云計算產業園區域供冷適應性分析

陳佳佳 鄭 潔 張少良

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云計算產業園區域供冷適應性分析

陳佳佳1鄭 潔1張少良2

（1.重慶大學 重慶 400000；2.中國建筑標準設計研究院 北京 100044）

以重慶市某云計算產業園區域供冷項目為例，分析區域供冷在云計算工業園區的適應性。應用模擬和理論計算，分析云計算產業園的全年動態負荷特性及二次管網冷量損失，結果表明：空調負荷全年處于高負荷狀態，負荷率穩定，有利于區域供冷的能效提升；二次管網冷量損失主要由水泵引起；在滿負荷二次管網冷量損失僅占輸送總冷量的2.04%。

區域供冷；數據機房；負荷分析；冷量損失；二次管網

0 引言

區域供冷系統由制冷站、區域輸配系統和末端用戶三部分組成。制冷站集中制造冷凍水，通過輸配系統向末端用戶輸送冷量，從而滿足某一特定區域內多個建筑物的冷負荷需求[1]，一般認為區域供冷項目具有的優點有集中冷源效率高，冷熱源易于集中優化控制和維護管理，易于降低污染排放量。在國內也有不少工程實例，但目前仍有一些人反對該技術在我國的應用，反對者認為部分項目存在容積率低，長時間處于低負荷率的情況，導致機組效率下降，管網規模大，以及大輸配管網所需的水泵功耗不但降低系統效率，而且水泵散熱還將導致管網內水溫升高，減少有效輸冷量[2,3]。因此，區域供冷低負荷率和室外二次管網損失大導致供冷成本增加的主要因素。區域供冷系統更適合于負荷相對穩定、常年需要供冷或者供熱的項目。而數據中心需要全年供冷，且冷負荷波動小[4]，符合區域供冷系統的功能特點。本文以重慶市某云計算產業園區域供冷項目為例，具體分析區域供冷建筑負荷的全年變化情況，以及室外二次管網的冷損失，分析區域供冷在云計算工業園區的適用情況。

1 工程概況

本區域供冷項目位于重慶市某云計算產業園，項目的供冷對象包含五家云計算企業，分別為企業A、B、C、D、E，五家云計算企業的數據機房均為A級數據中心。在云計算產業園的中心，設置“云計算中心集中制冷站”，承擔云計算企業數據機房的生產計算產業園的中心，設置“云計算中心集中制冷站”，承擔云計算企業數據機房的生產冷負荷。各企業內部均建設有動力樓以電制冷機組為冷源，作為云計算中心數據機房的備用冷源，并承擔企業的生活供冷。企業與制冷站相對位置如圖1所示。

圖1 云計算中心各企業位置分布

2 建筑負荷特性分析

目前各企業項目正處于建設階段，部分項目還處于規劃階段，企業內已建立的數據機房也處于初始運營階段，并未全部投入運行。因此，難以獲取各企業準確的負荷數據。本文借助DeST軟件對已建成的典型數據機房建立負荷模型，模擬機房全年逐時冷熱負荷，再對負荷計算結果進行歸納和統計，計算五家云計算企業數據中心機房的空調負荷。這樣可得出整個區域的設計負荷、全年累計冷熱負荷以及負荷變化規律等參數。

2.1 建筑模型建立

（1）建筑物理因素

建筑物理因素包括建筑朝向、建筑底面形狀、建筑層高及層數、建筑體形系數、窗墻比、建筑圍護結構。根據業主所提供的圖紙建立模型，并按照下表1中的外圍護結構參數在DeST軟件中進行設置。

