（2022 年江苏省通信学会“华苏杯”论文征集评优三等奖）数据中心氟泵空调系统基于经验模型的能耗模拟与节能研究

崔凌闯

中国电信股份有限公司淮安分公司

0 引言

数据中心是我国实现经济转型升级的重要基础设施，是国家重要的战略资源。随着数据中心的不断发展，其巨大的能源消耗及其对环境的影响日益受到关注。据相关数据统计，数据中心的能耗占比中，IT 设备负荷约占数据中心总能耗的60%。除IT 设备外，空调系统是数据中心最大的能耗单位，因此空调系统的优化成为数据中心节能降耗的重要措施之一。

由于全国数据中心数量规模庞大，同时数据中心的运行管理费用也是一笔巨大的开支，降低数据中心的能耗具有重大意义。而空调系统方面的节能不仅仅是采用节能技术，还要通过对系统的合理调试及积极的运维管理进而实现整个系统的最佳节能效果。目前虽然针对数据机房空调节能方面做了很多研究，但是对于氟泵空调系统并没有给出合适的能耗计算方法，采用合适的系统能耗计算方法可以更加直观地展现节能效果。本文针对数据中心氟泵空调系统的能耗情况进行模拟与研究，分析数据中心氟泵空调系统能耗并对其做出优化，从而可以进一步减少整个数据中心的耗电量，促进数据中心的绿色发展。

1 氟泵空调系统原理及现场实测

1.1 氟泵空调系统介绍

氟泵空调系统原理如图1所示，该空调系统主要由压缩机、冷凝器、氟泵、膨胀阀、蒸发器、室内外风机、制冷剂管道以及辅助部件构成。相比于常用的机房空调，氟泵空调系统在四大主要部件的基础上增加了一个制冷剂泵，为系统的压力提供保障，辅助部件主要包括铜管保温棉、单向阀、止回阀、液阀、视液镜、干燥过滤器和压力传感器。从图1 可知，氟泵与压缩机在单向阀的配合下，可以在不同的工况条件下转换系统的运行模式。为了配合不同的室外气象条件，该氟泵直膨式空调系统共三种运行模式，分别是压缩机模式、氟泵模式和压缩机-氟泵混合模式。

图1 氟泵空调原理

1.2 氟泵空调系统现场实测

本研究针对江苏电信某数据中心的氟泵空调系统进行模型的建立，并利用模型进行空调系统的能耗分析及运行策略优化研究。模型的建立与验证都依赖于该数据中心的实际运行数据。为此，在不同的室外温度条件下，对该数据中心氟泵空调系统进行了实地测试。

本研究实测选择一台额定制冷量70kW 的精密空调作为测试目标，相关参数如表1 所示，本研究将针对单台压缩机或单台氟泵进行。该空调机组具有直膨式蒸汽压缩制冷系统、氟泵驱动循环式制冷系统和氟泵/直膨式混合运行制冷系统三种模式。使用制冷剂为R22，采用风冷式冷凝器作为室外机，直膨风冷式蒸发器作为室内机，氟泵在系统中承担克服制冷工质循环阻力，提供压差带动系统运行。氟泵变频设置，随着模式的调节而改变自身扬程，每台机组均设有两台定频压缩机、两个同等型号的蒸发器和冷凝器、两台EC 离心送风机、四台冷凝轴流风机，所测试的机房精密空调以及氟泵的详细参数如表1 所示。

表1 测试机组详细参数

本次数据中心实测需要测试的数据为温度、制冷量、耗电量等。本次测试地点位于江苏电信某个数据中心，其机房平面尺寸为15m×22m，高3.2m，机房布置如图2 所示，机房内部共有135 个机柜，占据了机房内较大部分的电能消耗。数据中心机房用电设施除了用电负载外，最主要的用电设施就是空调系统，机房内共有5 台精密空调，本次研究的精密空调在传统机房空调的基础上增加了氟泵系统，进而为数据中心机房进行恒温恒湿处理。

