數據中心湖水源自然冷卻系統的節能模擬優化

曾麗萍雷奧軍張泉凌麗

1湖南工程學院建筑工程學院

2湖南大學土木工程學院

0 引言

隨著互聯網的高速發展，以大數據，云計算，人工智能和區塊鏈為代表的新一代信息技術，正在加速全球的智能化變革，也促進了數據中心的大幅增長。據工信部2016年發出的報道，中國數據中心市場規模達到714.5億元，數據中心的耗電量占全社會用電量的1.5%[1]，而且全球數據中心的耗電量也達到了1.1～1.5%1.1～1.5%[2]。預計到2020年，數據中心還會繼續增長[3]，能耗也會跟著需求大增長。在保證數據機房環境要求的同時，如何降低數據機房制冷系統的能耗問題成為研究熱點。目前數據中心制冷最節能的方式是利用自然冷源制冷。

Facebook設在瑞典呂勒奧城市的數據中心，微軟公司設在愛爾蘭都柏林的數據中心，都是利用全年室外環境溫度低的特點，采用室外空氣自然冷卻，實現了低能耗。我國阿里公司設在杭州千島湖的數據中心[4]，采用湖水冷卻空調系統，充分的利用湖水自然冷源，從而大幅度降低數據中心的能耗。新建的云巢數據中心以郴州資興市的東江湖水為自然冷源，實現數據中心的低能耗。本文云巢數據中心為例，研究湖水源自然冷卻系統，采用trnsys軟件對系統進行數值模擬，對冷水機組、冷卻塔、湖水換熱器三種制冷模式，進行方案模擬，獲取最優運行參數。

1 模擬方法及結果

1.1 東江湖年平均水溫

東江湖最深的水位達到280 m，湖面面積有160 km2，水庫容量達到81.2億m3，根據當地東江站測試的水文資料（測試點位于水下3 m處），全年湖水平均溫度為12.9℃，如圖1所示，其水溫完全可以為數據中心機房提供充分的冷源。

圖1 東江湖年平均水溫

1.2 模型的建立

為了優化東江湖數據中心的湖水源冷卻系統，本文采用Trnsys軟件對湖水源自然冷卻系統進行模擬，如圖2所示，該數據中心采用兩種方式進行制冷：一種是采用冷水機組制冷。另一種是采用湖水作為自然冷源，通過板式換熱器與冷凍水回水進行熱交換，達到制冷目的。制冷系統主要有三種運行方式：當換熱器出口水溫（Thx,o）低于冷凍水供水溫度（Tchw,s）時，則采用湖水自然冷卻。當換熱器出口溫度高于冷凍水供水溫度（Tchw,s），而湖水溫度（Tlake）低于機房回水溫度（Trw）時，則湖水源和制冷機組一起運行制冷。當湖水溫度（Tlake）高于機房回水溫度（Trw）時，關閉湖水源，采用冷水機組制冷。

圖2 數據中心冷卻系統圖

根據節能需求，數據中心的冷水機組、冷卻塔、湖水泵、冷凍泵均采用變頻設計。依據室外環境溫度、湖水溫度、機房回風溫度、冷凍水供水溫度、冷凍水供回水溫差等參數，構建負荷和換熱器的出口溫度的能耗模型。

本文以能耗函數為目標函數，建立湖水源自然冷卻系統的目標函數為：

式中：Pchiller表示冷水機組消耗的電能，kWh；Pct表示冷卻塔消耗的電能，kWh；Pcwp表示冷卻水泵消耗的電能，kWh；Pchwp表示冷水泵消耗的電能，kWh；Plwp表示湖水泵消耗的電能，kWh；Pcrah表示CRAH風機消耗的電能，kWh。

2 模擬結果與討論

2.1 優化機房送風溫度與冷凍水供水溫度之間溫差

為了分析機房送風溫度與冷凍水供水溫度溫差對數據中心能耗影響，設定機房送風溫度與冷凍水溫度溫差在6～10℃，冷卻水供水溫度（Tcw,s）為32℃，機房回風最高溫度為35℃，模擬冷凍水供水溫度（Tchw,s）在12、13、14、15℃時的四種不同工況，如表1所示。

