基于自然冷源的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能潛力的分析

孫海峰

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司，上海200060）

基于自然冷源的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能潛力的分析

孫海峰

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司，上海200060）

上海某數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置自然冷源，然后實(shí)際運(yùn)營(yíng)效果與理想設(shè)計(jì)方案存在較大差距，且制冷系統(tǒng)冷機(jī)、水泵等組件運(yùn)行能耗高于設(shè)計(jì)值。經(jīng)作者現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并發(fā)現(xiàn)諸多實(shí)際問(wèn)題，例如：冷卻水塔布水效率低，水系統(tǒng)管道阻力大，自然冷源與冷機(jī)無(wú)法精準(zhǔn)切換等。為解決上述矛盾，本文從技術(shù)角度著手策劃制冷系統(tǒng)整體節(jié)能技術(shù)改造，以真正達(dá)到安全設(shè)計(jì)之初衷與節(jié)約降耗之目的。作者重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)內(nèi)外平衡理念，關(guān)注系統(tǒng)整體運(yùn)行能耗，通過(guò)改善冷卻塔換熱效果，降低管道局部阻力，優(yōu)化水泵組與主機(jī)組運(yùn)行平衡，優(yōu)化自然冷源節(jié)能運(yùn)行策略等方面，深度挖掘制冷系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

數(shù)據(jù)中心；自然冷源；節(jié)能；變頻；控制柜；噴嘴；改造

表1 制冷系統(tǒng)設(shè)備配置

1 數(shù)據(jù)中心自然冷源與冷機(jī)系統(tǒng)工作模式

自然冷源，也叫做Free Cooling，指全部或部分使用自然界的免費(fèi)冷源進(jìn)行制冷從而減少壓縮機(jī)或冷凍機(jī)消耗的能量。目前大型數(shù)據(jù)中心常用的免費(fèi)冷源主要是冬季或過(guò)渡季的室外冷量，通過(guò)冷卻水塔、板式換熱器帶走室內(nèi)熱量。

自然冷源與冷機(jī)系統(tǒng)通常有三種工作模式，如圖1所示。1）完全冷機(jī)制冷：夏天完全靠冷機(jī)制冷，通過(guò)閥門(mén)控制使得板式換熱器不工作；2）完全自然冷卻：冬天時(shí)冷機(jī)關(guān)閉，通過(guò)閥門(mén)控制冷凍水和冷卻水只通過(guò)板式換熱器；3）部分自然冷卻：過(guò)渡季節(jié)時(shí)，冷卻水和冷凍水要首先經(jīng)過(guò)板式換熱器，預(yù)冷降溫后再留經(jīng)冷機(jī)，提高冷機(jī)運(yùn)行效率。

2 某數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)

數(shù)據(jù)中心位于熱工分區(qū)夏熱冬冷A區(qū)的上海，機(jī)房總面積約4394m2，單機(jī)柜功耗3.5kW的機(jī)架844個(gè)，單機(jī)柜功耗4kW的機(jī)架1197個(gè)，共計(jì)2041個(gè)；機(jī)房區(qū)域配置機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)CRAC滿足機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度要求。

制冷系統(tǒng)采用冷水機(jī)組和自然冷源并聯(lián)模式。其中，中央空調(diào)水系統(tǒng)由4臺(tái)冷水機(jī)組（3用1備）、4臺(tái)冷卻塔（3用1備）、4臺(tái)冷凍水泵（3用1備）和4臺(tái)冷卻水泵（3用1備）構(gòu)成；自然冷源由2臺(tái)冷卻塔，2個(gè)板式換熱器和2臺(tái)自然冷卻水泵組成。參照設(shè)計(jì)文檔，當(dāng)室外濕球溫度低于5℃，啟用自然冷源，減少冷水機(jī)組的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)甚至完全關(guān)閉冷水機(jī)組。當(dāng)室外濕球溫度高于5℃，開(kāi)啟冷機(jī)制冷，冷機(jī)運(yùn)行工況為供水9℃/回水15℃，冷卻水系統(tǒng)為32℃/37℃。

實(shí)際運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題如下：1）冷卻塔出水溫度33.5℃偏高，造成主機(jī)相對(duì)額定工況能耗偏高4.5%；2）冷卻塔進(jìn)出水溫差小3.5℃，造成冷卻泵組相對(duì)額定工況能耗偏高6.3%；3）冷卻、冷凍泵組運(yùn)行電流較高，造成泵組相對(duì)額定工況能耗偏高8%；4）Y型過(guò)濾器濾孔較大，過(guò)濾效果較差，造成泵組相對(duì)額定工況能耗偏高6.3%；5）自然冷源運(yùn)行時(shí)間不到1300h較短，節(jié)能量比設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)偏小35%。

