间接蒸发冷却在湿热地区数据中心的节能分析

马晓晨,石文超,杨洪兴

(香港理工大学 建筑环境与能源工程系,中国 香港 999077)

0 引 言

随着5G、云计算和数字化转型的快速发展,大型数据中心已成为新的基础设施建设的重点。作为现代信息社会的重要基础设施之一,数据中心为企业和个人提供数据存储、处理和传输等服务,其建设规模和数量不断增长[1]。从2000年到2005年,世界各地数据中心的用电量翻了一番,尽管2008年金融危机导致全球经济放缓,但从2005年到2010年,该能耗仍提高了约56%[2]。截至2021年,美国拥有2 670个数据中心,位列世界第一,英国(452个)、德国(443个)和中国(416个)数据中心的数量也比较庞大,且还在增加[3]。因此,数据中心的建设与运营面临着越来越严峻的节能减排压力,需要寻求可行的技术方案和管理策略来实现节能减排的目标。

数据中心作为一个集中了大量电子信息设备的建筑场所,往往表现出较高的热密度,需要高效、不间断的制冷来消除由此产生的大量热量[4]。随着IT设备的技术进步,数据中心的温度和环境标准有所放宽,这也为自然冷却创造了条件[5]。作为一种自然冷源,间接蒸发冷却技术(IEC)在数据中心得到了广泛应用,其工作模式有3种[6]:当设备在干模式下运行时,只有送回风机被打开;在湿模式下,支持喷淋的循环水泵也开始运行;而在混合模式下,除了上述2种模式所需的设备外,还需启动直膨式空调(DX)[7]。这3种运行模式需要结合当地气象参数进行调整,从而在满足室内温度控制的基础上实现节能的目标。虽然IEC已经显示出优越的节能效果,但对于常年高温高湿地区(例如香港特区),IEC的应用受到较大的限制。为了进一步探讨高温高湿地区数据中心应用IEC技术的研究,褚俊杰等提出了数据中心间接蒸发自然冷却潜力评价计算新方法,并得出广州地区采用风侧间接蒸发冷却小时数为4 000 h[8]。杜妍等通过模拟露点间接蒸发冷却空调机组将空气处理至接近或低于湿球温度的值,使其以自然冷却的形式所提供的制冷量时间高达6 600 h[9]。武茁苗等通过分析不同运行模式下间接蒸发冷却空调的能耗,发现广州市干、湿、混合模式的运行时长占比分别为21%、15%、64%,而节电率分别为36%、31%、18%[7],但该技术在香港数据中心的应用还鲜有研究。与广州相比,香港四面环海,海水热容大,海洋性气候明显,北下的寒流进入更晚。在IEC的应用方面广州所承担的显热冷量更大,而香港室内需要使用风机盘管的能耗更大[10]。此外,液体除湿器(LDD)可以成为辅助单元,通过降低新风的湿球温度以延长IEC系统的有效运行时间[11-13]。为此,本文基于Matlab和EnergyPlus,开发了IEC-DX和LDD-IEC-DX系统,分析并对比了它们用于热湿地区数据中心的能耗,可为IEC用于热湿地区数据中心提供一定参考。

1 LDD-IEC-DX系统工作原理

1.1 间接蒸发冷却系统工作原理

传统IEC主要由一次空气通道(干通道)和二次空气通道(湿通道)2部分组成,一次空气主要是室外空气,二次空气可以是室外空气也可以是室内排风。而当IEC空调系统用于数据中心时,则是通过引入室外新风来间接冷却室内回风,具体气流流向如图1所示[14]。在二次空气通道中,新风通过与水膜直接接触近似等焓降温带走潜热,从而冷却通道壁面,有利于相邻干通道中的一次空气温降。同时,在一次空气通道中,一次气流流经被冷却的通道壁面完成热交换,以达到等湿冷却的效果[15-16]。该系统的关键影响因素是室外环境的干球温度和湿球温度的差值,因此在高湿地区机组的喷淋冷却效果有限,IEC系统需要机械补冷的运行时间更长[17]。

