辐射制冷涂料用于数据中心机房的节能潜力模拟分析.pdf

49A2096-942207-0049-06TU111.4文章编号：中图分类号：文献标志码：doi:10.3969/-9422.2023.07.008SS信JournalofBEEThermal InsulationNo.7 in 2023(Total Vol.51.No.389)保温隔热2023年第7 期（总第51卷第38 9 期）建筑节能（中英文）辐射制冷涂料用于数据中心机房的节能潜力模拟分析路标la,1b,陶昌军”，向东篱，李小龙b，冯驰la,lb（1.重庆大学a.建筑城规学院；b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆400045;2.西藏宁算科技集团有限公司，拉萨850000；3.中国建筑西南设计研究院有限公司，成都610041)摘要：辐射制冷涂料用于建筑可以降低制冷负荷，达到节能目的。为分析辐射制冷涂料应用于数据中心机房的节能潜力，依据显式辐射平衡方程分析了围护结构辐射特性对建筑能耗的影响，结合WUFI-Plus软件对西藏宁算数据中心机房在围护结构有无保温层、不同室内设备产热量以及围护结构外表面不同辐射特性的多种工况下进行了数值模拟。模拟结果表明：内热源较小时，保温层会减小全年总负荷，辐射制冷涂料会增大全年总负荷；内热源较大时，去除保温层能降低全年总负荷，且辐射制冷涂料的效果随着内热源的增大而增大，最终达到极值。辐射制冷涂料在夏季的节能效果大于其他季节，且短波吸收率比长波发射率对负荷的影响更加显著。关键词：辐射制冷涂料；短波吸收率；长波发射率；数据中心机房；能耗模拟Numerical Analysis of the Energy-saving Potential of Radiative CoolingCoating used in Data Center Computer RoomLU Biaoolal,TAO Changjun,XIANG Dongli,LI Xiaolonglalb,FENG Chila.l(1.a.School of Architecture and Urban Planning;b.Key Laboratory of New Technology for Construction ofCities in Mountain Area,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China;2.Tibet Ningsuan Technology Group Co.,Ltd,Lhasa 850000,China;3.China Southwest Architectural Design and Research Institute Co.,Ltd,Chengdu 610041,China)Abstract:Radiative cooling coatings are used in buildings to reduce cooling load and achieve energyeficiency.To analyze the energy-saving potential of the radiative cooling coating applied to computer roomin data center,this paper analyzed the influence of the radiative characteristics of building envelope onbuilding energy consumption based on the explicit radiation balance equation.Numerical simulations werealso performed with WUFI-Plus on the computer rooms of the Tibetan Ningsuan Data Center for variousscenarios,including building envelope with or without insulation layer,different internal heat sourcestrength,and different radiative characteristics of the envelope.The simulation results show that when theinternal heat source was small,the insulation reduced the total annual load,and the radiant coolingcoating increased the total annual load;when the internal heat source was