最近幾年,數(shù)據(jù)中心能耗問題已經(jīng)變得越來越嚴(yán)重,有可能還會繼續(xù)惡化。據(jù)EPA 估算,2006年美國所有數(shù)據(jù)中心全年支付的總電費為45億美元,并預(yù)測,2011年這一數(shù)據(jù)將達到74億美元。
同時,服務(wù)器和交換機的規(guī)模越來越小,但其能耗卻大幅增加。1998年,機架服務(wù)器每個機架的功率在5000 W 左右,而到2006年則增至32000 W,根據(jù)ASHRAE 預(yù)測,到2014 年,每個機架的功率將增至42000 W。服務(wù)器數(shù)量和功率的急劇增加必然會導(dǎo)致冷卻和輔助設(shè)備的增加,從而使能耗形勢更加嚴(yán)峻。LawrenceBerkeley 國家實驗室調(diào)查顯示,一個典型的數(shù)據(jù)中心能耗比例為:1)IT 設(shè)備(服務(wù)器、交換機、路由器等)占44%;2)制冷設(shè)備(機房精密空調(diào)、風(fēng)機)占38%;3)電源設(shè)備(UPS、SPM 等)占15%;4)照明占3%。從中不難看出制冷設(shè)備的耗電量僅次于IT 主設(shè)備的耗電量。
面對“能源危機”,現(xiàn)在所有數(shù)據(jù)中心都在采用新技術(shù)提高空調(diào)能效,對空調(diào)系統(tǒng)進行精確控溫和氣流組織,此外,超過10% 的數(shù)據(jù)中心采用了空氣冷卻或者水冷的節(jié)能裝置ASHRAEStandard90也要求美國一些地區(qū)數(shù)據(jù)中心采用自然冷卻節(jié)能裝置,尤其是那些氣候比較涼爽的西部和東北部地區(qū)。利用自然空氣冷卻的研究包括直接引入新風(fēng)式節(jié)能系統(tǒng)和隔離式新風(fēng)熱交換系統(tǒng),隔離式新風(fēng)熱交換系統(tǒng)主要有板式換熱器和熱管換熱器2種。直接引入新風(fēng)式節(jié)能系統(tǒng)受地域影響較大,適宜氣候涼爽且空氣品質(zhì)較高的地區(qū)。而板式換熱器受結(jié)構(gòu)和傳熱形式的限制,實測顯熱溫度效率并不高。熱管換熱器受地域影響較小,且有較高的溫度效率,能夠達到冷卻的目的。目前對IDC 機房中熱管換熱器的應(yīng)用雖有所提及,但對相關(guān)的圍護結(jié)構(gòu)散熱以及熱管換熱器與總能耗的定量研究很少。
筆者所在課題組自主研制了利用自然冷源的熱管換熱器,將其用于IDC 機房的散熱,并對北京地區(qū)冬季工況下,熱管換熱器和空調(diào)各自的散熱特性和能耗負(fù)荷進行了試驗研究,對IDC 機房圍護結(jié)構(gòu)的散熱進行了計算。
1 試驗系統(tǒng)與儀器
以北京某實際機房為例,如圖1(a)所示,其尺寸為3.75m×2.8m×2.9 m。主要設(shè)備包括通信機柜、空調(diào)柜機、蓄電池組和配電箱等。試驗根據(jù)實際機房內(nèi)的設(shè)備布置,搭建IDC 機房模型,機房模型內(nèi)設(shè)備布置如圖1(b)所示。IDC 機房模型尺寸:3m(長)×1.8 m(寬)×2.9 m(高),墻體采用950型聚苯夾芯鋼板,板總厚100 mm,鋼板厚度0.8mm,夾芯材料容重為18kg/m3。
機柜單元采用自制模擬電子發(fā)熱模塊,額定電功率為1.1kW,依照實際機柜的氣流方向,通過風(fēng)扇和風(fēng)道將熱量散出。利用自然冷源的熱管換熱器為課題組自主研制的散熱設(shè)備,其額定換熱量為1kW,外形尺寸為750mm×320mm×290mm,中間用隔板完全隔開,均分為等截面的兩部分。換熱器芯體中,熱管元件采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的紫銅管,內(nèi)部充灌一定量的液體工質(zhì)封制而成,正三角錯排。與水平位置呈一定傾斜角度放置,室內(nèi)外兩側(cè)風(fēng)道分別安裝風(fēng)機一臺,風(fēng)機總名義功率為60 W。與目前應(yīng)用較多的鋁氨熱管換熱器相比,自主研制的該熱管換熱器工質(zhì)具有環(huán)保、高效、無毒、安全的特點,管材的導(dǎo)熱系數(shù)為原有鋁材的2~3 倍,且密封良好,不會發(fā)生泄漏,經(jīng)國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測,其溫度效率高于常規(guī)鋁- 氨熱管換熱器?照{(diào)器采用KFR 32GW/Y 型產(chǎn)品,其額定制冷量為3200 W,額定功率為1190 W。
