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摘要

隨著數據中心的高速發展,機房創新節能也被提升到相當重要的位置,而其中的機房空調節能更是扮演著舉足輕重的角色,高能效的機房空調也就愈來愈受到數據中心客戶的歡迎。目前,行業內也陸續出現了能效比在3.0以上的風冷機房空調機組和能效比在25以上的冷凍水型機房空調機組,經過研究和對比,不難發現高能效機房空調機組的一個共性特征“模塊化設計”??照{也可模塊化嗎?模塊化真的高能效嗎?艾特大咖為我們從系統和結構上深入研究了模塊化機房空調的能效表現。

 

關鍵詞:模塊化機房空調;EER;機內空氣阻力;制冷劑分配;逆卡諾循環;CFD,壓焓(P-h)圖

 大家可能會問什么是“模塊化機房空調”?和傳統機房的空調的主要區別?如附圖1所示模塊化機房空調分為電控&器件模塊、制冷模塊,各制冷模塊的結構和功能相同且相互獨立。而傳統的機房的空調結構形式大體可以分為兩種:1、制冷系統1蒸發器和系統2蒸發器分別左右一個“V/A”放置,見附圖2;2、“/”型盤管結構,特點是盤管為從左到右為一整片,而制冷系統1和系統2的布置又分為系統1/2上下布置及系統1/2里外疊放,見附圖3。

               

 

 

 首先介紹下能效比EER的概念,能效比等于總制冷量/總輸入功率,總輸入功率包含壓縮機功率,室內機風機功率,室外機風機功率;那么提高EER可以分兩個方向,提高制冷量和降低輸入功率。由于模塊化設計主要是機房空調室內機的模塊化,所以本文只分析模塊化機房室內機空調的節能,我們假定壓縮機不變和室外冷凝溫度不變(假定冷凝溫度為48攝氏度)。那么按照這兩個方向分析:

a. 由于壓縮機不變,從逆卡諾循環看,提高蒸發溫度可以提高單位質量流量制冷量,同時提高蒸發溫度會減小壓縮機吸入口的比容,可以提高系統的制冷劑質量流量,二者疊加會有效的提高制冷量。但蒸發器溫度的提高對壓縮機的輸入功率影響很小。所以提高蒸發溫度提高制冷量的最有效手段。

 b. 減少總輸入功率主要是壓縮機功率和室內風機功率,由于壓縮機的輸入功率的最主要影響因素是冷凝溫度,基于我們假定恒定冷凝溫度,我們目標可以鎖定在室內機的功率。

 

 綜上所述:理論上提高EER,針對室內機需要集中力量解決的是提高蒸發溫度和降低室內機風機功率。提高蒸發溫度需要增加蒸發器的換熱:1.提高蒸發器面積(與占地面積矛盾);2.在維持風機功率不變或減少的基礎上提高風量;3.提高蒸發器空氣側氣流分配均勻性;4.提高蒸發器制冷劑分配均勻性。而要在維持風量不變或者提高的基礎上降低室內風機功率:1.建立室內空調空氣側機內阻力(機內阻力包含過濾網阻力,盤管阻力,機內流道阻力);2.提高風機效率。

 

 結合以上的理論分析,機房空調室內機模塊化設計的節能優勢就體現出來了。從附圖1可以看到:

1. 由于電控&制冷器件獨立模塊,單位占地面積蒸發器面積比“V/A”型可以提高5~10%,比 “/”型可以提高10~15%左右。同時基本所有器件被安置在獨立模塊中,會導致整個機組的流道阻力會降低100Pa以上,也減少氣流不均勻性的影響。

 2. 模塊化上下送風空調的過濾網是貼合蒸發器放置,與傳統的空調上送風過濾網門置和下送風頂置有著很大的區別,過濾網面積是傳統的機房空調的2 ~2.5倍。大家都知道過濾網的空氣阻力與迎面風速平方成正比,所以模塊化空調的過濾網空氣側阻力可以從200~300Pa減少至60Pa左右(基于蒸發器的迎面風俗在2.2m/s)。由于過濾網貼合蒸發器放置,相當于使空氣在進入蒸發器前天然增加一個均流器,進一步提高蒸發器的空氣側分配均勻性。

 3. 模塊化的空調的蒸發器為前后“W/M”放置,每個制冷模塊中包含一組“V/A”蒸發器,風機居中放置,“V/A”蒸發器中的兩片換熱器的空氣側完全對稱,空氣側的風速分布完全均勻。再看附圖2中,“V/A”型結構天然會導致前后兩個系統的換熱器空氣分配不均,系統1和系統2的運行參數會不同。再看附圖3“/”型的由于盤管會比較長,相對風機的最遠端和最近端的差距太大,導致整個蒸發器的空氣側分配的不均勻性。模塊化結構盤管的空氣側CFD分析附圖5,兩側盤管風速及均勻性良好。

                   
 4. 由于模塊化結構天然空氣側分配均勻性以及過濾網的均流效果,加上分配毛細管的優化,各制冷模塊的蒸發器各回路回氣溫度的差異在±2℃,這意味著制冷劑分配非常均勻。制冷劑側分配可以進一步提高蒸發器溫度以及系統穩定性,同時可以進一步提高空調的顯熱比。

5. 模塊化機房空調的較小空氣側阻力的特點,可以優化風機的工作點,在相同風量情況,大大的降低風機輸出功率。以100kW空調為例,傳統的機房空調風機輸入功率為6.6kW左右,模塊化機房空調的風機輸入功率為5.0kW左右。

6. 模塊化機房空調的大蒸發器以及高制冷劑分配均勻性的特點,制冷系統的蒸發器溫度在8.5~9.5℃,與傳統機房空調的6.0~7.0℃相比是一個較大的跨越。

 綜上所述,采用先進的模塊化結構設計理念,增加單位占地面積蒸發器面積,增加過濾網過濾面積,降低了機組空氣阻力,提高制冷劑側分配均勻性,提高了蒸發溫度,從而提高制冷量,降低了風機功率,提高了空調的能效比EER。目前經過專業CFD模擬以及實機驗證測試,普通風冷機房空調采用模塊化節能設計后能效比可高達3.2以上,冷凍水型機房空調采用模塊化節能設計后能效比可高達25以上。

  

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