原因初步分析:

（1）制冷系統(tǒng)冷卻塔組非共用，主機(jī)和冷卻塔一對(duì)一單獨(dú)對(duì)應(yīng)，制冷淡季時(shí)，冷卻塔利用率不高，閑置冷卻塔填料風(fēng)化嚴(yán)重。由于水壓自身的特性，冷卻水無(wú)法自動(dòng)在冷卻塔間均勻分布，冷卻塔的填料利用率低，冷卻效果較差，當(dāng)蒸發(fā)溫度和冷機(jī)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)一定的情況下，冷凝溫度越高，制冷系數(shù)越小，耗電量就越大。另外，冷卻塔進(jìn)出水溫差小，冷卻水流量需求大，造成冷卻泵能耗偏高。

（2）冷卻泵、冷凍泵無(wú)控制策略，無(wú)法根據(jù)實(shí)際負(fù)荷變流量運(yùn)行。需要技術(shù)人員對(duì)監(jiān)測(cè)水溫、壓差沒(méi)有合理的手段，無(wú)法使水泵組工作在最佳運(yùn)行區(qū)間，且泵組間無(wú)合適的組合運(yùn)行狀態(tài)，容易造成磨損不平衡。

（3）水系統(tǒng)采樣Y型過(guò)濾器在使用中的局部阻力損耗達(dá)到1-3m，造成水泵能源浪費(fèi)；且Y型過(guò)濾器為濾孔10目，過(guò)濾效果較差，保養(yǎng)難度大。

（4）在過(guò)渡季節(jié)和冬季狀況下，自然冷源利用時(shí)長(zhǎng)較短，換熱器溫差小，換熱效率低，無(wú)法滿足數(shù)據(jù)機(jī)房末端的需求。設(shè)計(jì)切換點(diǎn)，即參數(shù)室外濕球溫度5℃，是否符合本地氣候特征和自然冷源實(shí)際運(yùn)行工況有待商榷。

3 節(jié)能技改思路與措施

節(jié)能技改總體思路就是保障制冷系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，深挖節(jié)能潛力，將制冷系統(tǒng)的整體運(yùn)行能耗下降作為抓手，針對(duì)單體設(shè)備短板和隱患節(jié)點(diǎn)有的放矢進(jìn)行改造和升級(jí)?？刂浦评湎到y(tǒng)整體運(yùn)行能效入手，利用基于原有冷機(jī)自控系統(tǒng)，針對(duì)冷機(jī)運(yùn)行能耗，冷卻水塔運(yùn)行能耗，冷卻、冷凍水泵運(yùn)行能耗和自然冷源運(yùn)行邏輯，參照數(shù)據(jù)中心IT實(shí)際冷負(fù)荷和外界氣候條件進(jìn)行總量控制。

3.1 冷卻水塔改造

冷卻水塔工作效率的高低直接影響整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的效率。

為保證冷卻水冷卻塔中均勻分布，塔群的每張?zhí)盍隙寄艿玫匠浞掷?。采用以下改造技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。

3.1.1 水力穩(wěn)壓器

水力穩(wěn)壓器是實(shí)現(xiàn)各布水盤(pán)間均勻布水的設(shè)備。水力穩(wěn)壓器利用U型管原理，在冷卻水流量30～100%變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)布水盤(pán)間的均勻分水。它構(gòu)造簡(jiǎn)潔，不耗能，不易損，可以自動(dòng)、實(shí)時(shí)、快速的進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.1.2 變流量噴嘴

變流量噴嘴是實(shí)現(xiàn)布水盤(pán)內(nèi)均勻布水的設(shè)備。立式下水槽設(shè)計(jì)，進(jìn)入布水盤(pán)的冷卻水首先形成積水，然后從每個(gè)下水孔流向填料。另外，由于立式下水槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，少量的雜物不會(huì)影響布水盤(pán)的使用。使得單臺(tái)冷卻塔的填料得到充分利用。通過(guò)水力穩(wěn)壓器和變流量噴嘴，冷卻塔可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均勻布水，冷卻塔的填料改造前后對(duì)比情況如圖5所示。大（不低于5度），冷卻塔的冷卻水出水溫度低（與濕球溫度的溫差年均在1.5-2度）。

3.2 循環(huán)水泵組改造

3.2.1 冷卻、冷凍水泵組改造

采用冷卻水能效系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，確保主機(jī)流量需求，并且實(shí)時(shí)跟蹤機(jī)組因負(fù)荷變化造成的加載、減載與最佳冷凝溫度，再參考冷卻塔的實(shí)際冷卻效果和能力，調(diào)整冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，使其揚(yáng)程、流量達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，保持冷卻水系統(tǒng)時(shí)刻處在最佳輸送系數(shù)范圍內(nèi)。