功率為1.1kW,依照實際機柜的氣流方向,通過風(fēng)扇和風(fēng)道將熱量散出。利用自然冷源的熱管換熱器為課題組自主研制的散熱設(shè)備,其額定換熱量為1kW,外形尺寸為750mm×320mm×290mm,中間用隔板完全隔開,均分為等截面的兩部分。換熱器芯體中,熱管元件采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的紫銅管,內(nèi)部充灌一定量的液體工質(zhì)封制而成,正三角錯排。與水平位置呈一定傾斜角度放置,室內(nèi)外兩側(cè)風(fēng)道分別安裝風(fēng)機一臺,風(fēng)機總名義功率為60 W。與目前應(yīng)用較多的鋁氨熱管換熱器相比,自主研制的該熱管換熱器工質(zhì)具有環(huán)保、高效、無毒、安全的特點,管材的導(dǎo)熱系數(shù)為原有鋁材的2~3 倍,且密封良好,不會發(fā)生泄漏,經(jīng)國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測,其溫度效率高于常規(guī)鋁- 氨熱管換熱器。空調(diào)器采用KFR 32GW/Y 型產(chǎn)品,其額定制冷量為3200 W,額定功率為1190 W。
圖1 IDC機房內(nèi)設(shè)備布置圖
試驗對熱流量、溫度、電功率等參數(shù)進行了數(shù)據(jù)采集,熱流量的測試采用JTRG Ⅱ型建筑熱工溫度與熱流自動測試系統(tǒng),其精度≤±5‰,分辨率為0.1 W/m2,數(shù)據(jù)采集時間間隔設(shè)定為1min,熱流測點工6個,通過對墻體的紅外成像分析,將熱流板分別布置在6面的適當(dāng)位置,并加以固定。電功率參數(shù)采用ANALYST3P 型電功率分析儀,其數(shù)據(jù)采集時間間隔設(shè)定為1min,電功率分析儀主要用來測量空調(diào)啟停時的逐時功率,從而得到一定時間內(nèi)空調(diào)的總能耗。溫度參數(shù)采用DX23012型溫度巡檢儀,其數(shù)據(jù)采集時間間隔為2s,溫度測點共6個,分別用于測量IDC 機房室內(nèi)溫度、室外溫度以及熱管換熱器進出口氣流溫度。
2 結(jié)果分析與討論
2.1 基礎(chǔ)室溫
在IDC 機房中不采用空調(diào)、換熱器等任何其他散熱設(shè)備,僅僅依靠墻體圍護結(jié)構(gòu)散熱,在這樣的條件下形成的室內(nèi)溫度,稱之為IDC 機房的基礎(chǔ)室溫,為了對IDC 機房的基礎(chǔ)室溫有一個直觀量化的概念,在2010年1月13日16:47至2010年1月14日16:47這一時間段內(nèi)對IDC機房的基礎(chǔ)室溫和室外溫度進行了測量,其24h內(nèi)的溫度變化如圖2所示。
圖2 IDC機房基礎(chǔ)室溫變化圖
從圖2中可以看出,24h內(nèi),IDC 機房在沒有其他任何散熱設(shè)備的情況下,僅依靠圍護結(jié)構(gòu)對外散熱,其室內(nèi)溫度與室外溫度的變化趨勢基本一致,室內(nèi)溫度隨室外溫度的降低而降低,隨室外溫度的升高而升高,且室內(nèi)外溫差基本保持不變。
即使在全天氣溫均低于0℃這樣的典型冬季工況下,僅依靠圍護結(jié)構(gòu)的散熱,IDC 機房的室內(nèi)溫度依然超過了30℃,平均為32.7℃,最高溫度達到37.8℃,而室內(nèi)外溫差高達30℃ 以上。由此可見,僅僅依靠圍護結(jié)構(gòu)的散熱,即使在冬季寒冷工況下,依然無法滿足IDC 機房內(nèi)的散熱需求。