large,the annual load waslower for the scenario without the insulation layer.The efficiency of the radiative cooling coating alsoincreased with the increasing strength of the internal heat source and eventually reached the maximumvalue.The energy-saving effect of the radiative cooling coating was also found to be greater in summerthan in other seasons,and the short-wave absorptivity was more important than the long-wave emissivity.Keywords:radiative cooling coating;short-wave absorptivity;long-wave emissivity;data centercomputer room;energy consumption simulation收稿日期：2 0 2 2-0 2-18；修回日期：2 0 2 3-0 7-19*基金项目：国家重点研发计划资助项目：“净零能耗建筑适宜技术研究与集成示范”（2 0 19 YFE0100300）50路标，等：辐射制冷涂料用于数据中心机房的节能潜力模拟分析0引言随着化石能源的日益紧缺，能源问题成为全球关注的重点。建筑能耗在全球能耗中占据较大比例：2018年，建筑总能耗占全球能源使用总量的36%1，其中暖通空调系统能耗占公共建筑运行能耗的40%50%21。对于工业建筑而言，其空调能耗占比可能更高3.4。因此,必须增强围护结构的热工性能,以降低空调能耗,实现建筑节能5-相较于内部材料而言，涂料可以方便地应用到现有建筑的节能改造中8.9,因此在近年来得到迅速发展。节能涂料按照作用机理可以分为反射隔热涂料和辐射制冷涂料。反射隔热涂料具有较低的短波吸收率，以此减弱围护结构对太阳辐射的吸收，起到降低建筑外表面温度以及空调能耗的作用10.11，其节能效果已在不同条件下得到充分验证12。与反射隔热涂料相比，辐射制冷涂料不仅有较低的短波吸收率，同时还有较高的长波发射率13.141，可以通过向大气和外太空进行长波散热，进一步降低围护结构的表面温度,从而降低制冷负荷15.16。但辐射制冷涂料在冬季会增大采暖负荷17,因此对于同时具有采暖和制冷需求的建筑而言，其在全年的综合效果有待进一步研究18 数据中心机房这类特殊的工业建筑具有内热源大、散热需求强以及制冷负荷远大于采暖负荷的特点。若将辐射制冷涂料应用于数据中心机房，可以充分发挥其优势，最大程度利用其降温节能的作用。为分析辐射制冷涂料用于数据中心机房的节能潜力，本文依据显式辐射平衡方程分析了屋面辐射特性对能耗的影响，然后利用WUFI-Plus软件对西藏宁算数据中心在不同工况下进行了模拟1理论分析改变建筑外围护结构的短波吸收率和长波发射率将影响外围护结构的辐射换热量，进而影响室内的采暖负荷和制冷负荷。利用围护结构外表面显式辐射平衡方程可以分析不同辐射特性对建筑能耗的影响。以屋面为例,其外表面的显式辐射平衡见公式(1）：I=,I,+8ll,-le(1)式中：I为围护结构表面净辐射（以得热为正，散热为负),W/m;，为短波吸收率；I,为太阳入射辐射,W/m；8为表面的长波发射率；I,为长波人射辐射，W/m；I。为长波发射辐射，W/m无遮挡的屋面可以近似视作被天空包围的平面，其长波人射辐射I见公式（2）：I,=g(273.15+tsky)(2)4式中：为斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6 7 10-8W/(m.K*);tsky为有效天空温度,。长波发射辐射I。见公式（3）：1。=8 g (tsur+273.15)4(3)式中：tsur为屋面的表面温度，将式（3）和式（2)代人式（1）,可以得到式（4）,即外表面的显式辐射平衡方程见公式（4）：I=,l,+8(273.15+tsky)4-(273.15+tsur)4(4)从式（4）可以看出，当其他条件保持不变时，短波吸收率，增大将增大屋面的辐射得热量，从而降低采暖负荷或增加制冷负荷；由于有效天空温度一般低于屋面表面温度，因此屋面的净长波换热表现为散热，故长波发射率8,增大将减小屋面的总辐射得热量，从而增加采暖负荷或降低制冷负荷。上述分析基于无遮挡的屋面。对于外墙等其他围护结构，则需进一步考虑与地面或周围其他物体的辐射换热，但结论与屋面一致，2数值模拟2.1建筑模型本模拟案例原型为西藏宁算数据中心。它位于我国西藏自治区拉萨市，是全球海拔最高的数据中心，见图1。本文对其中一栋机房楼进行模拟，该建筑长18 9 m，宽6 1.6 m，朝向西偏北，其内部图和平面图见图2、3。