最近幾年,數據中心能耗問題已經變得越來越嚴重,有可能還會繼續惡化。據EPA 估算,2006年美國所有數據中心全年支付的總電費為45億美元,并預測,2011年這一數據將達到74億美元。
同時,服務器和交換機的規模越來越小,但其能耗卻大幅增加。1998年,機架服務器每個機架的功率在5000 W 左右,而到2006年則增至32000 W,根據ASHRAE 預測,到2014 年,每個機架的功率將增至42000 W。服務器數量和功率的急劇增加必然會導致冷卻和輔助設備的增加,從而使能耗形勢更加嚴峻。LawrenceBerkeley 國家實驗室調查顯示,一個典型的數據中心能耗比例為:1)IT 設備(服務器、交換機、路由器等)占44%;2)制冷設備(機房精密空調、風機)占38%;3)電源設備(UPS、SPM 等)占15%;4)照明占3%。從中不難看出制冷設備的耗電量僅次于IT 主設備的耗電量。
面對“能源危機”,現在所有數據中心都在采用新技術提高空調能效,對空調系統進行精確控溫和氣流組織,此外,超過10% 的數據中心采用了空氣冷卻或者水冷的節能裝置ASHRAEStandard90也要求美國一些地區數據中心采用自然冷卻節能裝置,尤其是那些氣候比較涼爽的西部和東北部地區。利用自然空氣冷卻的研究包括直接引入新風式節能系統和隔離式新風熱交換系統,隔離式新風熱交換系統主要有板式換熱器和熱管換熱器2種。直接引入新風式節能系統受地域影響較大,適宜氣候涼爽且空氣品質較高的地區。而板式換熱器受結構和傳熱形式的限制,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用雖有所提及,但對相關的圍護結構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,并對北京地區冬季工況下,熱管換熱器和空調各自的散熱特性和能耗負荷進行了試驗研究,對IDC 機房圍護結構的散熱進行了計算。
1 試驗系統與儀器
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。主要設備包括通信機柜、空調柜機、蓄電池組和配電箱等。試驗根據實際機房內的設備布置,搭建IDC 機房模型,機房模型內設備布置如圖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,通過風扇和風道將熱量散出。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,熱管元件采用標準規格的紫銅管,內部充灌一定量的液體工質封制而成,正三角錯排。與水平位置呈一定傾斜角度放置,室內外兩側風道分別安裝風機一臺,風機總名義功率為60 W。與目前應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具有環保、高效、無毒、安全的特點,管材的導熱系數為原有鋁材的2~3 倍,且密封良好,不會發生泄漏,經國家空調設備質量監督檢驗中心檢測,其溫度效率高于常規鋁- 氨熱管換熱器。空調器采用KFR 32GW/Y 型產品,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,通過風扇和風道將熱量散出。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,熱管元件采用標準規格的紫銅管,內部充灌一定量的液體工質封制而成,正三角錯排。與水平位置呈一定傾斜角度放置,室內外兩側風道分別安裝風機一臺,風機總名義功率為60 W。與目前應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具有環保、高效、無毒、安全的特點,管材的導熱系數為原有鋁材的2~3 倍,且密封良好,不會發生泄漏,經國家空調設備質量監督檢驗中心檢測,其溫度效率高于常規鋁- 氨熱管換熱器。空調器采用KFR 32GW/Y 型產品,其額定制冷量為3200 W,額定功率為1190 W。
圖1 IDC機房內設備布置圖
試驗對熱流量、溫度、電功率等參數進行了數據采集,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,其精度≤±5‰,分辨率為0.1 W/m2,數據采集時間間隔設定為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面的適當位置,并加以固定。電功率參數采用ANALYST3P 型電功率分析儀,其數據采集時間間隔設定為1min,電功率分析儀主要用來測量空調啟停時的逐時功率,從而得到一定時間內空調的總能耗。溫度參數采用DX23012型溫度巡檢儀,其數據采集時間間隔為2s,溫度測點共6個,分別用于測量IDC 機房室內溫度、室外溫度以及熱管換熱器進出口氣流溫度。
2 結果分析與討論
2.1 基礎室溫
