データ センターの冷却
この例では、データ センターの冷却システムをモデル化します。このシステムは、冷水ループと凝縮器水ループの 2 つの異なる水ループで構成されます。冷水ループは、サーバー ファームから熱を吸収して凝縮器水ループに伝達します。凝縮器水ループは、冷却塔を使用してこの熱を環境に放出します。
冷水ループと凝縮器水ループの間の熱伝達は、水-水熱交換器を介して直接行われ、冷却器を介して間接的に行われます。熱交換器は電力を消費しないため、低コストで動作します。ただし、冷水ループに十分な冷却を提供するために冷却器で補足する必要があります。冷却器は、冷媒 R-134a を介して蒸発器から凝縮器に熱を伝達するために電力を消費する冷却サイクルです。システム全体のエネルギー消費の最大要因になります。
モデルにはいくつかのバリアントが含まれます。冷却器は、System-Level Refrigeration Cycle (2P) ブロックを使用して直接モデル化するか、パイプの熱伝達に基づいて抽象的にモデル化できます。パイプの熱伝達の方がシンプルで、シミュレーションの効率を上げることができます。環境条件とサーバー ファームの熱負荷は可変または一定にできます。条件と負荷を可変にすると、シナリオがより現実的になります。条件と負荷を一定にすると、コンポーネントのサイズ設定と解析がシンプルになります。
モデル
Chiller - Abstract Model サブシステム
Chiller - Refrigeration Cycle サブシステム
Cooling Tower サブシステム
Server Farm サブシステム
Scope からのシミュレーション結果
Simscape ログからのシミュレーション結果
次のプロットは、冷水ループと凝縮器水ループの質量流量と温度を示しています。冷水ループでは、冷却器の蒸発器の温度は摂氏 18 度に維持されます。冷水はサーバー ファームから熱を吸収し、熱の一部を熱交換器を通じて凝縮器水に伝達し、残りの熱を冷却器を通じて凝縮器水に伝達します。冷水ポンプは、サーバー出口の水温を摂氏約 28 度に維持するように流量を調整します。
凝縮器水ループでは、冷却塔が環境条件に基づいて水を可能な限り冷却します。凝縮器水は、熱交換器および冷却器を介して冷水から熱を吸収し、その後、冷却塔を介してすべての熱を環境に放出します。凝縮器水ポンプは、熱交換器と凝縮器の間の水温差を摂氏約 6 度に維持するように流量を調整します。
次のプロットは、冷却塔の蒸発冷却性能を示しています。冷却塔は、一部の水を環境に蒸発させることで凝縮器水から熱を除去します。蒸発に必要な気化熱は水から得られるため、水が冷却されます。ファンが環境から新鮮な空気を取り込み、高温、高湿度の空気を排出します。寒く乾燥した環境であるほど、冷却塔の性能は向上します。通常の水-空気熱交換器とは異なり、冷却塔は水温を環境温度未満に下げることができます。欠点は水流の約 1% が失われることであり、この水を補充する必要があります。
蒸発プロセスは、熱伝達と質量移動の類似性に基づいて、e-NTU 法を使用して近似的にモデル化されます。顕熱伝達の場合、e-NTU 法では、理論上の最大温度差に熱交換率係数を乗算することで熱流量を取得します。蒸発熱伝達の場合、類似の e-NTU 法では、理論上の最大混合エンタルピー差に熱交換率係数を乗算します。混合エンタルピーの使用では、温度と湿度の両方の差が考慮されます。最大となるのは、空気が蒸発した水で十分に飽和したと見なされたときです。
次のプロットは、冷却器とシステム全体の性能を示しています。冷却器のパフォーマンス係数 (CoP) は、コンプレッサーによる消費電力に対する蒸発器の熱伝達の比です。同じ概念をシステム全体に適用すると、システムの CoP は、コンプレッサー、ファン、およびすべてのポンプによる総消費電力に対するサーバー ファームの熱伝達の比です。どちらの CoP 値も約 13 で、一般的な空調設備よりも高くなっています。これは、冷媒と水の間の熱伝達が冷媒と空気の間の熱伝達よりも効果的であるためです。これにより、冷却サイクルの温度差が小さくなるため、凝縮器と蒸発器の圧力差も小さくなり、コンプレッサーで必要な作業が減ります。
参考
System-Level Refrigeration Cycle (2P) | Cooling Tower (TL-MA)