图1西藏宁算数据中心Fig 1 Tibetan Ningsuan data centerA图2机房内部Fig.2 Inside the computer room51LU Biao,et al.Numerical Analysis of the Energy-saving Potential of RadiativeCoolingCoatingusedin DataCenterComputerRoom图3机房平面图Fig.3 Floor plan of the computer room将该机房简化为层高3m的双层建筑模型进行模拟,其详细构造和主要参数见表1。本次模拟分别设置有保温层和无保温层两种围护结构类型，并对这两种围护结构类型在不同室内设备产热量、屋顶和外墙有无辐射制冷涂料的工况下进行模拟。2.2模拟工况。W U FI-Plu s 是热湿分析常用软件，可以模拟围表1围护结构构造及主要参数（含保温层）Table 1 Envelope construction and main parameters(including insulation)密度/导热系数/比热/围护结构材料*厚度/mm构造示意图(kg/m)W/(mK)J/(kgK)地面混凝土420021041.37377644楼板混凝土12021041.373776砂浆59150.520850加气混凝土2406000.140850外墙内外岩棉70400.044850砂浆59150.520850砂浆59150.520850外挤塑聚苯板50400.0301500屋顶混凝土12021041.373776砂浆59150.520850内注：*复合围护结构的构造由外向内。护结构的热湿传递过程和建筑能耗等。其核心计算公式为Kinzel的热湿耦合传递模型见式（5）、式(6)19,准确性已通过大量研究得到证实2 0-2。本文选择WUFI-Plus对西藏宁算数据中心机房进行能耗模拟，仅考虑热传递情况，忽略湿传递的影响，并调用显式辐射平衡方程作为外表面辐射边界条件。aHpcV(入V0)+h,V.S,V(pPsat)(5)0dwde=.dwWV+o,V(pPa)(6)dp dt式中：p为干燥材料的密度，kg/m；c为比热,J/(kgK);Hw为建筑材料中水分的恰值,J/m；0为温度,;t为时间,s;入为导热系数,W/(mK);h，为水的蒸发恰,J/kg；S，为水蒸气渗透系数,kg/（msPa）；为相对湿度；Psat为饱和蒸气压,Paw为含水量,kg/m;D,为液态水扩散率,m/s。模拟采用拉萨的典型年气象数据，内外表面边界条件均按照民用建筑热工设计规范（GB50176一2016)23进行设置。其中外墙、屋顶外表面对流换热阻均取0.0 6（mK）/W;地面、外墙、屋顶内表面换热阻均取0.13（m.K）/W。根据设备运行要求，室内温度全年稳定为2 0。因为该建筑结构的特殊性，换气次数和空气渗漏都取为0 ach。计算的时间步长为1h。经试算，各参数指标在第三年时达到周期性稳定状态,所以取第三年的数据进行分析。对于普通民用建筑，在围护结构中增加保温层可以减少室内热量向外散失，进而降低建筑的采暖负荷。但是对于数据中心这类特殊工业建筑，其内热源大，而室内设备运行需要维持在一个较低的空气温度，因此制冷负荷远大于采暖负荷，且需要高效地向室外散热，此时保温层的节能效果有待检验。本文首先在有保温层和无保温层两种围护结构构造下，为整栋机房分别设置大小为0 kW、50 0 k W、1000kW、2 0 0 0 k W 30 0 0 k W 的内热源；外墙和屋面无辐射制冷涂料时，短波吸收率取0.35，长波发射率取0.75；有辐射制冷涂料时，短波吸收率取0.0 5，长波发射率取0.9 5。以单位面积制冷负荷、采暖负荷和总负荷为评价指标，分别以季节和年为时间单元进行52路标，等：辐射制冷涂料用于数据中心机房的节能潜力模拟分析分析。为进一步探究涂料的短波吸收率和长波发射率对节能效果的影响，选择在无保温层、室内热源为2000kW的工况下进行模拟。以0.0 5的步长在0.050.35的范围内改变短波吸收率，在0.7 5 0.9 5的范围内改变长波发射率。以单位面积总负荷为评价指标，分别以季节和年为时间单元进行分析。3结果和讨论3.1保温层及辐射制冷涂料节能效果不同工况下的全年负荷模拟结果见图4。由图4可知，无论是否采用辐射制冷涂料，当内热源较小时，采暖负荷占比大，此时保温层起到节能作用；随着内热源的增大，采暖负荷逐渐减小，制冷负荷逐渐增大，且保温层的节能效果不断减弱；当内热源超过一定值时，整个建筑只有制冷负荷，此时保温层的存在会增大制冷负荷，不利于建筑节能，值得注意的是，当内热源增大到一定程度后，辐射制冷涂料的效果达到极限，其制冷负荷的降低值维持恒定，不再随着内热源的增大而增大。本次模拟中，辐射制冷涂料在有保温和无保温工况下，分别最多能降低2 9 kWh/m和19 3kWh/m的全年制冷负荷，说明辐射制冷涂料在无保温工况下的节能效果更加明显。