自然冷卻技術(shù)在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用及節(jié)能分析

文│沈陽東軟信息技術(shù)服務(wù)有限公司 吳曉暉

1 引言

對于數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的建筑，無論如何配置，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心對能源的消耗都大于其他建筑[1]。IT設(shè)備及電力輸送設(shè)備的不間斷運行，均會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量都需要數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)將其帶走。消耗在制冷系統(tǒng)中的能量幾乎占數(shù)據(jù)中心總體能耗的一半以上。此外，數(shù)據(jù)中心支持商務(wù)流程、信息管理以及經(jīng)濟生活中每一個環(huán)節(jié)的交流。如互聯(lián)網(wǎng)多媒體和信息交互，持續(xù)的商業(yè)轉(zhuǎn)換設(shè)備需要不斷增大儲存的數(shù)字信息等[2]。

目前，最小的計算機房的功率密度為每立方英尺8W~10W，最大的能達(dá)到每立方英尺70W~80W，平均為每立方英尺22W~25W[3]。持續(xù)運行的IT設(shè)備產(chǎn)生大量的熱量需要排除，如果不及時排除會導(dǎo)致設(shè)備宕機，這就造成了制冷系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心主要能源消耗的一個關(guān)鍵因素[4]。自然冷卻的原理就是在過渡季節(jié)和冬季直接采用室外的冷空氣直接或者間接來冷卻數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備。本文將假設(shè)一個數(shù)據(jù)中心模型，對其自然冷卻的節(jié)能效果進行對比分析。

2 負(fù)荷計算

本文假定一個數(shù)據(jù)中心模型，其面積為282m2，放置134臺42U的標(biāo)準(zhǔn)機柜，根據(jù)現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心的功率密度調(diào)查，假設(shè)每臺機柜的功率為3kW，則該數(shù)據(jù)中心內(nèi)的設(shè)備負(fù)荷近似計算為134×3=402kW[5]。由于數(shù)據(jù)中心的四周都做密封處理，根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》中的概算指標(biāo)來計算除設(shè)備外的負(fù)荷，參見辦公室的冷負(fù)荷指標(biāo)為70W/m2~120W/m2，因為數(shù)據(jù)中心均無外窗，平時也無人維護，所以其除設(shè)備外的負(fù)荷應(yīng)小于辦公室的冷負(fù)荷，故取辦公室冷負(fù)荷指標(biāo)的最小值70W/m2作為數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷指標(biāo)[6]，可以計算得到除設(shè)備外的冷負(fù)荷為282×70/1000=19.74kW，則該數(shù)據(jù)中心的總負(fù)荷為402+19.74=421.74kW。

3 理論假設(shè)及分析

由以上分析，應(yīng)選擇不小于421.74kW制冷量的冷水機組進行制冷。

（1）氣候分區(qū)

依據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》GB 50176-1993[7]，我國的氣候分區(qū)可以分為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)五個不同區(qū)域。本文將在五個氣候分區(qū)中分別選擇五個具有代表性的城市，進行逐一分析探討。選擇的五個典型城市分別為哈爾濱（嚴(yán)寒地區(qū)）、北京（寒冷地區(qū)）、上海（夏熱冬冷地區(qū)）、廣州（夏熱冬暖地區(qū)）、昆明（溫和地區(qū)）。

（2）冷水機組的選擇

本文采用某同一品牌設(shè)備，分為帶自然冷卻和不帶自然冷卻兩種方式的冷水機組，對比分析其節(jié)能效果。

非自然冷卻選擇某品牌型號為1802A的風(fēng)冷式冷水機組兩臺，一用一備，其額定狀態(tài)下制冷量為495kW，額定功率為158.4kW，COP為3.13。

帶自然冷卻的風(fēng)冷冷水機組，在非自然冷卻狀態(tài)下的額定制冷量為517kW，額定功率為165.5kW，COP為3.12；在完全自然冷卻狀態(tài)下的額定制冷量為312kW，額定功率為17.7kW，COP可達(dá)17.63。