图2 测试的数据中心机房分布图

在空调稳定运行后，空调回风温度近似等于数据中心机房环境温度，三种模式下设定机房环境平均温度为24.8℃，测试过程中氟泵模式可以满足机房的温度控制需求。对于不同的室外环境温度，分别对数据中心氟泵空调系统进行了三种不同运行模式（压缩机运行、氟泵运行、压缩机-氟泵混合运行）的测试。分别得到氟泵空调机组随室外环境温度的变化，三种不同模式下室内机的送风温度变化情况，以及不同运行模式下制冷量等变化情况，具体的测试结果见图3、图4。

图3 室内机送风温度随室外温度变化

图4 三种模式机组制冷量随室外温度变化

2 氟泵空调系统模型的建立与验证

2.1 氟泵空调系统模型建立

结合实测数据，本研究利用经验公式与软件相结合的方法对空气与制冷剂进行参数化处理，同时采用集总参数法对氟泵空调系统建立了制冷系统各个部件的数学模型，利用MATLAB 的编辑运算能力与接口的可协同能力，在MATLAB中输入系统各个部件模型代码，并通过Refprop 软件查询制冷剂物性参数，两者同步耦合进行系统的模拟仿真。在对制冷系统的模型进行求解的过程中，每个部件子模型的输入参数都来自上一个部件模型的输出参数或根据实际测试得到的已知参数。

下面以压缩机、冷凝器、氟泵模型建立为例，分析得到制冷系统主要部件的模型。

（1）压缩机模型

由于系统所使用的是定频压缩机，所以压缩机运行工况下系统的体积流量不发生变化，模型的求解通过质量守恒、蒸发器和冷凝器的制冷剂侧与空气侧热量平衡来计算。制冷系统蒸发温度、冷凝温度和蒸发压力、冷凝压力的之间温度与压力的函数关系如下所示：

式中，Pc：临界压力，Pa，对于R22，Pc=49.8×105Pa；Tr：对比温度，T/Tc；T：实际温度，℃；Tc：临界温度，K；对于R22，Tc=369.25K；Ri：准则数，对于R22，Ri=6.7964；Pα：准则数，对于R22，Pα=-0.1644。

模型中忽略了管道阻力对于温度产生的影响，并认为系统保温良好，从而假设吸气压力等于蒸发压力，蒸发器出口温度视为吸气温度，冷凝压力视为排气压力。压缩机的吸排气温度的计算公式如下：

式中，Te：蒸发温度，℃；Ts：吸气温度，℃；Pe：蒸发压力；n：压缩过程多变指数，此处n=1.21。

通过式（4）和式（5）来计算压缩机出口的制冷剂状态，得到进入冷凝器的压缩机排气温度。制冷剂的物性参数由Refprop 直接调用，调用方程分别为：

式中，mr：系统质量流量，kg/s。

（2）冷凝器模型

式中，Q：空气侧或制冷剂侧换热量，kW；m：空气侧或制冷剂侧质量流量，kg/s；Δh：空气侧或制冷剂侧进出口焓差，kJ/kg；α：空气侧或制冷剂侧换热系数，W/(m2·K)；A：空气侧或制冷剂侧传热面积，m2；Δt：空气侧或制冷剂侧流体平均温度与壁面温度之差，℃。

（3）氟泵模型

式中，Po：氟泵出口压力，kPa；Pi：氟泵入口压力，kPa；Δp：氟泵扬程，kPa；Wfb：氟泵耗功，W。

本次模型求解时将系统从上述单个部件模型断开，输入参数后进行每个部件参数的计算。以系统质量流量为独立变量，从冷凝器环节断开开始计算，通过双重迭代确定其最终值。系统的整体算法依据是：氟泵空调系统在机房内24 小时全天开启，全年稳态运行。模式固定时系统的质量流量相对稳定，通过流动焓差与换热温差换热量相等，经过双重迭代，冷凝器空气侧的出口温度计算值和假设值相等、壁面温度的计算值和假设值相等，同理蒸发器空气侧的出口温度计算值和假设值相等、壁面温度的计算值和假设值相等，进而完成整个制冷系统的计算。系统模型仿真流程图如图5 所示。

