一次泵VS二次泵系统,究竟孰优孰劣?

数据中心空调系统的主要能耗点在于冷水机组和配套的水泵系统的运行,其中,水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20-30%,故节约低负载时水系统的输送能量,意义重大。

目前,腾讯自建或合建的数据中心中,一次泵系统和二次泵系统均有应用经验。但两种系统到底孰优孰劣,本文将对此进行一番探讨,仅供参考。

1.一次泵定流量系统

一次泵定流量系统的原理如图1所示,这种系统简单、投资低,适用于中小型工程。

图1 一次泵定流量系统简图

图1所示的空调系统冷冻水流量固定不变,当系统的实际负载低于设计负载时,冷冻水供回水温差将小于设计温差。系统在低温差、大流量的情况下工作,不仅会降低末端空调换热效率,也会增加管路系统的能量损失。

2.一次泵变流量系统

随着制冷技术的发展,现在的制冷机组都允许冷水量有较大的变化,因此,变流量冷水机组的使用得到推广。一次泵变流量系统即是采用可变流量的冷水机组、末端设备、变频水泵等组成的空调系统(如图2所示)。

图2 一次泵变流量系统简图

图3 一次泵变流量系统的旁通管路及平衡阀

对于一次泵变流量系统,当末端设备的冷冻水流量随负荷改变时,其两端的压差也在随之改变,一次水泵的变频器根据最不利的压差信号,改变水泵的转速,从而改变系统的水流量以满足末端设备的要求。

因此,一次变频泵能随着负荷的减少而降低转速,从而减少系统的供水量。已知在管路系统固定不变的前提下,变频水泵的效率特性和水系统的阻力特性接近,理论上水泵的能耗与流量成三次方的关系,故变流量系统节能降耗潜力明显。

在数据中心采用的一次泵变流量系统中,当冷机因故障停机时, UPS带动一次变频泵向机房供冷,但需克服冷水机组阻力,因此对应的UPS的容量要求也较二次泵系统大。

3.二次泵变流量系统

二次泵变流量系统是在冷水机组蒸发侧流量恒定前提下,把传统的一次泵分解为两级,形成一次环路和二次环路,其特点是减少了冷水制备与冷水输送之间的相互干涉。

图4 一次泵定流量、二次泵变流量系统简图

如图4所示,一次环路由冷水机组、一次定频泵,供回水管路和旁通管路组成,主要负责冷水制备,并按定流量运行。一次定频泵主要用来克服冷水机组蒸发器和一次环路的流动阻力,即自蒸发器出口到旁通管路再到蒸发器入口的阻力。

二次环路由二次变频泵、空调末端设备、供回水管路和旁通管组成,负责冷水输送,按变流量运行。

二次泵用来克服从旁通管路的蒸发器侧到末端设备再到用户侧的水环路阻力,可以根据该环路负荷变化进行独立控制、变频调节。

二次变频泵的流量与扬程可以根据各个环路的负荷特性分别配置,如对于阻力较小的环路,就可以降低二次变频泵的设置扬程。因此,二次泵变流量系统比较适合系统大、各环路空调负荷特性相差较大或阻力相差悬殊的情况(如高层建筑和远距离输送系统)。

图5 某二次水泵及管路系统

在数据中心的空调系统中,二次变频泵不经过冷水机组直接与UPS和蓄冷罐连接,从而减少了冷量输送管路系统的阻力,加上本身的功率较小,因此对应的UPS容量要求比一次泵变流量系统小很多。

当冷机因停电或故障不能启动时,UPS带动二次变频泵将蓄冷罐的冷量送到各个空调末端,保障了冷机停机期间冷量的供应。

4.结论

两种系统一览表详见下图:

类别

一次泵变流量系统

二次泵变流量系统

经济性

不需要二次泵等设备及相关管件,投资相对较低

二次泵等设备及相关管件,投资相对较高

占地面积

所需要的机房面积小,降低了机房投资的费用

占地面积大,管路系统复杂,不方便安装

电气功率

不使用二次泵及附加管件,故在大多数情况一次泵系统平均泵效率较高

二次泵及附加管件均耗功或存在能量损失,功率较一次泵变流量系统略低

能耗

水泵的功率和其转速呈三次方关系,所以节能效果比较显著

一次环路中一次定频泵的电功率固定,加上相应的二次泵及管路耗能,二次泵系统的总能耗相对较高

系统复杂性

一次泵管路系统较二次泵系统简单,但旁通控制系统更复杂

管路系统较复杂,但相比较而言,其控制系统相对简单一些

使用场合

用于节能要求较高,控制系统成熟的系统

系统较大、阻力较高,各环路负荷特性相差较大和压力损失相当悬殊的场合

数据中心应用

根据机房热负荷的变化,通过水泵变频调节冷冻水流量,间接调节机房冷量供应,达到节能效果,对应的UPS带动冷却泵,必须克服冷水机组的阻力,UPS容量要求较大

主要有进一步加压和动力备份两个作用。UPS带动二次泵将蓄冷罐的冷量送到各个空调末端,对应的UPS容量要一次泵变流量系统小很多

图6 一次泵VS二次泵一览表

目前,腾讯自建及合建数据中心对一次泵变流量系统和二次泵变流量系统均有应用。在数据中心的应用中,两种系统均有各自的特点。因此,在数据中心建设规划时,应根据实际情况(如楼高、节能要求和输送距离等)选择恰当的水泵系统,以达到节能优化和安全运营之间的平衡。

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原文发布于微信公众号 - 腾讯数据中心(Tencent_IDC)

原文发表时间:2017-03-10

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