在IDC 機房中不采用空調、換熱器等任何其他散熱設備,僅僅依靠墻體圍護結構散熱,在這樣的條件下形成的室內溫度,稱之為IDC 機房的基礎室溫,為了對IDC 機房的基礎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這一時間段內對IDC機房的基礎室溫和室外溫度進行了測量,其24h內的溫度變化如圖2所示。
圖2 IDC機房基礎室溫變化圖
從圖2中可以看出,24h內,IDC 機房在沒有其他任何散熱設備的情況下,僅依靠圍護結構對外散熱,其室內溫度與室外溫度的變化趨勢基本一致,室內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,僅依靠圍護結構的散熱,IDC 機房的室內溫度依然超過了30℃,平均為32.7℃,最高溫度達到37.8℃,而室內外溫差高達30℃ 以上。由此可見,僅僅依靠圍護結構的散熱,即使在冬季寒冷工況下,依然無法滿足IDC 機房內的散熱需求。
2.2 圍護結構散熱
在IDC 機房中,開啟空調器進行散熱,空調器設定溫度為25℃,在2009年11月15日20:512009年11月17日20:51連續的48h時間內對其散熱特性和能耗進行試驗研究。試驗過程中IDC 機房室內外溫度變化以及圍護結構散熱量的變化趨勢如圖3所示。
圖3 IDC機房室內外溫度和圍護結構散熱量
從圖3中可以看出,室內溫度基本維持在25℃不變,室外溫度隨天氣變化而變化,圍護結構的散熱量在0.18~0.25kW 范圍內,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 機房空調器能耗的逐時變化趨勢。從圖4 中可以看出,48h 內空調能耗功率呈波狀起伏,原因在于隨著室內溫度的波動,要維持恒定溫度,空調器不斷啟停,使得其電流值也在零上不斷波動,從而造成空調功率隨時間變化出現波狀起伏。通過對空調器逐時能耗功率的統計計算,得到48 h 內空調器的總能耗為7074.72 Wh,平均每天耗能約為3.5kWh。
圖4 空調逐時功率
2.3 利用自然冷源散熱
對于IDC 機房,因為設備不間斷運行,需要制冷的時間較長,有些地區甚至全年需要制冷,所以空調負荷能耗巨大。在全年的過渡季節和冬季寒冷的時間,利用空氣中的自然冷源進行降溫,可減少空調的運行時間,達到節能降耗的目的。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門時造成的冷量滲漏,設定室內溫度控制在18~25℃,濕度保持在40%~70%,對北京地區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定為3℃,可以得到北京地區全年可節能約47%,節能效果非常明顯。
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 機房的室內外溫度以及室內外溫差如圖5所示。
圖5 利用自然冷源時IDC機房的室內外溫度及溫差
從圖5中可以看出,隨著室外溫度的變化,室內溫度也會發生相應的變化,這是因為室外溫度的變化會影響圍護結構散熱的多少,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溫度隨室外溫度的變化而相應變化。結果表明,在圖5 中的47h 內,室外溫度在-5.8~3.8℃范圍內波動,而安裝了熱管換熱器后的IDC 機房室內溫度最高不超過22℃,在12.8~21.9℃范圍內變化,室內外溫差不超過20℃,維持在15.1~19.1℃范圍內,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。
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,因此其48h的總能耗約為2880Wh,而48h內空調器的總能耗,如前節2.2所述,約為7000 Wh。比較發現,熱管換熱器的能耗約為空調器能耗的41%,可以節省約59%的空調能耗,也遠小于其自身的實際散熱量。如果選擇低能耗的風機,同等風量下,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,對于空調器而言,由于安裝了自動控制系統,因此空調器可以根據室內溫度間歇工作,而試驗用熱管換熱器沒有安裝自動控制系統,因此無法根據室內溫度高低自動啟停,在試驗過程中,一直處于開啟狀態。如果熱管換熱器安裝了自動控制系統,可以根據室內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,使得IDC 機房的室內溫度可以達到12.8℃ 的較低溫度,遠低于IDC 機房室內溫度要求的上限值,因此如果將熱管換熱器停止運行的溫度設定為高于12.8℃,設定為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,可以節省2/3的空調能耗。而只要室外溫度低于室內溫度,且室內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DeST 軟件氣象資料統計,北京地區全年氣溫低于25℃且滿足室內外溫差大于3℃的小時數約為5244h,約占全年時間的60%。如果在這段時間內熱管換熱器正常工作,可以滿足散熱需求,同時經過改進,熱管換熱器的能耗為空調能耗的1/3,那么,全年總能耗將為原來能耗的60%,全年節能達到40%。