表1 數據機房維護結構表

（2）內擾因素

建筑的內擾主要是人員、燈光以及設備等內擾。數據機房基本上無工作人員，只有在檢修和維護工作才有人員，人員內擾很小可忽略不計。數據機房全年連續運行，燈光也始終保持開啟，且燈光內擾為9W/m2。數據機房的主要內擾由計算機服務器產生，內擾的強度有服務器的臺數和功率決定，服務器功率的80%都轉換成熱量增加室內負荷，參照業主提供的數據機房資料，將設備內擾設置為1267W/m2。云計算中心數據機房全年8760小時連續工作，故在建筑全局設定中，將空調運行時間設置為全年連續運行。

（3）外擾因素

建筑的外擾因素主要是室外設計參數、室內設計參數與新風量。室外設計參數包括室外空氣的溫濕度以及太陽輻射強度，本文采用DeST軟件自帶的基于隨機模型形成的室外氣象參數作為室外設計條件。室內設計參數包括室內溫濕度，根據數據機房設計資料，取干球溫度25℃，相對濕度50%。新風量是保證室內空氣品質的重要因素，其取值應能維持正壓并滿足檢修人員的衛生要求，新風換氣次數設置為1次/h。

2.2 建筑負荷模擬

圖2 云計算產業園區逐時空調冷負荷

利用DeST軟件對數據機房典型建筑模型進行模擬得到數據機房空調逐時單位面積負荷特征，結合本項目云計算產業園區的數據中心規模，考慮到數據中心機房全年8760h連續運行，故在確定云計算中心集中制冷站冷源機組配置時，將五家云計算企業數據機房空調的同時使用系數取值為1，再對負荷計算結果進行歸納和統計，確定五家企業云計算中心數據機房的逐時空調冷負荷。云計算產業園區逐時冷負荷見圖2所示，空調負荷全年處于高負荷狀態，負荷率變化不大，常年穩定在79.8%—100%之間。經計算，云計算產業園區五家云計算中心數據機房一期生產用冷設計冷負荷為55000kW。

3 二次管網能耗損失分析

3.1 二次管網能耗損失計算模型

云計算中心集中制冷站生產的冷凍水經冷凍水管網輸送至五家云計算企業用戶，在各企業換熱站內的換熱器進行熱交換后輸回，為間接連接形式。冷凍水管網采用直埋敷設，二次管網冷量損失主要包括水泵引起的冷量損失和供回水管網的冷量損失。

（1）水泵引起冷量損失

冷凍水泵在運行期間散熱所引起的冷量損失，可采用利用冷凍水泵的實際運行功率計算冷量損失[5]，即冷凍水泵的逐時運行功率等于水泵冷量損失。計算公式如下：

式中，Δ為冷凍水泵引起的逐時冷損失，kW；W為單臺冷凍水泵的額定功率，kW；為冷凍水泵的實際運行臺數；L為單臺冷凍水的實際流量，m3/h；L為單臺冷凍水泵的額定流量，m3/h。

（2）直埋管道引起冷量損失

圖3 直埋管道冷量損失計算圖

直埋敷設中單根直埋管的傳熱熱阻是由工作鋼管的熱阻、保溫層熱阻、外套管與防腐層的熱阻以及土壤熱阻4部分組成，如圖3所示。其中外套管與防腐層的熱阻相對而言較小，一般約占總熱阻的5%以下，通?？珊雎圆挥媅6]。

直埋敷設方式冷損失計算公式如下[7]：

式中，為冷凍水管段保冷層的保溫系數，W/(m·K)；為土壤的導熱系數，可取2.5W/(m·K)；d為冷凍水管段保護層的外管徑，m；d為冷凍水管段鋼管的外管徑，m；R為管段保冷層熱阻，m·K/W；R為管段保護層外壁面與土壤的換熱熱阻，m·K/W；R為并聯敷設的管段由于相互傳熱所引起的附加熱阻，m·K/W；為冷凍水管段中心的覆土深度，m；為冷凍水供回水管道中心的間距，m。