（3）理論假設(shè)與分析

在計算節(jié)能分析時，對相應(yīng)的條件進行理論假設(shè)，假設(shè)該數(shù)據(jù)中心處于額定負(fù)荷狀態(tài)下工作，相應(yīng)的冷水機組也處于額定狀態(tài)下工作。

根據(jù)該廠家的樣本資料，所選用的冷水機組在室外溫度大于15℃時全部使用壓縮機制冷；環(huán)境溫度大于5℃且小于15℃時進入部分自然冷卻狀態(tài)；在環(huán)境溫度小于5℃時進入全部自然冷卻狀態(tài)。根據(jù)相應(yīng)的負(fù)荷計算，數(shù)據(jù)中心的額定冷負(fù)荷為421.74kW。本文假設(shè)兩種情況：一是全部使用制冷機制冷；二是根據(jù)室外環(huán)境條件相應(yīng)地使用自然冷卻。

不同情況下消耗的功率分別為：第一種情況額定冷負(fù)荷為421.7kW時，相應(yīng)的額定功率為134.7kW；第二種情況額定冷負(fù)荷421.7kW時，當(dāng)室外溫度大于15℃，全部采用制冷壓縮機制冷，非自然冷卻狀態(tài)下的額定功率為135.1kW；當(dāng)室外溫度小于5℃，全部采用自然冷卻狀態(tài)下的額定功率為23.8kW；當(dāng)室外溫度處于5℃~15℃之間，冷水機組處于部分自然冷卻狀態(tài)，假定其功率消耗與室外溫度的變化成線性關(guān)系，在此溫度區(qū)間內(nèi)，冷水機組的平均額定功率可以近似按照0.5×（23.8+135.1）=79.45kW計算。

4 氣象參數(shù)

本文計算使用的氣象參數(shù)均來源于《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[8]，分別取哈爾濱、北京、上海、廣州、昆明五個地區(qū)的典型氣象年逐時參數(shù)作為計算依據(jù)。查得各個地區(qū)的典型氣象年逐時參數(shù)如圖1~5所示。

圖1 哈爾濱市全年各級干球溫度頻數(shù)

圖2 北京市全年各級干球溫度頻數(shù)

圖3 上海市全年各級干球溫度頻數(shù)

圖4 廣州市全年各級干球溫度頻數(shù)

圖5 昆明市全年各級干球溫度頻數(shù)

由以上五個城市的各級干球溫度頻數(shù)可以計算得到各個城市在不同情況下的溫度小時數(shù)分布如表1所示。

表1 各城市全年的溫度區(qū)間小時數(shù)

以一年為一個計算周期，首先計算一年內(nèi)五個城市在不使用自然冷卻技術(shù)的情況下，根據(jù)上一節(jié)的功率分析，理論上年總耗電量為134.7×8760 = 1179972kW·h。以哈爾濱為例，由表1可得，干球溫度頻數(shù)大于15℃的小時數(shù)為2892h，耗電量為2892×135.1=390709.2kW·h；小于5℃的小時數(shù)為4267h，則相應(yīng)的耗電量為101554.6kW·h；在5℃~15℃之間的小時數(shù)為1601h，耗電量為1601×79.45=127199.45 kW·h，則全年的耗電量為619463.25kW·h，節(jié)電量為560492.74kW·h，全年的節(jié)能率為47.5%。同理計算其余各城市在使用自然冷卻的情況下的全年耗電量，節(jié)電量和節(jié)電率，如表2所示。

