氟泵双循环空调在数据中心的应用研究_何凤娥.pdf

第1期氟泵双循环空调在数据中心的应用研究何凤娥，田峰（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏 银川750001）摘要：随着宁夏煤业公司信息化的发展建设，数据中心服务器、交换机、磁盘阵列等设备逐年增加，单台机柜容量也越来越大，机柜需要的散热能力也随之提高。为加快打造“绿色数据中心”步伐，降低设备能耗成本，数据中心机房空调系统节能应用研究迫在眉睫。氟泵双循环空调就是充分利用外部自然冷源，最大限度实现绿色节能。关键词：数据中心；能耗；氟泵中图分类号：TB657文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）01-094-03作者简介：何凤娥（1989），女，助理工程师，现任职于国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，主要从事信息化运维工作。Tel：18909577051，E-mail：引用格式：何凤娥，田峰.一种氟泵双循环空调在数据中心的应用研究 J.能源科技，2023，21（1）：94-96.0引言目前，数据中心机房空调系统节能技术有自然冷源利用、提高空调设备自身效率、气流组织优化等方法。氟泵双循环空调就是充分利用外部自然冷源，提高空调效率，最大限度实现绿色节能。而银川地区，冬季和春秋季节时间长，夏季炎热时间短，年平均气温8，全年室外气温低于通信机房设定温度的比例很高。机房空调机一年四季都需要制冷，当过渡季节室外温度普遍低于数据中心机房环境的设计参数时，自然界存在着丰富的冷源。利用室外低温空气源进行机房空调降温具有广阔的应用前景1。本文主要通过数据中心机房内氟泵双循环空调的实际运行情况，开展全年能耗模拟计算和分析，验证节能改造效果和设备运行效率，以及空调系统的运行可行性和节能潜力。1氟泵空调系统工作原理机房空调一年四季都需要制冷，秋冬季节室外温度低于室内温度时，自然界存在着丰富的冷源，如何利用大自然的冷源是机房空调节能减排的重点问题。氟泵双循环空调系统正是利用自然冷源进行机房降温的高效节能手段2。如图1所示，该系统主要包括数据中心内部蒸发器、外部变频压缩机、风冷冷凝器、制冷剂气液分离器、制冷剂循环泵、干燥过滤器等。氟泵节能模块包括动力泵、储液器、控制器等关键部件。压缩机单向阀蒸发器单向阀冷凝器泵图1氟泵原理氟泵机组与风冷型机房空调机配套使用，组成了两套制冷系统，即压缩机运行制冷和氟泵运行制冷。夏季室外温度较高，压缩机正常运行制冷，氟泵系统停止工作；当室外温度低于室内系统切换控制的设定点时，压缩机停止工作，氟泵运行制冷。蒸发器中与室内空气换热后的制冷剂，直接进入风冷冷凝器与室外低温空气源进行换热，换热后的制冷剂在氟泵的作用下回到蒸发器继续换热，从而形成一个新的制冷系统。当室外环境温度略低于设定温度时，压缩机和氟泵同时工作，压缩机转速较慢，变频运行达到节能效果3。氟泵运行制冷时消耗功率仅为1 kW左右，小于相同制冷量下压缩机的消耗功率。氟泵双循环空调系统具有高效制冷、高兼容性、智能监控、多种制冷模第21卷 第1期Vol.21No.12023年2月Feb.2023第1期何凤娥等：氟泵双循环空调在数据中心的应用研究式智能切换、快速响应、高能效比等优点。2现场应用从数据中心选择2 组空调设备运行试用，并进行能耗数据测试，连续测试7 d，空调系统改造前后日消耗有功功率如图2所示。改造前改造后1 号设备监测天数/天1234567日累计有功功率/（kWh）14013012011010090807060改造前改造后2 号设备监测天数/天1234567日累计有功功率/（kWh）13012011010090807060图2空调系统改造前后日消耗有功功率对比分析机房空调系统改造前后数据，氟泵双循环空调系统节能效果明显。为进一步检验设备性能，对氟泵双循环空调系统在不同室外温度状况下运行进行了监测，得出运行能效比，结果见表1。表1氟泵双循环空调系统在不同室外温度状况下运行能效比工况工况说明机组能效比室内侧室外侧工况1（压缩机模式）干球24/湿球17.9 干球35 3.65工况2（压缩机模式）干球25 4.91工况3（混合模式）干球15 6.75工况4（氟泵模式）干球5 12.64工况5（氟泵模式）干球-5 24.953节能计算由于空调工作的过程是一直变化的，为简化过程，假设数据中心的计算服务器全年满负荷运行，制冷量为40 kW，室内侧换热器的风量满足机房环境温度的要求，室内侧风机的功率为1.2 kW，室外侧风机的风量随环境温度进行调节，风机的功率为2 kW；氟泵的体积流量为1.0 m3/h，额定功率为0.4 kW。根据设计计算和分析结果综合设定氟泵系统的工作模式，切换规则如下：当室外温度小于或等于8 时，该系统为氟泵运行制冷方式，压缩机不工作；当室外环境温度8 21 时，系统切换为混合循环模式，不足的冷量由制冷单元提供；当室外环境温度高于21 时，系统切换为压缩制冷循环模式，氟泵停止工作4。针对以上3 种工作模式划分，采用模拟计算空调能耗，氟泵运行制冷模式，机组的总功率：P1=Pifan+Pofan+Ppump（1）式中：P1为氟泵自然冷却模式时空调模块的总功率，kW；Pifan为室内侧风机的功率，kW；Pofan为氟泵系统室外侧风机的功率，kW。氟泵运行制冷模式全年总能耗：W1=P1t8（2）式中：W1为氟泵自然冷却模式全年总能耗，kWh；t8为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，h。