不同季节的模拟结果如果见图5、图6。与全年类似，在内热源较小时，各季节采暖负荷占比较大，低短波吸收率、高长波发射率的辐射制冷涂料会增大采暖负荷，因此总负荷呈现增大趋势；随着内热源增大，采暖负荷降低，制冷负荷升高，直至全部为制冷负荷。此时辐射制冷涂料降低制冷负荷的作用凸显，使总负荷呈现降低趋势30003000300采暖负荷采暖负荷采暖负荷制冷负荷00制冷负荷制冷负荷24852455020019021890(U/4M/UU(/.M/U199612720002000100一730014901461290140000987119500-157970100229-2929100010003-6649952805071000380121171940049646783321-12011613020111499-200-193-193MY000100冰+MY0001料料料料料-300okokl500kV1000kV2000kV3000k500kV3000kl0kW+涂料500kW+涂1000kW+涂料2000W+涂料3000kW+涂料500kW+涂料200KW+涂3000kW+涂料有保温无保温工况工况内热源/kW（a）各工况负荷值（有保温）（b）各工况负荷值（无保温）(c）辐射制冷涂料使用前后负荷变化(a)Load values ateachworkingcondition(with insulation)(b)Load values at each working condition(without insulation)(c)Load changes before and after using radiation cooling coatings图4各工况下负荷值及变化Fig.4 Load values and variations at various operating conditions800800800800采暖负荷采暖负荷00采暖负荷采暖负荷制冷负荷制冷负荷701693制冷负荷00制冷负荷006516446005945866006006000053953300450442004034000040040039634333540000293287001972032001581660200上200191200002000938592991551480074813743051 59740056000000664236314842MY002冰烫+MY00S*#+MY0001MY002MY001MY000000*兴+MY000MY00MY000料*英+MY002球烫+MY0Y00S1002+MY000kokV0klOkV500kW1000kW200kW500kV1000k200kW+涂500kW+涂2000kW+涂料2000kW+涂200kW+徐料500kW+涂料工况上况工况工况(a）春季(b）夏季(c)秋季(d）冬季(a)Spring(b)Summer(c)Autumn(d)Winter图5各工况、各季节负荷值（有保温）Fig.5 Load values at various operating conditions and seasons(withinsulation)600800800600采暖负荷采暖负荷采暖负微厂厂0采暖负荷5220制冷负荷制冷负荷687制冷负荷制冷负荷00469634060060058000534378400400400033500358283436002710400384400025523002193320213000286157209020002001320109016415520018602009100411702313387734668025715043141729136385416*+MY001MY00010000茶料料茶料W料+MY00S+MY00013+MY00+MY00S+MY0001+MY003+MY0001+MY000V+涂米N+涂料0kVV+涂糕okN+涂500kV1000kW3000kW500kW1000kW2000kW500kV3000kV500kW1000kW2000kW3000kV0kW+涂*0kW+涂料0kW+涂500kW+工况工况工况工况(a）春季(b)夏季(c）秋季(d）冬季(a)Spring(b)Summer(c)Autumn(d)Winter图6各工况、各季节负荷值（无保温）Fig.6 Load values at various operating conditions and seasons(without insulation)53LUBiao,et al.Numerical Analysis of the Energy-savingPotentialofRadiativeCoolingCoatingusedinDataCenterComputerRoom此外，当内热源较小时，在任意季节，辐射制冷涂料增大采暖负荷的作用在围护结构无保温的情况下更显著。