1. 引言
党的“十九大”报告明确将“互联网+”上升为国家战略,而数据中心是其保证。同时,其能效巨大,而空调系统占到数据中心的用电量的43%左右。针对该情况,国内外学者将热管技术引入。重力热管空调在数据机房及基站等场合有采用,但是他的应用场合受到限制,当夏季室外温度较高时,室内外温差小于6℃时,单独采用热管空调不能满足要求,此时,需要开启空调制冷系统。随着热密度的不断增高,热管空调经历了风冷热管机组、水冷热管机组、水冷多联热管机组等的发展历程 [1] [2] [3] [4] [5] 。水冷多联热管系统由热管蒸发器吸收IT服务器的热量,在中间换热器(CDU),中与冷冻水进行换热,其中制冷剂通过重力回流到蒸发器末端,形成一个循环。见图1。本课题组对湖南某电信机房空调进行建模,
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Figure 1. Backboard heat pipe system diagram of a telecommunications room
图1. 某电信机房背板热管系统图
并与传统机房精密空调进行对比,结果表明,其节能率达到26% [6] 。并且热管属于被动式节能技术,其节能效果受环境影响较大。而在实际的改造方案决策及方案评价时,缺少系统能效评价的简便计算方法。本文以长沙某电信机房热管改造方案为例,应用分情况讨论的数学方法,并借助CYCLEPAD (热力学循环软件名称)热力学分析软件对其节能效果进行了计算。计算结果可为该类热力系统的评价做参考。
2. 水冷多联热管系统的物理模型
当室内外温差大于6℃时热管系统开始运行。如图1。
2.1. 水冷多联热管系统的安装形式
1) 列间热管
列间热管制冷末端与机柜并排布置,列间热管采用前部出风,后部回风的方式。列间热管安装靠近热源,换热效率极高。一般结合冷通道封闭的形式,进一步减小冷量的损耗。如图2。
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Figure 2. Installation diagram of inter column heat pipe
图2. 列间热管安装示意图
2) 背板热管
安装在机柜背后,服务器排出的热风与背板热管末端热交换后变成冷风排到室内环境。冷却距离短,冷量耗损小。如图3。
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Figure 3. Installation diagram of backplate heat pipe
图3. 背板热管安装示意图
3) 下沉式热管
下沉式热管安装在静电地板下,不占用机房空间,如图4。
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Figure 4. Installation diagram of sinking multi connected heat pipe
图4. 下沉式多联热管安装示意图
2.2. 水冷多联热管系统的特点
1) 安全可靠
该系统安全可靠,系统利用温差和工质自然相变传热,无水进机房;另一方面,水冷多联热管系统采用大风量、小焓差设计,通过提高送风温度,使送风温度在空气的露点温度以上,不会产生冷凝水。保障了IT设备运行的可靠性 [7] 。
2) 节能率高
在冬季及过渡季节,即全年超过一半时间可以利用自然冷却;冷水供回水温度提高,由传统空调供回水温度7/12℃上升到12/17℃,冷水机组的效率提高;末端贴近热源,系统节能率高达30%~90%;采用平行流换热器,比传统铜管铝翅片效率高30%以上 [8] 。如图5。
3) 经济性好
通过CFD辅助设计,对存在温度死区的位置进行个性化管理,局部控制该点处的环境,在保证整个机房内环境的均匀性、节省故障排查的工作量的同时降低了温控设备的整体运行费用。维护方便:本机组维护方便,每个风机有独立模块安装,维护方便。机组使用寿命10~12年。
其多项技术指标填补了国内空白,处于世界领先水平。产品在常德云大数据中心、湖南省电子政务外网机房、湖南东江湖大数据中心等进行了现场测试,综合能效比(COP)是传统空调设备的2~3倍 [9] 。
3. 工程概况
3.1. 空调冷负荷
机房发热量约为1300 kw,冷负荷总计约1680 KW。
3.2. 原机房精密空调配置
原机房采用17台100 kw的专用精密空调。设计工况为:冷凝温度30℃。
4. 采用热管末端 + CDU(冷量分配单元Cooling Deliver Unit) + 主机的改造方案
当室外温度低于10℃时,利用风冷自然冷却。室内外温差大于6℃而小于10℃时,采用混合制冷模式 [10] 。以长沙地区为例,月平均温度如下表1所示:
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Table 1. Distribution of average outdoor meteorological temperature in IDC machine room
表1. IDC机房平均室外气象温度分布表
空调设2套系统,室内设计参数如表2所示。热管系统的运行模式见表3,热管空调改造设备参数表见表4。
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Table 2. Interior design parameters
表2. 室内设计参数
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Table 3. Operation mode of heat pipe system
表3. 热管系统运行模式
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Table 4. Parameters of heat pipe air conditioning renovation equipment
表4. 热管空调改造设备参数表
5. 耗电量对比分析
1) 冬季
热管系统:室内外温差大于10℃时,即室外温度低于14℃时,采用自然冷却,只需提供热管风扇的功耗 [11] 。根据表1,其系统采用自然冷却模式占全年(8760小时)的运行的时间比为:1.9% + 26.2% + (27.1 × 0.4) = 39%。
风冷精密空调系统:取平均冷凝温度为7℃,输入功率为31.2 Kw。
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![](//html.hanspub.org/file/13-2570606x13_hanspub.png?20140208003014485)
Figure 5. Calculation of refrigeration efficiency of air cooled precision air conditioner (when the condensing temperature is 7˚C)
图5. 风冷精密空调制冷效率计算(冷凝温度为7℃时)
根据计算,其制冷效率为夏季的1.2。
风冷精密空调能耗:31.2 × 17 ÷ 1.2 = 442 kw。
2) 过渡季节
a) 室外温度为19℃~30℃的时间其占全年(8760小时)的运行的时间比为:
(33.3% + 27% × 0.1) = 36%。
该段时间内系统运行的模式采用混合冷却模式。
风冷精密空调的能耗:31.2 × 17 = 531.4 Kw
改造后热管 + CDU + 冷水主机的功耗:取水冷机组的COP为5.6。计算得水冷机组的能耗:
1680.25 ÷ 5.6 + 0.24 × 45 + 1.75 × 30 = 363.3 Kw
b) 室外温度为14℃~19℃时,采用部分自然冷却方式。其时间为:27.1% × 0.5 = 13.5%。
部分自然冷却方式节约的水冷主机开机的时间为13.5% × 0.5 = 6.7%。
3) 夏季
室外温度 > 30℃的时间为11.5%,按平均冷凝温度35℃计算 [12] :
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![](//html.hanspub.org/file/13-2570606x15_hanspub.png?20140208003014485)
Figure 6. Refrigerating capacity calculation diagram of air-cooled precision air conditioner when the condensing temperature is 35˚C
图6. 冷凝温度为35℃时风冷精密空调的制冷量计算图
风冷精密空调的制冷效率为额定工况的0.7,计算过程见图6。
其功耗为:31.2 ÷ 0.7 × 17 = 757.7 kw
水冷模式取363.3 Kw。
该方案实施后全年综合节电:
(自然冷却模式 + 部分冷却模式 + 夏季工况) × 8760小时
=[442× 39% + 531.4× 6.7% + (757.7 − 363.3) × 11.5%] kw × 8760 h = 190万kw·h
从以上的计算可以看出,其计算过程简便。全年节电190万度,其节能效果显著。
6. 计算结果讨论与结论
1) 影响热管系统运行的参数较多,如室外气温、围护结构、热管发热情况等。运用经典热力学对系统性能的评价指标粗糙。
2) 结合热力学仿真软件CYCLEPAD,提出了一种分析与评价热管系统的快速简便的方法。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。