在2030“碳达峰”及2060年的“碳中和”背景下，各行业纷纷出台各项标准与应用低碳技术以响应国家政策。而IDC (Information Data Center)机房其能耗呈井喷式增长，节能降耗迫在眉睫。针对该形式，日前省发改委出台了“数据中心及5G基站”低碳行动方案。热管自然冷却是降低这一能耗的有效方法之一。本文针对长沙地区某联通机房热管空调改造项目进行建模分析，并以实测值验证。结果表明，该系统的节能率约为38%。这是一项值得在全国范围推广的技术。 Under the background of “carbon peak” in 2030 and “carbon neutralization” in 2060, the form of energy conservation in various industries is severe. The energy consumption of IDC (Information Data Center) room is increasing in a blowout mode, so it is urgent to save energy and reduce consumption. In view of this form, the provincial development and Reform Commission recently issued a low-carbon action plan of “data center and 5G base station”. Natural cooling of a heat pipe is one of the effective methods to reduce this energy consumption. This paper analyzes the modeling of a heat pipe air conditioning transformation project in a Unicom room in Changsha, and verifies it with the measured values. The results show that the energy saving rate of the system is about 38%. It is a technology worthy of nationwide promotion.
在2030“碳达峰”及2060年的“碳中和”背景下，各行业纷纷出台各项标准与应用低碳技术以响应国家政策。而IDC (Information Data Center)机房其能耗呈井喷式增长，节能降耗迫在眉睫。针对该形式，日前省发改委出台了“数据中心及5G基站”低碳行动方案。热管自然冷却是降低这一能耗的有效方法之一。本文针对长沙地区某联通机房热管空调改造项目进行建模分析，并以实测值验证。结果表明，该系统的节能率约为38%。这是一项值得在全国范围推广的技术。
碳达峰，碳中和，联通机房，热管空调，节能率
Rong Qi1, Feihu Chen2,3, Zhixin Yang3, Li Xing3, Shuguang Liao3
1Hunan Commodity Quality Inspection and Research Institute, Changsha Hunan
2School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha Hunan
3Changsha Mairong High-Tech Co., Ltd., Changsha Hunan
Received: Jun. 21st, 2022; accepted: Jul. 22nd, 2022; published: Aug. 12th, 2022
Under the background of “carbon peak” in 2030 and “carbon neutralization” in 2060, the form of energy conservation in various industries is severe. The energy consumption of IDC (Information Data Center) room is increasing in a blowout mode, so it is urgent to save energy and reduce consumption. In view of this form, the provincial development and Reform Commission recently issued a low-carbon action plan of “data center and 5G base station”. Natural cooling of a heat pipe is one of the effective methods to reduce this energy consumption. This paper analyzes the modeling of a heat pipe air conditioning transformation project in a Unicom room in Changsha, and verifies it with the measured values. The results show that the energy saving rate of the system is about 38%. It is a technology worthy of nationwide promotion.
Keywords:Carbon Peak, Carbon Neutralization, Unicom Machine Room, Heat Pipe Air Conditioning, Energy Saving Rate
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近年中国数据中心的能耗从占全社会用电量的1%，上升到1.5%，然后是2.35% [
仿真建模与实验工作工作量大，周期长。特别是对联通机房的改造案例较少。本文以热力系统仿真实验室CYCLEPAD为平台，通过软件自带的模块搭建系统仿真模型，软件可以进行计算和实现参数敏感性分析。将对长沙某联通机房空调进行建模。该机房位于湖南省长沙市天心区友谊路380号公司办公楼2~5楼内，现有综合机房、移动机房、传输机房、交换机房等共计7个机房。将计算系统热管改造的能效与火用效率，并与传统机房精密空调进行对比。
A) 原系统
友谊路局房目前在网的23台功率10 kW及上的空调，运行时间多在4年以上，能效下降，只能勉强满足机房制冷需求。
B) 热管改造方案