2.2 圍護結(jié)構(gòu)散熱
在IDC 機房中,開啟空調(diào)器進行散熱,空調(diào)器設(shè)定溫度為25℃,在2009年11月15日20:512009年11月17日20:51連續(xù)的48h時間內(nèi)對其散熱特性和能耗進行試驗研究。試驗過程中IDC 機房室內(nèi)外溫度變化以及圍護結(jié)構(gòu)散熱量的變化趨勢如圖3所示。
圖3 IDC機房室內(nèi)外溫度和圍護結(jié)構(gòu)散熱量
從圖3中可以看出,室內(nèi)溫度基本維持在25℃不變,室外溫度隨天氣變化而變化,圍護結(jié)構(gòu)的散熱量在0.18~0.25kW 范圍內(nèi),其平均散熱量為0.214kW,相對于總散熱量1.1kW 而言,約占總散熱量的19.5%。圖4 給出了IDC 機房空調(diào)器能耗的逐時變化趨勢。從圖4 中可以看出,48h 內(nèi)空調(diào)能耗功率呈波狀起伏,原因在于隨著室內(nèi)溫度的波動,要維持恒定溫度,空調(diào)器不斷啟停,使得其電流值也在零上不斷波動,從而造成空調(diào)功率隨時間變化出現(xiàn)波狀起伏。通過對空調(diào)器逐時能耗功率的統(tǒng)計計算,得到48 h 內(nèi)空調(diào)器的總能耗為7074.72 Wh,平均每天耗能約為3.5kWh。
圖4 空調(diào)逐時功率
2.3 利用自然冷源散熱
對于IDC 機房,因為設(shè)備不間斷運行,需要制冷的時間較長,有些地區(qū)甚至全年需要制冷,所以空調(diào)負(fù)荷能耗巨大。在全年的過渡季節(jié)和冬季寒冷的時間,利用空氣中的自然冷源進行降溫,可減少空調(diào)的運行時間,達到節(jié)能降耗的目的。利用DeST 軟件建立IDC 機房模型,考慮到IDC 機房的特點,忽略人員得熱以及照明和開關(guān)門時造成的冷量滲漏,設(shè)定室內(nèi)溫度控制在18~25℃,濕度保持在40%~70%,對北京地區(qū)IDC 機房利用熱管換熱器散熱進行模擬研究,熱管換熱器正常工作的啟動溫度設(shè)定為3℃,可以得到北京地區(qū)全年可節(jié)能約47%,節(jié)能效果非常明顯。
因此在IDC 機房中,安裝了自主研制的熱管換熱器,充分利用室外冷空氣這一自然冷源,對IDC機房進行降溫散熱,并在2010 年1 月16 日22:47至2010年1月18日21:47共計47h時間內(nèi)對熱管換熱器的散熱特性進行了試驗研究。在試驗過程中,安裝了熱管換熱器的IDC 機房的室內(nèi)外溫度以及室內(nèi)外溫差如圖5所示。
圖5 利用自然冷源時IDC機房的室內(nèi)外溫度及溫差
從圖5中可以看出,隨著室外溫度的變化,室內(nèi)溫度也會發(fā)生相應(yīng)的變化,這是因為室外溫度的變化會影響圍護結(jié)構(gòu)散熱的多少,同時室外溫度的變化對熱管換熱器的實際換熱量也有影響,使得實際散熱量隨室外溫度的變化而變化,從而進一步造成室內(nèi)溫度隨室外溫度的變化而相應(yīng)變化。結(jié)果表明,在圖5 中的47h 內(nèi),室外溫度在-5.8~3.8℃范圍內(nèi)波動,而安裝了熱管換熱器后的IDC 機房室內(nèi)溫度最高不超過22℃,在12.8~21.9℃范圍內(nèi)變化,室內(nèi)外溫差不超過20℃,維持在15.1~19.1℃范圍內(nèi),而2007 ASHRAE Handbook 推薦的溫度范圍為65~80°F(即18.3~26.7℃)。因此,使用熱管換熱器完全可以滿足冬季工況下IDC 機房的散熱需求,而無需開啟空調(diào)。