由表2可以看出，在哈爾濱和北京采用自然冷卻節(jié)能率分別可以達(dá)到47.5%和34.46%，有顯著的節(jié)能效果，該區(qū)域非常適合推廣使用自然冷卻技術(shù)；在上海和昆明節(jié)能率可以達(dá)到21.92%和18.66%，也有較好的節(jié)能效果，適宜采用自然冷卻技術(shù)；但是，在夏熱冬暖的廣州地區(qū)，節(jié)能率只有7.23%，節(jié)能潛力不大，并且?guī)ё匀焕鋮s的冷水機組一般比不帶自然冷卻的冷水機組價格貴15%左右，因此夏熱冬暖地區(qū)宜采用自然冷卻技術(shù)，需要詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟評判，并在此基礎(chǔ)上做出合理的選擇。

表2 各氣候區(qū)典型城市全年的能耗分析

5 運行費用節(jié)約

采用帶自然冷卻的風(fēng)冷冷水機組，假設(shè)數(shù)據(jù)中心用電價格是1元千瓦時，采用該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心在哈爾濱（嚴(yán)寒地區(qū)）可以節(jié)約56萬元/年運行費用，在北京（寒冷地區(qū)）可以節(jié)約40.6萬元/年運行費用，在上海（夏熱冬冷地區(qū)）可以節(jié)省約25.8萬元/年運行費用，在廣州（夏熱冬暖地區(qū)）可以節(jié)約8.5萬元/年運行費用，在昆明（溫和地區(qū)）可以節(jié)約22萬元/年運行費用。可以看出，除夏熱冬暖地區(qū)外的其他氣候分區(qū)有顯著的效果，但在夏熱冬暖地區(qū)采用帶自然冷卻的風(fēng)冷冷水機組需要進行綜合分析，做出最有利的選擇。

6 結(jié)束語

本文對于一個假設(shè)的數(shù)據(jù)中心做了理論分析，列舉了我國五個氣候分區(qū)的五個典型的城市，利用這五個城市的典型年氣象參數(shù)對其進行了節(jié)能分析，通過對比分析可以得到如下結(jié)果：

（1）自然冷卻技術(shù)有顯著的節(jié)能及運行費用節(jié)約效果。

（2）對于嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)，節(jié)能效率可達(dá)30%以上，對于夏熱冬冷地區(qū)和溫和地區(qū)節(jié)能率可以達(dá)到20%左右，有良好的節(jié)能效果，這些地區(qū)有利于推廣使用自然冷卻技術(shù)。

（3）對于夏熱冬暖地區(qū)，節(jié)能率僅為7.32%左右，節(jié)能潛力不是很顯著，另外，使用自然冷卻的設(shè)備投入一般要增加15%左右。是否選擇自然冷卻形式的空調(diào)系統(tǒng)，需要做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟評判，再做出合理的選擇。

在能源緊缺的今天，節(jié)能尤其重要，自然冷卻在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的應(yīng)用將會越來越廣泛。

【1】U.S. Environmental Protection Agency，Energy Start Program， 2007， “Reportto Congress on Server and Data Center Energy Efficiency”.

【2】Judge, J., Pouchet, J., Ekbote, A., and Dixit, S., 2008,“Reducing Data Center Energy Consumption,” ASHRAE J，50（11），pp. 14–26.

【3】Koomey, J. G., 2004，“Data Center Power Use: A Review of the Historical Data,”Proceedings of the IBM Austin Conference on Energy-Efficient DesignAustin，TX.

【4】N. Fumo, Solar Thermal Driven Cooling System for a Data Center in Albuquerque New Mexico[J]. Journal of Solar Energy Engineering,2011,133：041008-1- 041008-3.

【5】 APC White paper 25. Calculating Total Cooling Requirements for Data Centers：2-3.

【6】 陸耀慶. 實用供熱空調(diào)設(shè)計規(guī)范[M].第二版.中國建筑工業(yè)出版社，2008：1479.

【7】 中國建筑科學(xué)研究院. GB 50176-93民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1993.

【8】 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境專用氣象數(shù)據(jù)集[M]，中國建筑工業(yè)出版社，2005：光盤軟件.