图5 系统模型仿真流程图

2.2 氟泵空调系统模型验证

在模型中输入不同的室外温度、室内外风机风速以及冷凝温度和蒸发温度，模拟各室外温度点下的系统运行情况，为了验证模型的准确性，根据不同室外温度，分别对比氟泵空调系统压缩机模式、氟泵模式下的室内风机送风温度，得到如图6、图7 的相关运行数据。

图6 压缩机模式室内机送风温度对比

图7 氟泵模式室内机送风温度对比

从上述实测和模拟结果的对比可以看出，通过模型计算所得各模式下的运行参数与实测值的平均误差较小，均在可接受范围内，模拟效果较好，从而证明了所建立的MATLAB氟泵空调系统能耗模型的准确性和可靠性，可用于后续的氟泵空调系统能耗模拟分析。

3 氟泵空调系统的能耗模拟分析与优化

氟泵空调系统当前在机房实际运行模式为：当室外温度低于10℃时为氟泵运行模式，当室外温度为10℃～20℃时为混合运行模式，当室外温度超过20℃时为压缩机运行模式。本研究的模拟条件来自现场实测，在室内温度恒定为24.8℃的情况下，通过实际测试不同室外温度下不同模式的蒸发压力与冷凝压力。

图8 给出了根据江苏全年气候情况对机房空调运行室内机送回风温度的模拟结果。其中，室内机的回风温度不随室外温度的变化而改变，全年稳定在24.8℃，江苏地区全年最低平均温度为-4.5℃，最高平均气温为36.8℃。为了便于计算，所模拟结果室外温度选取范围为-5.0℃至37.0℃的变化情况。

图8 江苏机房空调系统全年运行三种模式室内机送回风温度

从模拟结果可以看出，氟泵模式的送风温度变化相较于压缩机模式与混合模式更加明显，当室外温度在5℃到10℃时，启动混合模式运行比氟泵模式运行更节能，混合模式室内机送风温度更低。

江苏地区全年运行条件下三种模式运行总功率及系统EER 的模拟结果如图9 所示，混合模式及压缩机模式的功率均远远大于氟泵模式的功率。另一方面从图中可以看出氟泵模式的能效比远大于混合模式与压缩机模式下的系统能效，因此在满足冷量供给的条件下，尽量增加氟泵的使用可以起到良好的节能作用。

图9 江苏机房空调系统全年运行三种模式总功率和EER

上述对江苏地区既定运行策略下全年运行的三种模式进行能耗分析，根据不同运行模式下的室内机出风温度、功率和能效模拟结果可以看出，当前的运行策略并不是最优的运行策略，仍存在节能优化的空间。在满足目标冷量的前提下，可以改变各模式之间温度的切换界限，并通过不同运行模式的启停控制来提供数据中心所需总的制冷能耗，寻找数据机房空调系统最优运行策略。

4 结束语

本研究从降低数据中心空调系统能耗与运行成本的角度出发，通过对数据中心氟泵空调系统进行现场测试与建模模拟相结合的方法，建立了氟泵空调系统的系统模型，进而探究该空调系统在不同室外温度下的运行情况，并进行了全年能耗的模拟预测，在现有运行策略的基础上结合各模式的模拟结果进行优化分析。

经过对本研究所建立模型的综合模拟分析，目前数据中心氟泵实际运行模式不是最优的运行模式，存在巨大的节能优化空间，可以通过调整各模式之间温度的切换界限、不同运行模式的启停控制等可行性调节措施，提高氟泵空调系统的总体能效，实现数据中心机房节能运行。