同時需要指出的是,利用自然冷源的熱管換熱器,其耗能部件僅為風(fēng)機,功率不大,約為60 W,在試驗過程中,熱管換熱器一直處于開啟狀態(tài),因此其48h的總能耗約為2880Wh,而48h內(nèi)空調(diào)器的總能耗,如前節(jié)2.2所述,約為7000 Wh。比較發(fā)現(xiàn),熱管換熱器的能耗約為空調(diào)器能耗的41%,可以節(jié)省約59%的空調(diào)能耗,也遠小于其自身的實際散熱量。如果選擇低能耗的風(fēng)機,同等風(fēng)量下,使其額定功率低于60 W,則可進一步降低熱管換熱器的能耗。另外,對于空調(diào)器而言,由于安裝了自動控制系統(tǒng),因此空調(diào)器可以根據(jù)室內(nèi)溫度間歇工作,而試驗用熱管換熱器沒有安裝自動控制系統(tǒng),因此無法根據(jù)室內(nèi)溫度高低自動啟停,在試驗過程中,一直處于開啟狀態(tài)。如果熱管換熱器安裝了自動控制系統(tǒng),可以根據(jù)室內(nèi)溫度的高低自動啟停,那么熱管換熱器實際運行時間將會縮短,能耗也會降低。同時,由于熱管換熱器一直處于開啟狀態(tài),使得IDC 機房的室內(nèi)溫度可以達到12.8℃ 的較低溫度,遠低于IDC 機房室內(nèi)溫度要求的上限值,因此如果將熱管換熱器停止運行的溫度設(shè)定為高于12.8℃,設(shè)定為22℃,則可以大大減少熱管換熱器的工作時間,從而有效降低熱管換熱器的能耗。如此一來,熱管換熱器的能耗占空調(diào)能耗的比例將大大低于41%,完全可以控制在1/3左右,可以節(jié)。玻车目照{(diào)能耗。而只要室外溫度低于室內(nèi)溫度,且室內(nèi)外溫差大于熱管換熱器的啟動溫差,熱管換熱器均可正常工作。根據(jù)DeST 軟件氣象資料統(tǒng)計,北京地區(qū)全年氣溫低于25℃且滿足室內(nèi)外溫差大于3℃的小時數(shù)約為5244h,約占全年時間的60%。如果在這段時間內(nèi)熱管換熱器正常工作,可以滿足散熱需求,同時經(jīng)過改進,熱管換熱器的能耗為空調(diào)能耗的1/3,那么,全年總能耗將為原來能耗的60%,全年節(jié)能達到40%。
2.4 空調(diào)室內(nèi)設(shè)定溫度
面對IDC 機房較高的能耗,將空調(diào)的設(shè)定溫度提高,在同等其他條件下,理論上可以降低空調(diào)的能耗,ASHARE 也因此推薦將入口空氣溫度標(biāo)準(zhǔn)提高到80°F(約27℃)。通過對北京地區(qū)的模擬分析,可以得到設(shè)定溫度提高1℃,空調(diào)能耗降低2% ~3%。因此,針對26℃和27℃不同的設(shè)定溫度,對空調(diào)的散熱特性和能耗進行了試驗,具體試驗時間和空調(diào)能耗如表1所示。
表1 空調(diào)設(shè)定溫度、測試時間和總能耗
試驗對上述2個不同的空調(diào)設(shè)定溫度進行了研究,試驗過程中各自的室內(nèi)外溫度如圖6 所示。從圖中可以看出,室內(nèi)溫度與空調(diào)設(shè)定溫度一致,基本恒定,而室外溫度由于受天氣影響出現(xiàn)不同程度的波動。同時由于氣象變化,2 個試驗時間段內(nèi)的室外溫度不盡相同,前一時間段內(nèi)室外溫度在0℃上下波動,而后一時間段內(nèi)室外溫度均在0℃以上波動。
圖6IDC機房中室內(nèi)外溫度
不同的設(shè)定溫度,同等條件下,空調(diào)器的能耗也不同。圖7給出了26℃和27℃不同設(shè)定溫度下,空調(diào)器的逐時功率變化規(guī)律?梢钥闯,隨著空調(diào)器的啟停,其功率呈逐時波狀變化。對不同設(shè)定溫度下,空調(diào)器的逐時功率進行統(tǒng)計計算,可以得到各自46h內(nèi)的總能耗,具體數(shù)值見表1。
圖7 空調(diào)逐時功率
從表1 中可以看出,46h 內(nèi)空調(diào)的總能耗在8000~9000 Wh 范圍內(nèi),平均1d 能耗約為4~5kWh。同時,隨著空調(diào)設(shè)定溫度的提高,46h內(nèi)空調(diào)的總能耗出現(xiàn)了小幅度的增長,從26℃ 到27℃,設(shè)定溫度提高1℃,空調(diào)總能耗增加了1.83%。原因在于,不同設(shè)定溫度下的天氣條件不同,雖然試驗為持續(xù)測試,但室外氣溫并非同等條件,室外溫度越高,通過IDC 機房圍護結(jié)構(gòu)的散熱量越少,在總散熱負(fù)荷一定的情況下,空調(diào)的散熱負(fù)荷越大,而此時雖然提高了空調(diào)的設(shè)定溫度,一定程度上降低了空調(diào)的負(fù)荷,但對空調(diào)而言,其所承擔(dān)的總體散熱負(fù)荷仍然是增大的,因此帶來了空調(diào)總能耗的小幅增長。從中也可以看出,室外溫度對空調(diào)能耗的影響大于室內(nèi)設(shè)定溫度對空調(diào)能耗的影響。