表1 四種不同工況的模擬條件

由圖3可知，數據中心的系統能耗隨溫差的增加呈先減小后增大的趨勢，在溫差為7℃時，系統能耗均達到最小。一方面隨著溫差與機房送風溫度的增加，送回風溫差減小，由于機房的冷負荷不變，導致CRAH風量增加，從而導致CRAH風扇能耗增加。另一方面，機房送風溫度影響冷凍水泵的流量，機房送風溫度增加，冷凍水泵流量則減小，從而冷凍水泵能耗則減小。冷凍水量減小，機房負荷不變，冷凍水供水溫度不變，導致回水溫度增加，從而導致換熱器出口溫度也增加，為了達到供水溫度設定點，機組運行時間增加，最后導致冷卻水系統能耗增加。因系統各設備能耗增減程度不一致，使得總能耗隨著溫差的增加呈先減小后增大。因而，在CRAH換熱能力一定時，存在恒定的溫差使得系統能耗最低，不隨冷凍水供水溫度發生變化。針對該系統，在溫差7℃時，湖水源制冷系統能耗最小。

圖3 不同冷凍水供水溫度下能耗隨溫差的變化

2.2 優化機房送風溫度和冷凍水供水溫度

對機房送風溫度（Tsa）在18～24℃的范圍內進行模擬，機房回風最大允許溫度為35℃，冷卻水供水溫度（Tcw,s）設定為32℃，根據機房送風溫度與冷凍水供水溫度溫差的優化分析，設定溫差為7℃，模擬分析以下七種不同工況，如表2所示。

表2 七種不同工況的模擬條件

根據Durand-Estebe的報道[5]，系統使用自然冷卻的時間隨機房送風溫度的提高而增加，冷水機組的能耗雖然減少了，但整體能耗不一定減少，影響了服務器運行的穩定性和可靠性。從圖4中可知，湖水源冷卻的運行時間隨著送風溫度的增加先減小后增加，當機房送風的溫度24℃時，可以完全采用湖水冷卻。送風溫度增加后，系統湖水冷卻的時間增加，系統的總能耗并不是一直呈減小趨勢，在機房送風溫度為22℃時反而開始增加。從圖5中也可以看出：冷水機組和冷卻水泵的能耗隨著送風溫度的增加而減少，CRAH風機能耗卻增長很快，導致總能耗表現為先減小后增加的趨勢。

圖4 不同送風狀態點下的運行狀態及全年能耗

圖5 不同送風狀態點下的各設備能耗

圖6 不同送風狀態點下的能耗主要影響參數變化趨勢

當回水溫度高于湖水溫度，且換熱器出口溫度高于冷凍水供水溫度時，系統由湖水源冷卻模式（WSE）更換到部分湖水源冷卻模式（IWSE）。當系統的冷凍水供水溫度隨機房送風溫度增加時，湖水源冷卻模式（WSE）的運行時間也增加，而冷水機組，冷卻塔和冷卻水泵運行時間減少，導致系統的全年總能耗也隨之減小。從圖6可以看出，冷水機組能耗（Pchiller）隨著送風溫度的提高而降低，在機房送風溫度為21℃時，機組能耗減小95.4%。但是這部分減少的能耗逐漸被CRAH風機增加的能耗（Pcrah）抵消了。CRAH的風扇風量隨著送風溫度的提高而增加，從圖5中看出Pcrah的增長幾乎是呈線性增長，而風扇的能耗與風量之間的關系呈非線性變化，在機房送風溫度為21℃時，風扇風量增加19.3%，其能耗卻增加了84.8%，在機房送風溫度為24℃時，風扇已達到極限速度。因此，當冷凍水供水溫度為14℃、機房送風溫度為21℃時，系統能耗最小，運行狀態最優。