本项目拟采用带自然冷却制冷系统 + 热管空调末端的方案，对机房原空调系统进行降噪、节能改造，改造空调系统包含整个系统由冷源设备、冷量分配单元(CDU, Cooling Deliver Unit)，即水氟换热器和热管空调末端。冷源设备采用双冷源配置：在冬季及过渡季节，当室外湿球温度低于6℃时，系统开启自然冷源运行模式，此时依靠冷却塔制取的12℃的冷却水通过板式换热器冷却冷冻水回水，直接提供14℃的冷冻水，如图1所示；当室外湿球温度不满足自然冷源利用条件时，系统开启机械制冷运行模式，水冷机组启动。热管系统改造明细如表1所示。
图1. 某联通机房吊顶热管系统图
| 序号 | 名称 | 型号 | 数量 |
|---|---|---|---|
| 1 | 一体化冷冻站 | 600 kW | 2台 |
| 2 | 吊顶热管 | 20 kW | 61台 |
| 3 | 冷量分配单元(CDU) | 80 kW | 19台 |
表1. 热管系统改造设备明细表
夏季室外干球温度为35.4℃，设计空调室内温度为24℃，湿度50%。
当室内外温差小于6℃时，制冷主机开启，通过供应的冷水与热管工质在CDU中进行换热，带走机房散发的热量，并通过冷凝器将热量排放到室外环境中。如图1。
一体化冷站 + CDU + 吊顶热管末端模式包括三个子循环。第一个循环是工质相变循环：液态在吊顶热管吸收热量变成气态，进入CDU经冷水冷却后变成液态，重新进入吊顶热管，如图2。在这个循环中，液态制冷剂(R134a)在吊顶热管中吸收IT服务器的热量，变成气态，并进入CDU，被冷水冷却后变成液态，形成一个循环。
图2. 一体化冷站 + CDU + 吊顶热管的系统图
第二个循环是冷水循环：一体化冷站提供14℃的冷水，在CDU中吸收气态工质的热量，温度上升到19℃。如图2。
第三个循环是室内空气的循环：IT服务器散发的热量进入空气，空气温度升高(S5)，在吊顶热管末端释放热量，温度降低，然后回到机房。回风(约37℃)被吊顶热管(HX2)中冷却后，温度降到21℃左右，并送入机房。如图2所示。
其中，可以计算得出，一体化冷站的供水流量为57.36 kg/s，热管工质的流量为6.55 kg/s，风机的风量为74.74 kg/s。制冷剂管道的压力为556.1 kPa。
根据长沙地区的气象温度分布表可以得出热管系统的应用时间，如表2所示。
| 温度T区间 | ≥30℃ | ≥20℃, <30℃ | ≥10℃, <20℃ | ≥0℃, <10℃ | <0℃ |
|---|---|---|---|---|---|
| 温度分布系数 | 11.5% | 33.3% | 27.1% | 26.2% | 1.9% |
表2. IDC机房平均室外气象温度( t ¯ a )分布表
由上述数据可知，该地区全年约有49.3%的时间可使用热管空调。其中，完全自然冷却的时间约为120天。部分冷却的时间约为60天。
耗电量由三部分组成：
1) 自然冷却模式
水冷系统完全自由冷却时，主机停机，系统能耗共96.6 kW。
96.6 × 24 × 120 = 27.8 万 kW ⋅ h
2) 机械制冷模式
296.6 × 24 × ( 365 − 120 − 60 ) = 131.7 万 kW ⋅ h
3) 混合制冷模式
耗电约为压缩机耗电与风机耗电之和。
重力热管型空调的混合工况运行的条件为：室外干球温度：34℃~24℃。以长沙地区为计算示例，长沙地区室外干球温度25℃~35℃的时间约为60天，小时数为1440小时。根据长沙地区的室外气象参数表，将长沙地区室外干球温度34℃~24℃的区间以泰勒级数表示。
∑ n = 0 ∞ f ( n ) ( x 0 ) n ! ( x − x 0 ) n = f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x ′ − x 0 ) + ⋅ ⋅ ⋅ + f ″ ( x 0 ) n ! ( x − x 0 ) n + ⋅ ⋅ ⋅ (1)
其中，x为室外干球温度，℃。
热管的节能率为热管自然冷却的比例除以混合工况运行的时间周期。
热 管 的 节 能 率 = ∫ 0 τ ( 34 − T ˙ ) d t τ (2)
其中， τ 为混合工况运行的时间周期；34为混合工况运行的边界最高值，℃； T ˙ 为混合工况运行的逐时室外干球温度，℃；t为运行时间，s。
公式1和2构成了热管节能率的连续计算模型。
将气象参数作为输入参数，计算得出部分冷却时耗电为压缩机全开时耗电的30%左右。
1440 h × 296.6 × 30 % = 12.8 万 kW ⋅ h
总 电 耗 = 27.8 万 + 131.7 万 + 12.8 万 = 172.3 万 ( kW ⋅ h )
机组每年的耗电量： 354.6 × 24 × 365 = 310.59 万 ( kW ⋅ h )
节能率： ( 310.59 − 172.3 ) / 310.59 = 44.5 %
为了验证所建模型的误差，对改造后的模式进行了节能率对比，如表3所示。
| 序号 | 模式 | 72小时用电量 | 节能率 |
|---|---|---|---|
| 1 | 节能模式 | 1684.79 kW∙h | 38% |
| 2 | 传统模式 | 2675.72 |
表3. 测试数据对比(测试时间：2021年7月)
计算模型与测试误差按下式计算：
σ = 计 算 值 − 测 试 值 测 试 值 × 100 % (3)
代入数据：
σ = 44.5 − 38 44.5 × 100 % = 14.6 %
本计算模型达到工程要求的精度。
1) 为降低数据中心内空调系统的能耗，本文提出重力热管型空调，通过和传统空调的对比分析该空调系统的节能效果。以长沙地区的气候为例，混合制冷模式的节能率约为30%。在长沙某联通机房数据中心内的实际运行效果表明，重力热管型双循环空调可传统机组节能约38%。
该计算模型可以为决策者选择方案时提供依据。
2) 对于小型机房如边缘计算机房、中小型数据中心，单机架功耗不超过15kW时，采用吊顶形式重力热管型双循环空调，封闭热通道，最大限度地提高空调回风温度，能够大大降低数据中心内的PUE值。此外，对比数据中心常规方案，重力热管型空调在部署上具有一定的柔性，颗粒度小、能够灵活调整、可以节约占地面积、安全可靠性高。
3) 该计算模型中应采用逐时的室外气温作为输入值，然后采用节能率的积分模型能反应系统的实际运行情况。提出了热管节能率的连续计算模型，该方法可以为该类热力学系统计算做参考。
4) 由计算模型与测试验证结果表明，该系统节能率高，是值得在全国范围内广泛推广的技术。
齐 蓉,陈飞虎,杨志新,邢 利,廖曙光. 长沙地区某联通机房热管空调改造的节能分析Energy Saving Analysis of Heat Pipe Air Conditioning Transformation in a Unicom Machine Room in Changsha[J]. 电力与能源进展, 2022, 10(04): 91-97. https://doi.org/10.12677/AEPE.2022.104012