式中，Δ為直埋敷設方式管道冷損失，W/m；t為室外環境溫度，℃；t為管道內介質溫度，℃；t為另一管道內介質溫度，℃。

3.2 計算參數

針對本案例工程，區域二次管網分為3個環路，各環路管徑、管長、保冷層厚度見表2。設計供/回水溫度為12/18℃，輸配系統采用變流量運行模式。其中，保冷層保溫系數為0.033W/(m·K)；土壤導熱系數取2.5W/(m·K)；覆土深度為2.5m；回水管道中心的間距為冷凍水供回水管道中心的間距，取2m；取30℃進行計算。

表2 各環路及管段參數設定

3.3 計算結果分析

依據各建筑逐時冷負荷及供回水溫差求得逐時輸配流量，管徑、管材、保溫材料性質及厚度和回填材料一經敷設好便確定，因此理論計算認為輸配冷損失量是室外地表面溫度及流量的函數。根據前文負荷分析負荷率在79.8%到100%之間，在根據各環路輸配的流量判定水泵開啟臺數及變頻功率，通過前文的冷量損失計算模型，計算在80%、90%、100%額定流量下案例項目二次管網冷損失量。計算結果如表3所示。

表3 不同流量下二次管網系統的冷量損失

從表3的冷量損失計算結果可知：

（1）二次管網在設計工況下的冷量損失總的來說很小，在100%額定流量下總冷量損失為1123.6kW，而二次管網輸送的最大冷負荷為55000kW，冷量損失僅占輸送冷量的2.04%。

（2）供水管與回水管上平均單位長度冷量損失分別為26.8kW，16.9kW，回水管比供水管總冷量損失低，這是由于供水管內冷水的溫度比回水管內的低，管內冷水與周圍環境的溫差大，從而導致供水管的冷量損失大。

（3）在80%額定流量下，管網的冷損失占二次管網總冷損失的10.8%，在90%額定流量下二次泵，管網的冷損失占二次管網總冷損失的7.6%；在100%額定流量下二次泵，管網的冷損失占二次管網總冷損失的5.5%，管網冷損失占總冷損失的比例逐漸減小，總冷損失逐漸增大。二次泵引起的冷損失占輸配系統損失的90%左右，因此，合理設計二次管網系統，降低二次泵功率，能有效降低二次管網的冷量損失。

4 結論

（1）區域供冷建筑負荷采用全年動態逐時計算方式，云計算產業園中數據機房空調全年不間斷運行，負荷率穩定，符合區域供冷的運行特點。

（2）在100%額定流量下二次管網冷量損失僅占輸送總冷量的2.04%，二次管網引起的冷量損失較小，有利于區域供冷的經濟性。

（3）二次管網輸配系統冷量損失主要由水泵引起，合理設計區域供冷輸配管網系統，不僅可以降低水泵功率，而且能有效降低輸配系統的冷量損失。

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District Cooling Adaptability Analysis of Cloud Computing Industrial Park

Chen Jiajia1Zheng Jie1Zhang Shaoliang2

( 1.Chongqin University, Chongqing, 400000; 2.China Institute of Building Standard Design & Research, Beijing, 100044 )

With an actul example District Cooling Adaptability Analysis of Cloud computing Industrial Park in Chongqing, Analyzing adaptability ofdistrict cooling. Application simulations and theoretical calculations of cloud computing load calculation and analysis of secondary pipe cooling loss of industrial parks, the results showed that: the air conditioning load throughout the year in the high load state, load rate remained stable, In favor of district cooling energy efficiency improvements; secondary pipe net cooling loss is mainly caused by the pump; at 100% of rated flow of the second pipe cooling loss is only 2.04% of the total transport volume of cold.

district cooling; date room; load analysis; cooling loss; Secondary pipe network

1671-6612（2016）06-664-04

TU995

A

陳佳佳（1992.05-），男，在讀碩士研究生，E-mail：chenjia115@qq.com

鄭 潔（1960-），女，教授，E-mail：zj187@cqu.edu.cn

2016-06-10