图 1 IEC空调系统在数据中心的布置Fig.1 The arrangement of IEC AC system in DCs

1.2 太阳能辅助除湿系统的工作原理

作为一种可持续性的空调技术,IEC已经广泛应用于干热地区的数据中心且具有明显的节能效果。然而在湿热地区,室外新风需要经过除湿才能保证一定的干湿球温度差,因此为数据中心的IEC空调系统加装LDD是一种值得研究的方案。依照本组之前的研究发现,在以香港为代表的湿热气候地区,通过LDD将湿热的新鲜空气先除湿,再通入IEC进行显热冷却有助于提高空调系统的节能率[18]。故本文以此为基础,针对数据中心将新风作为工作气流的特点,新风经LDD除湿后通入IEC的湿通道用于间接冷却相邻干通道流经的室内回风。同时,将太阳能集热器捕获的热能用于干燥剂溶液再生。

图2是LDD-IEC空调系统用于数据中心的系统原理图,该系统由3部分组成:用于预除湿处理新风的太阳能辅助LDD系统、用于新风冷却回风的IEC系统,以及用于补冷的DX装置[19]。包括太阳能集热器、除湿器、再生器、冷却塔、IEC和DX装置等6个主要部件。太阳能收集器捕获的热量通过水/溶液热交换器将干燥剂溶液再生。如果热能不足以再生,辅助加热器将运行。储罐用于储存多余的热量。由于高入口溶液温度可导致低除湿,故冷却塔将通过溶液/水热交换器冷却干燥剂溶液。室外的新鲜空气经除湿器预除湿后通入IEC的湿通道内进行蒸发冷却,相邻干通道内的室内回风被冷却后作为供应气流被送入室内。当环境空气温湿度超出LDD-IEC单元的冷却范围时,启动机械补冷装置用以送风降温[18]。

图 2 LDD-IEC空调系统在数据中心的布置Fig.2 The arrangement of LDD-IEC AC system in DCs

1.3 方法

在LDD-IEC空调系统中,每个组件的模型都单独建立,再根据参数的入口和出口关系进行整合,以方便系统模拟。采用一维有限差分模型进行除湿器/再生器分析,热量和质量传递过程遵循能量和质量守恒方程,即

1) 质量守恒方程

mf,Ddωf+dmso=0

(1)

2) 能量守恒方程

mf,Ddif+d(isomso)=0

(2)

3) 显热交换方程

mf,Dcpadtf=d(tso-tf)dA

(3)

4) 总热交换方程

(4)

式中:mf,D为LDD的新风流量;ωf为新风的含湿量;mso为干燥剂溶液的流量;if为新风的焓值;iso为干燥剂溶液的焓值;cpa为空气比热容;tf为新风的温度;tso为干燥剂溶液的温度;hmf为新风的传质系数;isat为饱和空气的焓值;hf为新风的传热系数。

系统中的工质是氯化锂(LiCl),其溶液的比热容是溶液温度和溶液质量分数的函数,根据文献[20]计算。IEC的模型则是在2个通道的能量和质量平衡的基础上建立的,例如:

1)二次空气的热平衡

hs(tw-ts)dA=cpams,Edts

(5)

2)二次空气的能量平衡

hms(ωsat-ωs)dA=ms,Edωs

(6)

3) 一次空气的热平衡

hf(tf-tw)dA=cpamf,Edtf

(7)

4) 蒸发水膜的质量平衡

dmew=msdωs

(8)

5) 总能量平衡方程

msdis-cpamf,Edtf=d(cpwtewmew)

(9)

6) 一次空气和二次空气的质量流速满足关系

ms=r2·mf,E

(10)

假设Lewis关系得到满足,并且Lewis数在空气和水相互作用的表面上是统一的,就可以得到传质系数(hms)。根据干燥剂除湿和再生过程的质量平衡,除湿器中的空气水分损失等于再生器中的空气水分增加。

mf,D(ωf,D-ωf,D,out)=mf,E(ωf,E,out-ωf,E,in)

(11)

