夏熱冬冷地區數據中心冷/電負荷分析

韓海燕，梁 晶，趙大周，柯冬冬

(1．華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2. 浙江省蓄能與建筑節能技術重點實驗室，浙江 杭州 310030)

1 引言

我國天然氣消費比重不斷增加，天然氣供需形勢相對緩和，氣價形成機制逐步市場化，冷熱需求快速增長，為天然氣分布式能源的發展提供了有利的市場環境。國家能源產業政策、節能環保政策、電力體制改革政策均鼓勵在經濟發達地區發展天然氣分布式能源。隨著政策和機制的逐步完善，我國天然氣分布式能源已經進入新一輪布局窗口期，預計未來幾年我國天然氣分布式能源將進入快速發展期。

數據中心機房是實現數據信息集中處理、儲存、傳輸、交換、管理等功能的服務平臺。隨著各行業網絡化、信息化的不斷推進，我國數據中心的數量和信息服務量快速增長，能耗成倍也日益增長。據統計，我國現在各類數據中心數量約占全球總量的13%，年耗電量已占到我國社會總用電量的1.5%左右[1，2]。由于數據中心機房設備發熱量大，制冷系統裝機容量大且需全年不間斷運行，是天然氣分布式能源系統的優質用戶。然而，目前數據中心為降低PUE(電源使用效率，是數據中心總能耗與關鍵設備能耗之比。評價數據中心能源利用效率的關鍵指標)大力推進空調系統節能，充分利用環境冷源對數據中心自然冷卻。本文對山東地區某一數據中心制冷系統及其運行方式進行設計，計算其冷/電負荷。并為以燃氣分布式能源系統替代電制冷設備和市電為夏熱冬冷地區數據中心供能提出建議。

2 研究對象

位于濟南章丘區的某數據園區為“十三五”山東省服務業重點項目及2017年濟南市重點項目。園區總體規劃1405畝，總建筑面積120萬m2，總投資80億元。主要建設互聯網大數據中心、山東省互聯網支付結算中心、多媒體電子商務呼叫運營中心等“一院五中心”及其配套服務設施。其中，互聯網大數據中心一期建筑面積10萬m2，包含#1～#3數據中心，可容納10000個機柜，總投資20億元。為滿足該數據園區冷熱電負荷的需求，促進區域能源結構調整，改善區域環境質量，擬建設燃氣分布式能源項目為園區數據中心及辦公、商業、公寓、住宅等建筑供應暖通空調使用的冷水和熱水，其中冷水供回水水溫6 ℃/13 ℃，熱水供回水溫度75 ℃/50 ℃。項目規劃建設3×30 MW級，先期建設2×30 MW級機組。

3 項目暖通空調設計參數

3.1 濟南市氣象參數

濟南市位于北緯36°40′，東經117°00′，屬暖溫帶大陸性季風氣候。其主要氣候特征是：季風明顯，四季分明；冬冷夏熱，雨量集中。濟南市冬季長達136～157 d，一般在11月上旬至次年3月下旬；夏季為105～120 d，一般在5月下旬至9月上旬；春、秋季最短，都不足兩個月。

濟南年平均氣溫14.7 ℃，年平均降水量671.1 mm，年日照時數2616.8 h。最冷月為1月，月平均氣溫為-0.4 ℃，最熱月為7月，月平均氣溫為27.5 ℃。根據《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB50019-2015)[3]，本項目所在地濟南市空調設計所采用的室外氣象計算參數見表1。

表1 濟南地區室外氣象參數

圖1是空調設計通用的濟南全年逐時氣象資料[4]，該資料包括濟南室外全年8760逐時干球溫度、濕球溫度等參數(表2)。

圖1 濟南室外全年干球溫度和濕球溫度表2 濟南地區設計供暖期天數及其平均溫度

項目數值日平均溫度≤+5 ℃的天數99日平均溫度≤+5 ℃的天數的起止日期11.22～03.03平均溫度≤+5 ℃的期間內的平均溫度(℃)1.4日平均溫度≤+8 ℃的天數122日平均溫度≤+8 ℃的天數的起止日期11.13～03.14平均溫度≤+8 ℃的期間內的平均溫度(℃)2.1