2.5 室外溫度與空調(diào)能耗
通過上述分析,可以看出室外氣溫的變化對空調(diào)能耗負(fù)荷的影響超過了空調(diào)設(shè)定溫度對于空調(diào)能耗負(fù)荷的影響,而室外氣溫對空調(diào)能耗的影響究竟有多大,通過下面的分析,可以得到一個量化結(jié)果。圖8給出了在2009 年11 月15 日至2009 年11 月17日和2009年11月17日至2009年11月19日這2個連續(xù)時間段內(nèi)46h 內(nèi)的室外溫度變化,空調(diào)的設(shè)定溫度均為25℃。
圖8 不同設(shè)定溫度下的室外溫度
從圖8中可以看出,在第30h之后,2009年11月15日—17日的室外溫度與2009年11月17日—19日的室外溫度基本相同,而在前30h 內(nèi),前者的室外溫度均低于后者的室外溫度。分析可以得到,2009年11月15日—17日這一時間段內(nèi)IDC 機房圍護結(jié)構(gòu)的散熱量高于2009年11月17日—19日這一時間段,從而造成前者的空調(diào)能耗低于后者的空調(diào)能耗。通過對上述2個時間段內(nèi)空調(diào)器逐時能耗統(tǒng)計計算,可以得到二者的空調(diào)總能耗依次為6836.06 Wh、7634.937 Wh,空調(diào)總能耗增幅達到11.7%。另外,從圖8中可以看到,2009年11月15日—17 日這一時間段內(nèi)平均室外溫度約為-0.1℃,而2009年11月17日—19日這一時間段內(nèi)平均室外溫度為1.6℃,二者相差不到2℃,平均計算可以得到,室外溫度提高1℃,空調(diào)總能耗增加5%~6%。
3 結(jié)論
為保證IDC 機房對溫度、濕度和潔凈度的特殊要求,機房空調(diào)系統(tǒng)全年能耗很大,約占機房總能耗的40%。在IDC 機房的整體節(jié)能管理方案中,使用熱管換熱器利用自然冷源為IDC 機房散熱,能夠有效減少空調(diào)的工作時間,同時可以避免室內(nèi)外空氣接觸,滿足潔凈度的要求。以北京某實際IDC 機房為參考,按一定比例搭建試驗機房,分析IDC 機房中熱管換熱器和空調(diào)的散熱特性和能耗負(fù)荷,研究圍護結(jié)構(gòu)散熱特性,得到如下結(jié)論:
1)在北京地區(qū)冬季工況下,僅僅依靠圍護結(jié)構(gòu)的散熱,IDC 機房室內(nèi)溫度超過30℃,室內(nèi)外溫差高達30℃ 以上,無法滿足IDC 機房的散熱需求,必須額外添置制冷散熱設(shè)備。
2)機房圍護結(jié)構(gòu)的散熱量隨氣溫波動而變化,約占IDC 機房總散熱量的19.5%;空調(diào)器逐時功率呈波狀起伏,平均每天耗能為3.5~4kWh。
3)IDC 機房使用熱管換熱器后,模擬研究全年節(jié)能約47%,試驗表明室內(nèi)溫度不超過22℃,室內(nèi)外溫差不超過20℃,無需開啟空調(diào)器,能耗僅為空調(diào)能耗的41%,通過技術(shù)改進可以控制在1/3 左右,則全年將節(jié)能40%,既能夠滿足散熱需求,又能夠有效降低空調(diào)能耗。
4)與室內(nèi)設(shè)定溫度相比,室外氣溫對空調(diào)能耗的影響較大;室內(nèi)設(shè)定溫度相同,室外溫度提高2℃,空調(diào)總能耗增加約11.7%,平均每提高1℃,空調(diào)總能耗增加5%~6%。
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本文標(biāo)題:IDC機房用熱管換熱器節(jié)能特性試驗研究
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