当内热源较大时，在任意季节，辐射制冷涂料降低制冷负荷的作用在围护结构无保温的情况下更加显著。3.2表面辐射特性对节能效果的影响在无保温层、内热源为2 0 0 0 kW的工况下，对不同短波吸收率和长波发射率的组合情况进行模拟，结果见图7。其中短波吸收率为0.2 0、长波发射率为0.85的工况下模拟得到的总负荷为基准值（0），其他工况的总负荷为变化值。如前所述，此时建筑只有制冷负荷。由图7 可知，在无保温、内热源为2 0 0 0 kW时，任意季节及全年总负荷随辐射特性变化的规律一致，即短波吸收率减小或长波发射率增大时，总负荷减小；当短波吸收率为0.0 5、长波发射率为0.9 5时，总负荷达到最小值。此外，改变辐射特性对夏季总负荷的影响强于对其他季节总负荷的影响，这显然是由于夏季的制冷负荷最大。从图7 还可以发现，当短波吸收率和长波发射率改变相同的值时，因短波吸收率改变而引起的负荷变化大于因长波发射率改变而引起的负荷变化。因此在该工况下，短波吸收率比长波发射率对负荷的影响更加显著，即短波辐射（太阳辐射)的影响更显著。(kW h/m)(kW h/m)(kWh/m)0.950.950.953030300.90180.90180.90186660.8500.8500.85-6-6-60.800.800.80-18-18-180.75-300.75-300.75-300.050.100.150.200.250.300.350.050.100.150.200.250.300.350.050.100.150.200.250.300.35sss(a)春季(b)夏季(c)秋季(a)Spring(b)Summer(c)Autumn(kW h/m)(kW h/m)0.95300.951000.90180.90606200.850.85-6-200.80-180.80-600.75-300.75-1000.050.100.150.200.250.300.350.050.100.150.200.250.300.35ss(d)冬季(e）全年(d)Winter(e)Year图7表面辐射特性引起的负荷变化Fig.7 Load variation due to surface radiative characteristics4结论本文利用围护结构外表面显式辐射平衡方程分析了建筑负荷随表面辐射特性的变化规律，然后对西藏宁算数据中心机房进行了不同工况下的模拟，得出以下结论：（1)室内热源强度较小时，建筑采暖负荷较大，围护结构采用保温层更加节能；室内热源强度较大时，制冷负荷较大，围护结构无保温层更加节能。对于数据中心这类全年室内热源强度较大的建筑，应去除围护结构的保温层（2）低短波吸收率和高长波发射率的辐射制冷涂料在室内热源较小时会增大全年总负荷，在室内热源较大时会减少总负荷，且当室内热源增大到一定值后，辐射制冷涂料的节能效果也达到极值。（3）在无保温层、内热源为2 0 0 0 kW的工况下，当短波吸收率和长波发射率分别在0.0 5 0.35和0.7 50.95之间变化时，短波吸收率比长波发射率对建筑负荷的影响更加显著本文对辐射制冷涂料应用于西藏宁算数据中心机房的节能潜力进行了模拟分析，上述结论也仅适用于该特定场景。对于辐射制冷涂料应用于其他气候条件下不同类型建筑时的效果，还有待进一步研究。参考文献：1 International Energy Agency.Global Status Report for Buildings andConstruction 2019R.Paris:IEA,2019.2吴剑林，李怀，于震，等.某近零能耗办公楼暖通空调系统优化运行分析J.建筑科学,2 0 2 0,36（6：35-41.3乔振勇，王林丰，黎力，等.夏热冬冷地区某既有电子工业厂房节能54上接第30 页）路标，等：辐射制冷涂料用于数据中心机房的节能潜力模拟分析改造研究J.建筑节能，2 0 2 0，48（5）：119-12 4.【4金盛植，陈剑波，薛雪.大空间工业建筑不同送风方式下的空调系统能耗比较J.建筑节能，2 0 2 0,48（2）：156-16 2.【5张凤霖，李念平，彭晋卿，等.长沙市某老年人居住建筑热源塔热泵系统节能优化分析J.建筑科学，2 0 2 0,36（12）：18 0-18 8.6马斌斌。建筑反射隔热涂料在杭州地区居住建筑中的应用研究J.新型建筑材料，2 0 2 1,48（5）：134-136.7刘晓勤，刘龙斌，丁云飞，等.夏热冬暖地区乡村建筑立体绿化节能改造性能研究J.西安理工大学学报，2 0 2 0,36（1）：33-40.【8 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3），女，安徽亳州人，毕业于西安建筑科技大学，建筑学专业，硕士研究生，主要从事绿色建筑技术与设计方面的研究()。通讯作者：何文芳（19 8 4），女，毕业于西安建筑科技大学，绿色建筑技术与设计专业，博士，副教授，硕士生导师，主要从事建筑节能、建筑热工、低碳建筑设计方面的研究（）。