式中:hs为二次风的传热系数;mf,E为IEC的新风流量;ms,E为IEC的二次风流量;hms为二次风的传质系数;ωsat为饱和空气的含湿量;ωs为二次风的含湿量;hs为新风的传热系数;ts为二次风的温度;tw为墙壁的温度;mew为蒸发水膜的质量;ms为二次风的质量;is为二次风的焓值;tew为蒸发水膜的温度;r2为IEC的抽气比。

1.4 系统模型框架

利用图3所示的框架建立系统模型。首先,通过Sketchup软件建立数据中心的建筑模型,并为其基本围护结构,内部增益等赋予基本信息。随后,基于Openstudio 的工作台为建筑模型划分热区,以获得完整的建筑概况并导入Energyplus。利用Energyplus则可以分配空调系统中的不同模块,并在建筑物中进行全年的能耗模拟。本文所输入Energyplus中的气象数据来源于香港天文台的最新信息。其中,IEC的运行情况如湿球效率和除湿率曲线则是通过自行写入Matlab软件中代码生成的。

图 3 仿真模型框架Fig.3 The framework of simulation model

1.5 评估指标

为了评估IEC-DX系统和LDD-IEC-DX对湿热地区的数据中心制冷能耗的降低程度,以节能强度为评估指标,对比2种优化系统与传统空调系统产生的能耗,具体计算方程为

(12)

(13)

式中:EAC为基准空调系统的能耗;EID为IEC-DX系统的能耗;ELID为LDD-IEC-DX系统的能耗;φ为采用IEC-DX系统的节能强度;φ′为采用LDD-IEC-DX系统的节能强度。

2 实例模拟

为了分析实际情况下,IEC-DX系统以及LDD-IEC-DX系统对于湿热地区数据中心制冷的节能效果,本文以处于香港气候环境下的大型数据中心为例进行具体的能耗模拟分析。

2.1 建筑概况

根据文献[21-22]对建筑物中部分物理参数及内部增益参数的规定,设计了占地面积为1 500 m2的数据中心建筑施工参数,如材料、厚度、墙壁、屋顶和窗户的U值(见表1)和内部增益(照明3.5 W/m2、IT设备400 W/m2)参数。

表 1 建筑物的物理参数

2.2 运行工况

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》和T/DZJN 10—2020《数据中心蒸发冷却空调技术规范》的相关规定,本文规定数据中心机房送风温度和湿度分别为25 ℃和60%,而回风温度为36 ℃。

3 结果与讨论

3.1 室外空气条件

香港位于我国南部,属于亚热带湿润气候。图4显示了香港全年的室外气温和相对湿度变化情况。可以看出: 高温主要出现在6月—8月,最高温度约为35 ℃,而最低温度则出现在12月、1月、2月。由于香港四面环海,相对湿度明显高于内陆,除冬季外,全年的相对湿度在50%～95%之间波动。

SVD法所得到的矩阵奇异值,具有唯一性、稳定性和比例不变性等性质.奇异值降噪的关键因素是确定重构相空间的阶数和矩阵重机分离阶数.

图 4 全年温湿度变化Fig.4 The changes of annual temperature and humidity

3.2 IEC空调系统的节能分析

模拟基于文献[23-24],规定IEC空调系统在环境空气干球温度不高于16 ℃的情况下以干模式运行,此时室内回风和室外新风直接进行显热交换。当干球温度超过16 ℃且湿球温度低于18 ℃时,IEC机组以湿模式运行,供水系统被开启。在湿膜式下,水膜在二次气流通道中蒸发并与新风进行热交换,而相邻的干通道内的冷却空气则被送入室内。在香港,5月之后的环境空气相对湿度过高,新风湿球温度急剧上升,直到10月份才有所下降。此时,数据中心的IEC机组以混合模式运行,DX单元为IEC系统补冷以维持室内环境。

图5为2种空调系统的节能效果对比。可以看出:在温度较低且干燥的11月—4月,IEC系统的节能效果更加显著,然而进入相对湿度较高的5月—10月,IEC空调系统的节能效果则有所下降。总体而言,IEC系统的年能耗降低了16.5%。需要注意的是,在高湿情况下,IEC空调系统的效率受到了较大影响,因此添加除湿单元是值得考虑的方案。

