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机房用乙二醇换热器优化控制的研究

王润涛  
【摘要】:能源紧张日益严峻,节能减排已经成为全世界最为关注的热门课题之一。能源消耗总量中通信设备的耗能占有一定的份额,通信机房和通信基站内部设备散热量大,需要全年无间歇的制冷以控制室内温度,此外,通信设备的正常运行对环境中的湿度和洁净度等参数都有严格的要求。空调作为目前通信机房的主要温控设备,其耗电量占通信机房总耗电量的45%左右,泄漏时并产生温室气体。乙二醇换热器利用机房室外的自然冷源与室内的温差进行换热,能够屏蔽室外空气中的灰尘、杂质和水分的影响,但是乙二醇换热器的工作前提是室内外存在一定的温差,这使得乙二醇换热器的使用具有局限性,小能够完全的替代空调在通信机房控温中的作用,通过乙二醇换热器与空调系统的联动控制能够实现通信机房的节能目标。本文对乙二醇换热器重点进行了以下几个方面的研究: 1)对自然冷源在不同气候区的利用率进行了深入研究,以实际的通信机房为样本,建立了通信机房的模拟模型,对机房模型在不同气候区的建筑特性和热负荷特性进行了系统的分析,结果表明:哈尔滨地区通信机房适合的围护结构为砖混37利彩钢板50;北京、武汉、南宁、昆明地区通信机房适合的围护结构是砖混24和彩钢板50:哈尔滨地区的通信机房在冬季存在空调热负荷,北京、武汉、南宁和昆明地区的通信机房全年需要制冷;在全年的制冷需求中,哈尔滨地区自然冷源可利用时间达到9个月,北京、武汉、昆明地区自然冷源可利用时间在6个月左右,南宁地区有3个月的时间可采用自然冷源技术;自然冷源技术在通信机房制冷中的应用可以分担空调大部分冷负荷,缩短空调的上作时间,从而节约空调能耗;通过对自然冷源利用率的分析,为乙二醇换热器的可行性提供了理论依据。 2)对乙二醇换热器理论模型的参数进行了分析和计算,主要从两方面进行研究,一是对换热器内部流体的物理特性分析,包括乙二醇溶液的密度、比热、导热系数和动力黏度;二是换热器热学参数的计算,包括换热器结构的初步规划及几何参数计算、换热器载冷剂的流速、室内和室外风量的确定、室内和室外换热器传热半均温差的计算、管内膜管外膜传热系数的计算、翅片效率计算、换热系数及换热器外形结构计算、风机与循环泵的选型。结果表明:哈尔滨地区适合选择换热器的工质为50%体积浓度乙二醇溶液,北京地区适合选择40%体积浓度乙二醇溶液为换热器的载冷剂,武汉和昆明较为适合20%体积浓度乙二醇溶液为换热器工质,南宁地区常年温度高于水的冰点,只需O%浓度的工质即可。换热器模型可以适用于5个代表性地区的通信机房。 3)对乙二醇换热器的控制参数进行了优化设计,通过系统的理论分析和计算,建立了能够满足约束的功率模型,并通过遗传算法和有效集算法搜索得到了在离散温差点的功率模型最优解,进而利用Elman神经网络对连续温差的功率和频率特性进行预测,分别得到50%、40%、20%、0%体积浓度乙二醇溶液为工质的功率与频率模型。通过模型控制变频参数并计算出泵和风机的换热量和消耗功率,与热半衡实验室模拟环境中测得的实际数据进仃误差分析,结果表明:功率模型与实测数据的绝对误差均可以控制在5%范围内,能够满足实际变频控制的需求,因此通过功率模型确定变频参数实现换热器泵和风机的节能是准确可靠的。 4)对乙二醇换热器在通信机房中的节能效果进行了全面的分析,通过建立乙二醇换热器的能效比模型,得出5个代表性城市通信机房在所适合的围护结构中,采用乙二醇换热器与空调联动系统制冷的全年能耗,与单独采用空调制冷的全年能耗。进而计算出乙二醇换热器的节能率和年利用时间。结果表明:在承担同样的机房冷负荷条件下,采用乙二醇换热器的耗能要显著小于空调的耗能;哈尔滨地区通信机房可利用乙二醇换热器的时间近9个月、北京超过6个月、武汉超过5个月、南宁约3个月、昆明达到6个月;哈尔滨地区砖混37围护结构中采用乙二醇换热器与空调联动系统全年节能率达到31.9%,北京、武汉、南宁、昆明地区砖混24围护结构中采用联动系统全年节能率分别为24%、20.5%、10.5%、33.5%;哈尔滨、北京、武汉、南宁、昆明地区彩钢板50围护结构中,采用联动系统节能率达到42.7%、35.4%、28.4%、12.9%、34.5%;乙二醇换热器在我国通信机房的节能应用中能够发挥巨大的潜力。 本文的研究工作为乙二醇换热器在通信机房中的节能提供了理论和应用依据,尤其在换热器的设计和变频控制思想方面提供了重要的技术支持,同时在乙二醇换热器对自然冷源的利用方面,对其地域特性和节能效率进行了全面深入的研究,为通信机房的节能减排开辟了广阔的应用前景。


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