采用冷凍水能效系統(tǒng)確保主機(jī)冷凍水流量需求，結(jié)合實(shí)際負(fù)荷與主機(jī)運(yùn)行工作需求，調(diào)整冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，使其揚(yáng)程、流量達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，保持冷凍水系統(tǒng)在最佳輸送系數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。

3.2.2 循環(huán)水系統(tǒng)過(guò)濾器改造

為了降低管道后期帶來(lái)的阻力問(wèn)題，提高水泵效率，在冷卻水和冷凍水循環(huán)各使用集中式低阻力過(guò)濾器，替代原來(lái)全部的Y型過(guò)濾器。集中式低阻力過(guò)濾器阻力小，揚(yáng)程損耗小于0.02m，有效節(jié)約水泵的能耗。

輸送300m3/h的水，管道阻力12.5m時(shí)，水泵需要的功率（18.5kW）是管道阻力32m時(shí)水泵所需功率（45 kW）的41%。過(guò)濾網(wǎng)目數(shù)大于20目，濾孔較Y型過(guò)濾器小，過(guò)濾效果更佳。

3.3 優(yōu)化自然冷源節(jié)能運(yùn)行策略

3.3.1 依據(jù)內(nèi)部負(fù)荷和外界氣候調(diào)節(jié)

自然冷源運(yùn)行模式可根據(jù)用戶室內(nèi)負(fù)荷需求和室外環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。采用水冷空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時(shí)，可以關(guān)閉制冷機(jī)組，采用板式換熱器進(jìn)行換熱。這樣減少了開(kāi)啟冷機(jī)的時(shí)間，減少大量能源消耗。

見(jiàn)表3，兩個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組供冷和自然冷源的室外濕球溫度選取值不同，并且并聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)在過(guò)渡季節(jié)時(shí)效果不如串聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)效果好。

表2 集中式低阻力過(guò)濾器參數(shù)

表3 多冷源空調(diào)系統(tǒng)自然冷源切換溫度

3.3.2 調(diào)節(jié)供回水溫度差

見(jiàn)表4，兩個(gè)空調(diào)系統(tǒng)不同之處在于冷水機(jī)組供冷時(shí)的供回水溫度不同：并聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)冷凍水運(yùn)行工況為9℃/15℃，串聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)冷凍水運(yùn)行工況為10℃/16℃。從機(jī)組運(yùn)行的角度來(lái)看，相同冷負(fù)荷下串聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組的COP要高于并聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)由于較高的冷凍水出水溫度導(dǎo)致冷凍水流量增大，其冷凍水泵的能耗也要略高。

表4 多冷源空調(diào)系統(tǒng)冷凍水供回水溫度

3.3.3全年運(yùn)行天數(shù)

見(jiàn)表5，上海市2015年室外濕球溫度低于3℃的天數(shù)有32d，并聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)可以采用完全自然冷卻；低于2℃的天數(shù)有15d，串聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)可以采用完全自然冷卻。室外濕球溫度3～8℃的天數(shù)共有71天，室外濕球溫度2～8℃的天數(shù)共有88d，并聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)和串聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)可以在部分自然冷卻條件下運(yùn)行。室外濕球溫度大于8℃的天數(shù)共有262d，兩個(gè)空調(diào)系統(tǒng)在完全冷機(jī)冷卻模式下運(yùn)行。

表5 實(shí)際運(yùn)行天數(shù)統(tǒng)計(jì)（2015年）

該數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)為并聯(lián)多冷源空調(diào)系統(tǒng)，冷水機(jī)組和自然冷源公用冷卻塔，過(guò)渡季節(jié)效果不明顯，但是節(jié)省了初投資。通過(guò)歷年數(shù)據(jù)分析不同供回水溫度下運(yùn)行比較。該制冷系統(tǒng)的冷凍水供回水溫度較低，冷凍水流量較小，冷凍水泵能耗較低，但是機(jī)組COP略低，導(dǎo)致能耗略高。串聯(lián)式系統(tǒng)的冷凍水供回水溫度較高，機(jī)組COP略高，機(jī)組能耗略低，但是，冷凍水流量較大，冷凍水泵能耗較高。自然冷源的應(yīng)用可以有效地提高整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。串聯(lián)、并聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)在冬季的運(yùn)行能效比相差最大，過(guò)渡季節(jié)次之，而夏季最小。在完全自然冷卻模式下，串聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能效比大于并聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)的能效比，是因?yàn)樵撓到y(tǒng)自然供冷下冷凍水出水溫度設(shè)定值較高，節(jié)約了系統(tǒng)能耗。在部分自然冷卻模式下，串聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)在冬季的運(yùn)行能效比小于并聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)的能效比，說(shuō)明前者冷水機(jī)組的運(yùn)行能效比較低。