3.2 數據中心室內設計參數

根據《電子信息系統機房設計規范》(GB50174-2008)[5]數據中心主機房劃分A、B、C三級，按等級規定了電子計算機房空調設計參數，如表3、表4所示。

表3 數據中心環境溫濕度要求

表4 輔助區室內空氣設計參數

4 數據中心空調系統設計及熱負荷

#1數據中心位于A地塊，設計裝設3168臺機柜，已于2016年5月開工，將于2018年底完工并交付使用。其具體規模如表5所示。

表5 #1數據中心規模

根據室內空氣設計參數的不同，將數據中心分為機房區和輔助區部分，分別設計空調方式并計算空調負荷。

4.1 機房區空調方式

本數據中心為A級數據中心。機房區采用冷凍水型機房空調+獨立機房專用濕膜恒濕，變配電區及UPS配電區僅配置冷凍水型機房空調。每個房間內空調機組采用為N+X備用。機房專用冷凍水型空調機組包括風機段、表冷段和過濾段，不設置加熱段和加濕段，設備選型及布置按工藝要求模塊設計，并滿足冷媒為12～18 ℃冷水工況運行，全部承擔顯熱負荷。

濕膜恒濕機為等焓加濕，機房回風區溫度一般較高，采用濕膜加濕不需要額外加熱，而且濕膜加濕后空氣溫度能降低3～4 ℃。所以，濕膜加濕不僅能耗低，而且對于同時需要制冷和加濕的場所有很好的節能效果。

機房區采用冷、熱通道分隔模式，以利節能。機房空調機組和電腦機架的行列成垂直式擺布。機房空調機組輸送冷空氣進入活動地板靜壓箱空間，通過開放格柵空氣地板吹向計算機設備，空調將通過熱通道及大空間進行集中回風，氣流組織采用下送上回。

為保持機房等微正壓和滿足新風要求，各機房區分設獨立的新風系統，新風系統設有溫度處理(表冷器、加熱器)及亞高效過濾器。新風取自室外，經過過濾表冷加熱等處理達到機房露點溫度后送入機房吊頂內，與機房空調機組回風混合后，再送入室內所需區域。由于新風系統制冷、制熱量較低，暫不考慮由燃氣分布式項目供冷/熱。

4.2 機房區空調設計負荷

數據中心主機房空調設計負荷見表6。

表6 #1數據中心主機房空調設計負荷

4.3 機房區全年供冷負荷曲線

數據機房自備制冷機房設于地下一層，共設計5臺10 kV變頻離心冷水機組，4用1備，每臺冷水機組額定制冷量為3900 kW，冷凍水設計供回水溫度：12 ℃/18 ℃，供主機房區、UPS配電室、變配電區等區域機房專用空調使用。單臺機組的能量調節范圍 20%～100%，機組可以根據不同時段負荷的變化調節機組的出力。制冷機房設有蓄冷裝置(15 min蓄冷量)，以保證數據中心對連續制冷的要求。

冷卻塔設于本樓屋頂，共5臺，4用1備，夏季冷卻水設計供回水溫度：32 ℃/37 ℃。冬季冷卻水設計供回水溫度：10.5 ℃/15.5 ℃。冷卻塔的選型滿足濟南地區夏季最不利工況(進風濕球溫度29.9 ℃)要求。制冷機房內設置5臺自然冷卻用板式換熱器，換熱量、流量與冷水機組一一對應。

本項目采用水冷冷水機組配板換旁通的形式利用環境冷源，每套制冷單元組的全制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻三種運行模式的轉換控制；由全制冷→部分自然冷卻→完全自然冷卻→部分自然冷卻→全制冷各種模式全年輪轉。

(1)全制冷→部分自然冷卻 模式：冷卻水出水溫度(即換熱器的冷卻水進水溫度)設定在15.5 ℃(可調)，冷卻水出水溫度降到15.5 ℃(可調)以下時，打開通向換熱器的電動閥，冷卻水進入換熱器，此時進入部分自然冷卻(預冷)模式；

(2)部分自然冷卻→完全自然冷卻 模式：當室外濕球溫度到達5 ℃(可調)以下，冷卻塔風機轉速小于等于30 Hz，設定板式換熱器出水溫度在15.5 ℃(可調)，當板式換熱器冷卻水出水溫度低于15.5 ℃時，關閉冷凍機，運行完全自然冷卻模式。

(3)完全自然冷卻→部分自然冷卻 模式：冷凍機冷凍水出口溫度大于等于12 ℃(可調)超過20 min(可調)，此時應聲光報警，冷凍機開啟。

(4)部分自然冷卻→全制冷 模式：板式換熱器冷卻水進水溫度達到15.5 ℃持續20 min(可調)時，聲光報警，冷卻水進入換熱器的電動閥關閉，通向冷凝器的電動閥打開，進入全制冷模式。

