水蓄冷設備在數據中心的多功能聯合應用

文_鄒元霖 高青 蔡宇 王志剛 北京英灃特能源技術有限公司

隨著互聯網、云計算等技術的發展，數據中心的建設進入了一個蓬勃發展時期。隨著數據中心面積、規模的增加，數千甚至上萬臺IT設備同時在線，產生了大量的熱量和電力消耗，制冷和降耗成為了數據中心面臨的最大挑戰。

水蓄冷是利用水的顯熱實現冷量的儲存。現階段水蓄冷技術作為數據中心的應急冷源系統，在數據中心設計中得到了很大的推廣和應用。

蓄冷罐等蓄冷設備不僅可以用作數據中心應急制冷，同時也具備了其他輔助功能，如峰谷電價運營調優、早期低負載運行調優等。

本文以上海某聯通數據中心的水蓄冷系統為例，探討水蓄冷設備在數據中心的“應急冷源”與“削峰填谷”的聯合應用。

1 工程概況

上海某聯通數據中心建筑總面積約為2.15萬m2，其中數據中心空調建筑面積為12530m2，工藝冷負荷19173kW。

2 水蓄冷技術簡介

水蓄冷能技術是利用水在不同溫度下密度不同進行自然分層的原理，利用當地的峰谷電價政策，在夜間建筑低谷負荷且電價較低時段主機開啟進行蓄能，在白天電價高峰負荷時段蓄能設備釋能，將低谷電價時段儲存的能量移到高峰負荷時段使用，移峰填谷，節約運行費用。

在水蓄冷技術中，關鍵的部件是蓄能設備的結構形式應能防止所蓄冷（熱）水與回流溫（冷）水的混合。為實現這一目的，目前常采用自然分層蓄冷、多設備式蓄冷、迷宮式蓄冷和隔膜式蓄冷方法。其中，自然分層蓄冷方法簡單、有效，是保證水蓄冷系統最為經濟和高效的方法。

3 方案設計

3.1 冷源配置

冷水主機采用1600RT離心式冷水主機6臺，4用2備；循環水泵、板式換熱器、冷卻塔也按4+2進行配置。

空調冷凍水系統設計為二次泵系統，一次泵、板式換熱器、冷卻塔與冷水機組一一對應，冷凍水二次泵、冷卻水泵采用變頻水泵，一次管路設計為環路，二次管路為雙支路環路，保證系統可在線維護，提高可靠性。設計聯系供冷系統，二次泵，精密狂徒機組風機。兩路UPS供電。

采用開式蓄冷罐，設置在室外。平時夜間蓄冷罐處于蓄冷狀態，充滿14℃的冷凍水。平時白天部分電價高峰時段，關閉電制冷機運行，采用蓄冷罐補充供冷，至少可以提供2h的供冷，降低冷機運行費用。當市電斷電，制冷系統轉入柴機供電，在冷水機組恢復正常運轉之前，二次泵，機房精密空調連續運轉，蓄冷罐處于供冷狀態，提供精密空調機組冷凍水，保證IT機房15min的連續供冷。當蓄冷罐出現故障時，常閉電動閥開啟，閥門正常開啟信號確認后，可關閉蓄冷供回水管上的電動閥。

3.2 蓄冷罐配置

本項目采用開式非承壓水蓄冷鋼罐，直徑14m，總高35.1m,液位高度33m，體積5154m3，供回水溫度14～21℃，有效蓄冷量35605kWh，作為數據中心應急冷源及削峰填谷使用。蓄冷罐產品由蓄冷罐專業廠家進行深化設計、生產與施工。

（1）罐體設計。本項目蓄冷罐設計為滿足高標準、嚴要求，采用壓力容器標準設計罐體壁板、底板厚度，焊接工藝及探傷等級要求。

（2）蓄冷罐布水器設計。本項目蓄冷罐設計了多種組合式布水器，運用流體動力學原理使用CFD專業軟件對蓄冷罐的使用狀態進行模擬，不斷的校核布水器設計參數，修正斜溫層厚度，使蓄冷罐的有效利用率達到90%以上，保證了蓄冷罐可以高效運行。

4 蓄冷罐在系統中的作用

4.1 應急冷源

數據中心保持每年365d，每天24h的常年運行工況，為滿足數據中心應急制冷的需求，蓄冷罐可作為應急冷源使用。在數據中心電力故障期間為空調系統提供所需冷量，保障數據中心的安全運行。

根據計算，滿足15min應急冷量為：19173×0.25=4793kWh，所需蓄冷罐體積約為700m3。

4.2 削峰填谷

本項目用于削峰填谷的蓄冷罐體積為4454m3，蓄冷量30812kWh，用于峰谷電價運營調優，節約運行費用。利用峰谷電力價格的差異，選擇在夜間蓄冷，白天通過蓄冷罐給數據中心制冷的模式進行調優。

5 監測數據分析

本蓄冷罐自2016年5月完工運行至今，通過對蓄冷罐各高度溫度的監測可知，蓄冷罐實際運行工況為14～18℃。通過對蓄冷罐下部2個溫度探點（T5、T10），上部3個溫度探點（T20、T25、T30）連續10天的數據統計分析，本蓄冷罐下部水溫一直保持在14℃左右，說明下部蓄冷罐一直處于數據中心應急冷源備用狀態，上部水溫隨著時間有規律的在14～18℃變化，夜間溫度降低，白天溫度升高，說明上部蓄冷罐夜間蓄冷白天釋冷，作為建筑物削峰填谷使用。溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 蓄冷罐溫度變化曲線

統計蓄冷罐T5、T10、T20、T25、T30，5天的溫度變化曲線可知，蓄冷罐下部溫度一直穩定在14℃左右波動，蓄冷罐上部溫度變化在14℃和18℃區間變化，說明上部分蓄冷罐處于釋冷和蓄冷工況。

6 節約運行費用估算

15min 應急冷負荷為：19173×0.25=4793kWh；冷水機組參數：制冷量5627kW，耗電功率776kW，COP為7.25；削峰填谷冷負荷為：30812kWh，耗電量為4250kWh。

本項目峰谷電價差約為0.9元/kWh，所以每日節約運行費用3825元。數據中心在冬季可采用自然冷源進行自由冷卻，上海地區自由冷卻時間約為84天，采用電制冷的時間為281天，則年節約運行費用107.5萬元。

7 結論

蓄冷技術在數據中心的應用，不僅可作為應急冷源使用，在條件允許的情況下，也可以作為實現電力削峰填谷功能使用。蓄冷技術削峰填谷功能將會在未來的數據中心冷卻系統中占據主流，隨著數據中心空調能耗的日趨增長以及很多數據中心項目配置2N系統，利用備用機組在電價低谷時段蓄冷，白天電價高峰時段釋冷是平衡電網負荷，降低數據中心運行費用的新舉措。所以，在數據中心空調設計中，合理科學地應用水蓄冷技術，可以提高數據中心在運行使用過程中的節能效果，提高數據中心的PUE值。