4 技改經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)相關(guān)技術(shù)改進(jìn)，通過(guò)對(duì)冷凍主機(jī)，冷卻水泵，冷卻塔，冷卻水泵的相關(guān)統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，見(jiàn)表6，有效降低運(yùn)營(yíng)能耗。見(jiàn)表7，設(shè)備節(jié)能率有了顯著提升。

技改項(xiàng)目年度節(jié)能效果：節(jié)約總電量307.88萬(wàn)度，總電費(fèi)215.52萬(wàn)元，節(jié)能率為26.89%。

改造前總電量為1144.90萬(wàn)度，電費(fèi)為801.43萬(wàn)元；改造后總電量為837.02萬(wàn)度，電費(fèi)為585.91萬(wàn)元。

表6 改造前后運(yùn)行能耗對(duì)比

表7 技改項(xiàng)目?jī)?yōu)化清單

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)普遍存在偏差現(xiàn)象，本文通過(guò)實(shí)際案例剖析，從技術(shù)角度著手策劃制冷系統(tǒng)整體改造，同時(shí)針對(duì)制冷系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備短板和隱患有的放矢進(jìn)行改造和升級(jí)，以達(dá)到真正安全運(yùn)行與節(jié)約降耗之目的。從提升冷卻塔冷卻換熱，降低管道局部阻力，匹配水泵組與主機(jī)組平衡，優(yōu)化自然冷源節(jié)能運(yùn)行策略等角度，深度挖掘數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的節(jié)能潛力。用簡(jiǎn)單技術(shù)改造手段，把運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)制冷系統(tǒng)中常見(jiàn)問(wèn)題改善解決，年度節(jié)約總電量307.88萬(wàn)度，節(jié)約總電費(fèi)215.52萬(wàn)元，節(jié)能率為26.89%，不僅提升了設(shè)備單體節(jié)能率而且節(jié)約運(yùn)行成本。

[1]GB50174-2008，電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50462-2008，電子信息系統(tǒng)機(jī)房施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[3]YDT1821-2008，通信中心機(jī)房環(huán)境條件要求[S].

[4]TIA-942，數(shù)據(jù)中心通信設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)[S].

Analysis on Energy Saving Potential of Central Air-conditioning with Free Cooling System in Data Center

SUN Hai-feng

（China Mobile Shanghai Branch，Shanghai 200060，China）

Based on some telecommunication data center central air-conditioning system’s shortcoming,including high annual energy consumption,low cooling tower efficiency,huge pipe resistance and incorrect free cooling switch mode. The article introduces air-conditioning renovation purpose from technical view to solve above problems.The key issue is to improve whole air-conditioning system operation efficiency,from cooling tower cooling effect,pipe resistance reduction,coordination of chiller plants and pumps and optimization of free cooling performance.System renovation can not only guarantee system safety and automation,but also enlarge energy-saving potential.

data center；free cooling；energy-saving；variable frequency；control cabinet；injector；renovation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.017

TU831

B

2095-3429（2016）04-0069-05

0 引言

孫海峰（1978-），男，江蘇南通人，碩士，工程師，從事數(shù)據(jù)中心配套土建、機(jī)電、空調(diào)等專(zhuān)業(yè)規(guī)劃、投資及項(xiàng)目管理工作。面離不開(kāi)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)、完善的施工和合理的運(yùn)行管理，另一方面也需要在實(shí)際運(yùn)行中結(jié)合自身負(fù)荷特點(diǎn)引入成熟可靠的節(jié)能技術(shù)，既保證運(yùn)行安全又降低整體系統(tǒng)運(yùn)行能耗。本文旨在介紹上海某數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)改造的成功經(jīng)驗(yàn)，為同業(yè)者提供參考和建議。

2016-04-06

2016-07-27

3.1.3 近濕球溫度控制

近濕球溫度控制技術(shù)，采用圖形分辨技術(shù)分別分辨機(jī)組加載、布水量變化、室外溫度變化、濕球百分比變化、大氣壓變化，盡量使冷卻塔的出水溫度接近濕球溫度。如圖6所示，表現(xiàn)為冷卻塔的冷卻水進(jìn)出水溫差

隨著信息化和城市化的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心在全國(guó)各地如火如荼建設(shè)，其能耗也占社會(huì)綜合能耗3%，其中制冷系統(tǒng)用能作為數(shù)據(jù)中心能耗重要組成部分已經(jīng)被數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)管理者越來(lái)越重視。按照十三五規(guī)劃節(jié)能綱領(lǐng),數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)可持續(xù)健康發(fā)展一方