2.4 空調室內設定溫度
面對IDC 機房較高的能耗,將空調的設定溫度提高,在同等其他條件下,理論上可以降低空調的能耗,ASHARE 也因此推薦將入口空氣溫度標準提高到80°F(約27℃)。通過對北京地區的模擬分析,可以得到設定溫度提高1℃,空調能耗降低2% ~3%。因此,針對26℃和27℃不同的設定溫度,對空調的散熱特性和能耗進行了試驗,具體試驗時間和空調能耗如表1所示。
表1 空調設定溫度、測試時間和總能耗
試驗對上述2個不同的空調設定溫度進行了研究,試驗過程中各自的室內外溫度如圖6 所示。從圖中可以看出,室內溫度與空調設定溫度一致,基本恒定,而室外溫度由于受天氣影響出現不同程度的波動。同時由于氣象變化,2 個試驗時間段內的室外溫度不盡相同,前一時間段內室外溫度在0℃上下波動,而后一時間段內室外溫度均在0℃以上波動。
圖6IDC機房中室內外溫度
不同的設定溫度,同等條件下,空調器的能耗也不同。圖7給出了26℃和27℃不同設定溫度下,空調器的逐時功率變化規律。可以看出,隨著空調器的啟停,其功率呈逐時波狀變化。對不同設定溫度下,空調器的逐時功率進行統計計算,可以得到各自46h內的總能耗,具體數值見表1。
圖7 空調逐時功率
從表1 中可以看出,46h 內空調的總能耗在8000~9000 Wh 范圍內,平均1d 能耗約為4~5kWh。同時,隨著空調設定溫度的提高,46h內空調的總能耗出現了小幅度的增長,從26℃ 到27℃,設定溫度提高1℃,空調總能耗增加了1.83%。原因在于,不同設定溫度下的天氣條件不同,雖然試驗為持續測試,但室外氣溫并非同等條件,室外溫度越高,通過IDC 機房圍護結構的散熱量越少,在總散熱負荷一定的情況下,空調的散熱負荷越大,而此時雖然提高了空調的設定溫度,一定程度上降低了空調的負荷,但對空調而言,其所承擔的總體散熱負荷仍然是增大的,因此帶來了空調總能耗的小幅增長。從中也可以看出,室外溫度對空調能耗的影響大于室內設定溫度對空調能耗的影響。
2.5 室外溫度與空調能耗
通過上述分析,可以看出室外氣溫的變化對空調能耗負荷的影響超過了空調設定溫度對于空調能耗負荷的影響,而室外氣溫對空調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個連續時間段內46h 內的室外溫度變化,空調的設定溫度均為25℃。
圖8 不同設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,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IDC 機房圍護結構的散熱量高于2009年11月17日—19日這一時間段,從而造成前者的空調能耗低于后者的空調能耗。通過對上述2個時間段內空調器逐時能耗統計計算,可以得到二者的空調總能耗依次為6836.06 Wh、7634.937 Wh,空調總能耗增幅達到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℃,空調總能耗增加5%~6%。
3 結論
為保證IDC 機房對溫度、濕度和潔凈度的特殊要求,機房空調系統全年能耗很大,約占機房總能耗的40%。在IDC 機房的整體節能管理方案中,使用熱管換熱器利用自然冷源為IDC 機房散熱,能夠有效減少空調的工作時間,同時可以避免室內外空氣接觸,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的散熱特性和能耗負荷,研究圍護結構散熱特性,得到如下結論:
1)在北京地區冬季工況下,僅僅依靠圍護結構的散熱,IDC 機房室內溫度超過30℃,室內外溫差高達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備。
2)機房圍護結構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,模擬研究全年節能約47%,試驗表明室內溫度不超過22℃,室內外溫差不超過20℃,無需開啟空調器,能耗僅為空調能耗的41%,通過技術改進可以控制在1/3 左右,則全年將節能40%,既能夠滿足散熱需求,又能夠有效降低空調能耗。
4)與室內設定溫度相比,室外氣溫對空調能耗的影響較大;室內設定溫度相同,室外溫度提高2℃,空調總能耗增加約11.7%,平均每提高1℃,空調總能耗增加5%~6%。
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本文標題:IDC機房用熱管換熱器節能特性試驗研究
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