考慮到水側自然冷卻的形式，在冬季和過渡季利用數據中心自備的冷卻塔進行制冷。冷卻塔制冷時間的長短和制冷量的多少主要取決于室外濕球溫度、數據中心供回水溫度及冷卻塔臺數。夏季和冬季冷卻塔冷卻水的原理不盡相同，而冷卻效率也不盡相同，冬季效率要小于夏季效率，所以需要根據冷卻塔型號和當地氣候，得到冷卻塔的供冷量(表7)。

表7 冷卻塔設計參數表

本項目數據中心要求的供回水溫度為12/18 ℃，結合水冷冷水機組配板換旁通利用環境冷源的運行方式，考慮到中間板換換熱溫差， 得到冷卻塔在部分自然冷卻和完全自然冷卻工況轉換時的工作點(假設逼近度t2-τ=5.5 ℃)如表8所示。

表8 工況轉換時冷卻塔的工作點

即在濕球溫度低于10 ℃時，本項目可以采用部分自然冷卻的運行模式。而在濕球溫度低于5 ℃時，本項目可以采用完全自然冷卻的運行方式。

圖2～圖4為典型年濟南濕球溫度時間分布。濟南市全年濕球溫度t2<5 ℃的時間有4149 h，可用完全自然冷卻的運行方式；濟南市全年濕球溫度5≤t2<10 ℃的時間有950 h，可用部分自然冷卻的運行方式；t2>10 ℃的時間有3661 h，可用全制冷運行方式。

圖2 濟南全年濕球溫度小時分布

圖3 #1數據中心機房區全年冷水機組制冷負荷曲線

圖4 #1數據中心機房區全年冷水機組制冷負荷延時曲線

為與一般供冷期對應以方便討論，將數據中心機房區冷負荷劃分為夏季(5月15日～9月15日)、過渡季(3月16日～5月14日，9月16日～11月14日)、冬季(11月15日～3月15日)三個時間段，各段均按照冷水機組供冷和自然冷卻供冷兩部分統計(表9)。

表9 #1數據機房分季節冷負荷統計

由冷水機組制冷的份額可由燃氣分布式能源系統替代。本項目燃氣分布式能源站溴冷機冷凍水系統為環網設計，與末端制冷機房冷水管網通過換熱器進行隔離，供回水溫度6/13℃，用于替代自備冷水機組的制冷量。

4.4 #1數據中心輔助區空調負荷

柴發并機室、高壓開閉所、制冷機房控制室、高壓控制室、弱電間、電池室、運營商接入間、監控機房、運行監控中心、應急指揮中心、客戶辦公區、消防控制室、門廳、電梯休閑廳及走廊采用VRV(變制冷劑流量多聯式空調系統)空調系統。共分為12個VRV空調系統。其中區分A、B路的弱電間、運營商接入間、柴發并機室、高壓開閉所房間內的VRV末端分屬不同VRV系統。監控機房、運行監控中心、應急指揮中心VRV空調末端采用2N配置，滿足上述房間24小時不間斷使用需求。

由于VRV(變制冷劑流量多聯式空調系統)是通過制冷劑與室內換熱來滿足室內冷、熱負荷要求的直接蒸發式制冷系統。用溴化鋰冷水機組冷水替代需要設計院配合重新設計管路，變化較大；且裝機容量僅0.68MW，考慮到設備冗余及運行負荷率等因素，實際運行時負荷更小，故告暫不考慮替代。

5 數據中心電負荷

若#1數據中心的冷源由燃氣分布式能源系統提供時，其用電需求如表10。

表10 #1數據中心電負荷設計

數據中心電負荷最大18.866 MW，平均16.265 MW。年總耗電量14052.96萬kWh。如采用燃氣分布式能源系統供電，則電負荷比較穩定。

6 結論及建議

數據中心由冷水機組提供的冷負荷最大16.11 MW；夏季供冷期(5月15日～9月15日)平均冷負荷15.5 MW，供冷量16.34萬GJ；過渡季供冷期(3月16日～5月14日，9月16日～11月14日)平均冷負荷6.7 MW，供冷量7.12萬GJ。該部分冷負荷可由燃氣分布式能源系統提供。

數據中心電負荷最大18.866 MW，平均16.265 MW。年總耗電量14052.96萬kWh。如采用燃氣分布式能源系統供電，則電負荷比較穩定。

由于夏熱冬冷地區適合采用板換旁通的形式利用環境冷源，過渡季和冬季冷負荷較低，故單一的數據中心業態不宜發展燃氣分布式，為提高項目經濟性，建議與住宅區結合，燃氣分布式能源系統夏季/過渡季為數據中心供冷，冬季/過渡季為住宅區供暖，提高能源利用率和設備運行小時數，提升項目的經濟性。