制冷循环模式，此时空调模块的总功率可表示为:

P₃=Q₀COP                               ( 3－5)

式中:

P₃—压缩式制冷循环时空调模块总的功率，kW;

压缩式制冷循环全年空调总能耗:

W₃= P₃ × t₂₂                              (3－6)

式中:W₃—压缩式制冷循环模式全年总能耗，kW·h;t₂₂—压缩式制冷循环模式全年运行时间，即全年室外环境温度高于21℃的时间，h。

( 4)40kW 氟泵自然冷却系统全年运行总能耗计算公式如下:

W=W₁+W₂+W₃                                 (3－7)

则氟泵自然冷却系统全年运行的综合COP 计算公式如下:

COP'=Q₀×365×24/W                  ( 3－8)

式中: COP'—氟泵自然冷却系统全年综合COP。

我们选取南通地区作为氟泵自然冷却系统的应用地区，按照Dest 软件分析的标准年气象数据绘制的南通地域标准气象年干球温度年变化情况如图3 和4 所示:

图3 南通标准气象年干球温度曲线

图4 南通地区标准气象年全年各级干球温度分布图

由图3 和4 可以得出，室外侧环境温度低于8℃的干球温度的时间大约有2075h，占全年运行时间的23%以上; 高于室外侧环境干球温度21℃的时间为3422h，占全年运行时间数的39%。

表2 表示的是氟泵自然冷却全年运行能耗模拟计算结果:

表2 40kW氟泵自然冷却系统全年运行能耗模拟计算结果

根据表2 模拟计算结果表明，40kW 的氟泵自然冷却系统的空调模块全年运行的总的能耗为67874.66kW·h，全年系统的综合COP 达到6. 88。以压缩式制冷模式的空调模块能耗为基准，可以模拟计算出氟泵自然冷却模式和复合循环模式的总能耗分别为13%、33. 1%和100%。当室外侧环境的温度低于8℃时，氟泵自然冷却模式能耗仅仅为压缩式制冷模式的13%，可见节能效果十分显著。同时增加复合制冷模式，有效的减少了能耗，充分利用了自然冷源，提高了机组的能效COP，当室外环境温度介于8℃到21℃时，复合循环制冷模式的能耗仅为压缩式能耗的33. 1%，节能效果也十分显著。相比于压缩式制冷模式的氟泵自然系统的全年运行总能耗:

W_ratio=Σ³₁(W_i×t_i)                      ( 3 － 9)

式中:

W_ratio—氟泵自然冷却系统空调总能耗的年能耗;

W_i—对应工作模式的全年总能耗;

t_i—对应工作模式的全年运行时间比例。

由上式计算可得:

W_ratio= 13% × 23. 7% + 33. 1% × 37. 2% +100% × 39% = 54. 4%         ( 3 － 10)

因此氟泵自然冷却系统的全年运行总能耗仅为压缩式制冷的54. 4%，节能效果达到45. 6%，节能效果十分明显。

在研究复合循环模式的节能性时，我们利用上面同样的方法。假设当室外环境温度小于8℃时，机组的工作模式为氟泵自然冷却制冷模式，没增设复合区，只有氟泵自然冷却模式和压缩式制冷模式，因此当室外环境温度高于8℃时，系统直接切换为压缩式制冷循环模式。氟泵自然冷却模式工作时间为2075h，压缩式制冷模式增加到6685h。模拟计算的结果如表3 所示。

表3   氟泵自然冷却系统全年运行能耗模拟计算结果

与表2 相比，引入复合区循环模式，可以很大程度上减少压缩式制冷循环的时间，表格数据表明，时间减小了3263h，系统全年运行能耗下降了29. 6%，全年综合COP 提高了29. 5%，由此可见，引入复合循环模式充分利用了自然冷源，大幅提高了系统的综合COP，节能优势明显。

4 结束语

研究结果表明: 氟泵相比于常规的压缩式制冷系统，氟泵自然冷却系统的节能效果达到45. 6%，综合系统COP 得到显著的提高。在夏季时，可以有效的减少压缩式制冷模式的运行时间，数据表明，运行时间减小了3263h，系统全年运行能耗下降了29. 6%，全年综合COP 提高了29. 5%。所以氟泵自然冷却系统更具应用性。

数据中心对空调系统的稳定性和可靠性要求严格，对氟泵系统的使用工况和环境也有一定的限制，所以还需要进行进一步的研究:

完善关键部位的可靠性实验，完成系统的集成，进行制冷单元的整机性能和应用实验，考察在不同工况下的性能，并与计算值进行对比分析;

分析实验数据，结合数据中心的技术需要，设计合理的能量调节和工作模式切换控制系统。

参考文献:

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作者：韩小磊，涂淑平，李学章，上海海事大学  商船学院。