濒临秃头运维组（8）
萌新小运维
老斯基，之前介绍了冷冻泵变频节能实证。今天可以介绍一下冷机出水温度提升对节能的影响吗？
小Q老斯基
众所周知，提升冷机出水温度可以提升制冷效率，实现节能。
萌新小运维
冷机出水温度提升后节能效果究竟如何？可以任意提升吗？有什么副作用吗？
小Q老斯基
小萌别着急，今天我们将通过一文深度解析冷机出水温度提升节能的奥义。
各位看官端好保温杯，咱们直接上干货！
01丨冷机效率分析
制冷的本质是通过做功把热量从低温物体迁移到高温物体。压缩机是冷源的主要耗能部件，其作用主要是维持制冷剂流量和压差。如图1所示，跟水泵一样，压缩机也是流体机械，其功耗取决于制冷剂的流量和压差。而制冷剂的饱和温度与压力一一对应。
因此，制冷剂流量一定的情况下，冷凝器与蒸发器之间的温差越大，压缩机功耗越大。制冷负荷不变，流量不变，要想节能，只能从缩小温差着手。所以，通过提升蒸发温度，降低冷凝温度可以有效降低压缩机功耗。
图1 制冷原理示意简图
定性分析说清楚了，定量分析相关论文已经有很多，大致的结论是：冷冻水供水温度每提升1℃，冷机平均功耗降低约2~4%。相关结论在此不再重复论证，这里通过冷机厂家样本数据来印证这一点。
图2是某型号冷水机组的技术说明书关于冷冻水温度和冷却水温度对冷机COP的关系曲线。当冷却水出水温度为30℃时，冷冻水出水温度从5℃提升到11℃时，COP从5.3提升至6.5。由此可见，冷冻水出水温度平均每提升1℃，COP比5℃提升约3.8%。
图2 水温与冷机COP关系曲线
02丨末端空调的最大制冷量分析
末端的制冷量Q=KA▽Tm，其中K是指末端空调的盘管的换热系数，A是盘管的有效换热面积，▽Tm为冷冻水和空气的等效温差。
其中h1为冷冻水与铜管管壁的对流换热系数。h2为盘管与空气的换热系数。d为铜管管壁厚度，λ为铜的导热系数。
从以上公式可知，在空调末端设定送回风温度不变的情况下，提高冷冻水供水温度，▽Tm将减少，而盘管面积A不变。为了维持制冷量不变，则K值得增大。在末端风量不变的情况下，h2不变。d/λ也不变，因此h1需要增大。由于h1与水流速度0.8次方成正比，因此水流速度需要增加，也即水流量增大。在同等制冷需求的情况下，水阀开度将增大。当水阀开度达到100%仍然无法满足制冷量需求的情况下，末端空调送风温度将上升，从而提升▽Tm。
#提升冷冻水温对末端空调对影响#
# 同等制冷量需求下，末端空调水阀开度增大；
# 末端空调最大制冷量下降；
# 制冷需求超出末端空调制冷量时，送风温度将提升；
以下数据是从某末端空调厂家技术手册提取的数据。从数据可以证明，随着冷冻水供水温度上升，空调的最大制冷量显著降低。
表1 供水温度与列间空调最大制冷量的关系
供水温度 | 7℃ | 10℃ | 13℃ | 15℃ |
显冷量kW | 31.29 | 27.31 | 23.53 | 20.83 |
以上数据基于回风温度35℃ | ||||
03丨运营案例校验
腾讯华南某A数据中心一期冷水系统配置4台离心机，其中1台为变频离心机，其余为定频。设计供回水温度为12/18℃。实行供水温度提升测试时，冷机运行在3号和4号冷机，电流百分比约63%。
2020年3月23日到4月4日，冷机出水温度从12℃逐步提升到16℃，随后由从16℃逐步恢复到12℃。为了控制变量，本次分析只提取冷凝饱和温度在30±0.3℃范围的数据点。根据数据测点绘制曲线图如下。
图3 冷机出水温度与冷机功率时间曲线
从以上折线图可以看出，冷机出水温度提升可以有效降低冷机功耗。不同出水温度对应的冷机平均功率统计如表2。
表2 冷机出水温度对冷机功率的关系
冷机出水温度℃ | 冷机平均功率kW | 功耗对比 |
12 | 267.38 | 100% |
13 | 256.82 | 95.7% |
14 | 256.82 | 92.9% |
15 | 245.18 | 91.7% |
16 | 242.86 | 90.8% |
从表2统计数据可知，冷机出水温度提升1℃，平均冷机功耗降低约2.3%。
通过上述理论分析可知，当冷冻水温度提升时，末端空调的水阀开度变大，最大制冷量降低。以下通过实际数据来证明。
选取IT负荷率较高的微模块MDC 0301H，IT负载116.48kw，6台空调全部开启。
图4 列间空调水阀开度时间曲线
从图4可知，随着冷冻水供水温度上升，列间空调水阀开度逐渐增加。当冷冻水供水温度超过15℃时，水阀开启度达到100%。此时，列间空调制冷量达到上限，无法维持设定送风温度。微模块冷通道温度从22℃上升到25℃。
图5 微模块冷通道温度时间曲线
04丨主要结论与建议
#知识点#
# 提升冷冻水供水温度可以显著提升冷机制冷效率，降低系统能耗；
# 冷冻水供水温度提升，末端空调水流量增大，水阀开度增大；末端空调最大制冷量下降；
# 在IDC运营初期IT负载率较低时，可适当提升冷机出水温度，降低冷机运行功耗。
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