图 5 2种空调系统的能耗分析Fig.5 Energy consumption analysis of two AC systems

3.3 IEC-LDD空调系统的节能分析

作为一种依靠太阳能为原动力的除湿装置,太阳能辅助除湿系统具有运行成本低、环保节能和可持续性等优点,是一种行之有效的除湿单元。将LDD与IEC空调系统相结合,可以在第一环节对新风进行预除湿,降低新风的相对湿度和湿球温度。基于文献[18],除湿量在太阳能集热板为50 m2时可以达到12 g/kg,由此可以大幅增加IEC空调系统以湿模式运行的时间,同时缩短DX补冷的时长,从而大大降低能耗,提高能源利用效率。具体运行时长的变化如图6所示。

图 6 IEC空调系统运行模式时长分布Fig.6 Time distribution of IEC AC system operating mode

从图6可以看出:在系统以干模式运行时长不变的情况下,IEC空调系统湿模式运行所占比例增加了35.9%,混合模式的运行时间减少了35.6%。由于系统全年以湿模式占比的时间增长,故年能耗相较传统机械制冷和IEC空调系统分别降低了33.3%和20.1% (见图7)。此外,因高湿地区干湿球温差小而导致6月—9月IEC的功效较低,则能耗与原系统相近。增设LDD单元后得益于除湿环节的启用,系统能耗即使在夏季也显著降低。

图 7 3种空调系统的能耗分析Fig.7 Energy consumption analysis of three AC systems

图8为使用LDD辅助IEC空调系统的全年不同运行模式的占比情况。可以看出:在气温较低且干燥的12月—2月,仅依靠IEC运行即可承担数据中心内的所有负荷,此时只有水泵和风机运行以消耗能量。其中,由于1月份气温小于16 ℃的天数较多,IEC以干模式运行的时长更长,水泵功耗较低,因此总能耗减小。当进入3月后,随着环境温湿度的逐渐攀升,新风的湿球温度已经超过IEC冷却处理的最高限度,此时需要开启LDD单元。室外空气流经LDD通道被除湿后再送入IEC湿通道用于水膜蒸发,维持LDD系统正常运行的部分能耗也需要被考虑。

图 8 空调系统不同运行模式的占比情况Fig.8 The proportion of different operating modes of the AC system

此外,由于LDD系统的除湿程度有限,当室外空气经过最高限度的除湿后,IEC的送风温度仍然不能满足数据中心的送风温度要求时,DX将作为补冷单元参与到整个制冷系统中。在每年的7月,DX需要消耗大量的电能以处理高温空气,导致该月份的总能耗也达到每年的最高值。总的来说,相较于全年纯机械制冷所产生的能耗而言,LDD辅助IEC空调系统的节能效果非常可观。

但是,太阳能辅助除湿系统的应用受到地区气候条件的限制,该系统在运行时需要大量的太阳辐射以能产生足够的热量,在阳光不够充足的地区可能效果不佳。对于香港地区,文献[25]可以证明,太阳能辐射度尤其在日间时能够满足对除湿溶液浓度提升的需求。此外,香港地区的太阳辐射照度可达1 500 MJ/m2,且被鼓励就地增加太阳能能源使用程度[26]。然而,从经济性方面考虑,太阳能辅助除湿技术需要较高的初始投资以及维护成本,包括太阳能收集器、传热系统、控制系统的设计安装以及定期的维护和保养。这些成本可能会影响到系统的实际效益和经济性。因此,在选择太阳能辅助除湿系统时,需要考虑地区的气候条件、经济实力和维护成本等因素,综合评估其可行性和实际效果。

4 结 论

2) 借助LDD系统预处理新风可以降低新风含湿量及湿球温度,使得IEC在湿模式下的运行时长增加35.9%,混合模式的运行时间减少35.6%。

3) IEC-LDD空调系统在IEC空调系统的基础上将年能耗又降低了20.1%,相较于传统机械制冷则降低了33.3%的能耗,体现了该系统在湿热地区的数据中心中显著的节能减排潜力。

4) 在IEC-LDD空调的实际应用中,需要考虑太阳能集热系统的地域局限性,由于再生所需的补热对系统能耗的影响仍有待探讨。