當系統運行狀態點（冷凍水供水溫度12℃，送風溫度為18℃）優化至最優狀態點（冷凍水供水溫度14℃，送風溫度21℃）時，系統能耗由3818554 kWh減小至2507569 kWh，可見優化后的湖水源冷卻系統相比于優化前節能34.3%，相比于傳統制冷系統能耗（6223752 kWh）節能59.7%。說明隨著送風溫度的提高，雖然CRAH風扇的能耗增加，但是冷卻水泵和冷水機組的能耗減小，因而總能耗減小。當冷凍水供水溫度為14℃，機房送風溫度為21℃時，可以獲得最低的總能耗。優化溫度設定點后的湖水源自然冷卻系統能耗相比優化前節能34.3%，相比于傳統制冷系統節能59.7%。

2.3 最優狀態點的運行分析

圖7為該湖水源自然冷卻系統的最優狀態點時系統的運行情況，該最優狀態點為送風溫度為21℃，冷凍水供水溫度為14℃。從圖7可知，隨著湖水溫度的升高，完全自然冷卻時間減小，部分時間需要開啟機組以滿足所需負荷。根據全年湖水平均溫度約為13℃，全年都可進行湖水冷卻。

圖7 三種模式全年運行時間分配情況

在春季（3月～5月），湖水溫度較高，平均溫度約為13.2℃，該系統78%的時間都在進行完全自然冷卻，其余22%的時間在進行部分自然冷卻。在夏季（6月～8月），湖水溫度在六月份達到最高，而七、八月份湖水溫度較低，81%的時間在進行完全自然冷卻，剩下9%的時間使用部分自然冷卻。秋季（9月～11月），湖水溫度約為12.8℃，滿足換熱器出口溫度低于冷凍水供水溫度14℃，該系統可完全進行自然冷卻。冬季（12月～2月），該系統大部分時間都可進行完全自然冷卻，而部分自然冷卻運行時間占0.5%。

由以上分析可知，冬季比秋季的自然冷源利用率略低，因為在冬季環境溫度很低時，湖水會出現逆溫層的現象，即隨湖水深度的增加，溫度跟著增加。而秋季表面冷卻引起水循環，形成同溫現象，所以湖水溫度較冬季還略低一些，故而冬季使用自然冷卻的時間較秋季要小一些。夏季自然冷源利用率卻比春季還要高一些，這是由于夏季的部分時間湖水會出現正溫層現象，即湖水表面溫度較高，底層溫度較低。而春季湖水表面開始增溫，引起湖水循環，湖水再度形成同溫現象，所以湖水溫度整體較夏季略高一些，故而導致春季完全自然冷卻運行時間較夏季少一些。

3 結論

本文針對某數據中心制冷系統，采用Trnsys軟件建立制冷系統的仿真平臺，分析其運行特點，考慮到環境因素與制冷系統的換熱特性，分析系統運行參數對各部分能耗的影響，建立能耗目標函數，分析制冷系統總能耗的影響因素，模擬分析制冷系統在不同影響因素下的能耗變化趨勢，從而確定制冷系統的最優送風溫度和冷凍水供水溫度，且對最佳運行狀態點進行能耗分析。

1）隨著機房送風溫度與冷凍水溫度溫差的增加，全年系統能耗呈先減小后增大的趨勢，當冷凍水供水溫度分別在12℃，13℃，14℃和15℃四種不同的工況下，溫差為7℃時能耗最小。當冷凍水供水溫度與送風溫度設定值一定，自然冷卻運行時間隨送風溫度設定值的提高而增加，總能耗呈現先減小后增加的趨勢，這是因為隨送風溫度設定值的提高，CRAH風扇的能耗往往會使得總能耗增益減小甚至呈負值變化。

2）系統運行時，冷凍水供水溫度與機房送風溫度分別為14℃和21℃時，模擬結果表明系統運行狀態最佳，總能耗最低。比實際運行狀態點（冷凍水供水溫度12℃、機房送風溫度18℃）時節能34.3%，相比于傳統制冷系統節能59.7%。

3）當系統在最優狀態（冷凍水供水溫度12℃、機房送風溫度18℃）下運行時，全年都可采用湖水冷源。在春季（3月～5月）78%的時間可以完全利用湖水進行自然冷卻。在夏季（6月～8月）81%的時間在進行完全自然冷卻。在秋、冬季節（9月～2月），該系統幾乎可以完全采用湖水冷卻。