混合循环模式，氟泵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，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，空调模块总的电功率：P2i=P1+Qo+QhiCOP（3）式中：P2i为当室外侧温度为i 时的空调模块的总功率，kW；Qo为空调模块的制冷量；Qhi为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为压缩式制冷的能效比，即制冷量与系统总能耗的比值。此处取COP为3.4。复合循环模式全年总能耗计算：W2=822()P2iti（4）式中：W2为复合循环模式的全年总能耗，kWh；ti为室外侧环境温度i 的全年时间，h。压缩式制冷循环模式，此时空调模块的总功率可表示为：P3=QoCOP（5）式中：P3为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=P3t22（6）式中：W3为压缩式制冷循环模式全年总能耗，95第1期kWh；t22为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。40 kW氟泵系统全年运行总能耗计算式：W=W1+W2+W3（7）氟泵双循环系统全年运行的综合COP计算式：COP=Qo36524W（8）式中：COP为氟泵双循环系统全年综合COP。按照银川标准气象年室外侧环境温度低于8 的干球温度的时间大约有2 075 h，占全年运行时间的23%以上；高于室外侧环境干球温度21 的时间有3 422 h，占全年运行时间数的39%。经模拟计算，40 kW的氟泵自然冷却系统的空调模块全年运行总的能耗为67 874.66 kWh，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模式和复合循环模式的总能耗分别为13%、33%和100%5。当室外侧环境的温度低于8 时，氟泵模式能耗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8 21 时，复合循环制冷模式的能耗仅为压缩式能耗的33%，节能效果也十分显著。4结语随着信息技术的不断发展，IT设备的运算处理速度和存储需求以及数据流量呈现增长趋势，IT设备发热量大幅上升，数据中心节能减排工作已经成为考核各运营部门的重要指标之一。在节能减排和企业低成本运营的双重压力下，网络运营部门节能减排的重点在于减少电力能源的消耗。氟泵双循环空调伴随着通信、互联网等行业的发展逐步成熟、推广应用，该系统充分利用北方丰富的自然冷源，节能效果显著，而且还能进行氟泵运行能效统计，维护便捷，机房洁净度保持良好。利用氟泵双循环空调系统冷却数据机房具有较好的发展前景。参考文献：1陈爱松.互联网数据中心行业发展现状和趋势分析 J.无线互联科技，2017（16）：32-34.2谷立静，周伏秋，孟辉.我国数据中心能耗及能效水平研究 J.中国能源，2010，32（11）：42-45，29.3韩武松，郑坤，郭然.提高数据中心设计温度的可行性及节能分析J.制冷与空调，2020，20（2）：94-98.4何怀文，肖涛，程东，等.碳感知的绿色云数据中心能源优化在线算法 J.电子科技大学学报，2018，47（4）：550-557.5司春强，邵双全.回路热管自然冷却/蒸气压缩制冷一体式机房空调全年能效比分析 J.制冷与空调，2019，19（6）：87-91.Study on the Application of Fluorine Pump Dual-Cycle Air ConditioningUnit in Data CenterHE Fenge,TIAN Feng(CHN Energy Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750001)Abstract：With the development and construction of information technology in Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.,the number of servers,switches,disk arrays and other equipment in the data center has increased yearby year,leading to increased capacity of individual cabinet and higher requirement on the heat dissipation capacity of cabinets.In order to speed up the pace of building a green data center and reduce the cost ofequipment energy consumption,it is pressing to carry out the application research of energy saving for theair conditioning system in the data center.Fluorine pump double-cycle air conditioning unit is able to makefull use of external natural cooling source to achieve maximum energy saving.Key Words：data center;energy consumption;fluorine pump（收稿日期：2022-05-06责任编辑：马小军）96