數據中心后備冷源蓄冷節能運用的實踐

姜 寧

中國移動江蘇公司南京分公司

0 引言

目前，4G技術已經全面普及，并逐步向5G技術過渡，隨之而來的是數據中心大規模的建設。眾所周知，數據中心具有高能耗的特點，而數據中心的耗能主要由信息設備、空調系統、電源系統及其他功能配套系統四部分組成。在傳統數據中心運行中，空調系統能耗約占數據中心總能耗的40%，所以隨著空調技術日益更新，降低數據中心能耗，打造綠色節能數據中心已逐漸從設想變為現實。目前，越來越多的數據中心在建設時放棄傳統的直膨式風冷機房空調，采用水冷機房空調或間接蒸發冷機房空調，以追求更低的PUE值。

另一方面，隨著社會經濟的發展，人們對于電力的需求越來越大，電力供應矛盾愈加突出。2010年11月，發展改革委、電監會等六部委聯合印發《電力需求側管理辦法》，針對電力需求側提出了十六項定性或定量的管理和激勵措施，其中提到“將推動并完善峰谷電價制度，鼓勵低谷蓄能”等內容，并于2011年1月1日起實施。那么，如果數據中心空調系統可以充分利用谷電運行，在降低數據中心能耗同時，還可以大幅度減少數據中心的運行費用。所以本文以南京市溧水區某數據中心空調系統實踐情況為例，進行后備冷源蓄冷系統節能運用的分析。

1 后備冷源蓄冷節能運用分析

大型數據中心大多選用承壓水罐作為災備的應急冷源，為了更好的提高數據中心中央空調的能效比，充分利用現有的設備（或者新增部分設備），通過制定合理的水蓄冷運行策略，改變原有的運行模式，利用現有的峰谷的電價差，降低系統能耗，提高系統的綜合COP值，具有現實意義。一般而言，數據中心的設備負荷加載是個漸進過程，數據中心運行初期，蓄冷系統完全可以考慮用于節能運行，其運行模式為“谷段及平段電價時蓄冷，峰段電價時放冷”，模式如圖1所示。

圖1 蓄冷系統運行模式

以江蘇移動某數據中心機房樓為例，該機房樓位于南京市溧水區，其中一期工程建筑面積10000平方米，地上五層，其中首層主要作機電設備用房，二層機房備用，三至五層作數據機房使用。冷凍水機組選用六臺自然冷源風冷螺桿冷水機組，冷水機組安裝在樓頂天面。為防止市政電網斷電影響數據機房正常運行，機房選用1個60m3蓄冷罐作為后備冷源。具體設備參數詳見表一。

1.1 實際運行與分析

自2016年起，工作人員開始對蓄冷罐進行有效利用，以減少系統的運行費用，對該運用模式的節能性進行了探索。

蓄冷罐放冷初始溫度為7℃，經過長時間節能運行測試得出終止溫度為14℃，機房溫度未有明顯波動，比熱容取4.187,那么蓄冷及放冷冷量為：

其中，C是比熱容； M是物質質量；ΔT是進出水溫差。

現有的設備情況如表1所示。

表1 設備情況

2016年南京市峰谷電價政策如表2。

表2 南京市峰谷電價

設備及耗電情況如表3。

表3 設備及耗電情況

蓄冷節能運行的具體操作流程為晚間低谷電價0:00～8:00期間運行27.91分鐘蓄冷；8:00～12:00期間運行39.08分鐘放冷；12:00～17:00電價為平段時運行27.91分鐘進行蓄冷；晚間17:00～21:00期間運行39.08分鐘放冷。

(1)蓄冷節能運行費用為一次谷段蓄冷、一次平段蓄冷和兩次峰段放冷運行費用之和：谷（主機+冷凍泵）+平（主機+冷凍泵）+峰（放冷泵+放冷泵）

(2)常規工況運行費用相當于兩次峰段蓄冷費用之和，為：峰（主機+冷凍泵）*2

(3) 蓄冷節能運行模式下節省的運行費用為：

(4) 年蓄冷節能運行模式下節省的運行費用為：

為實現蓄冷時停止一套主機運行的功能，在系統中還需增加一套閥門，如圖2所示。

圖2 主機系統圖

如上文所述，由于蓄冷水罐容積比較小，每天蓄冷放冷時間僅有27.91分鐘×2=55.82分鐘，雖然每天放冷2次，利用低谷電、平段電進行蓄冷，但是每年節省的運行費用并不多。所以要節約更多費用,需要考慮增加蓄冷罐。

1.2 增加蓄冷水罐的可行性分析

考慮到數據中心需要安全可靠的運行，數據中心冷凍水主機多為冗余設計，按照現有備用冷機的蓄冷能力條件，如果要采用水蓄冷系統移峰填谷的功能，減少系統的運行費用，那么就需加大蓄冷水罐的容積。根據目前系統的情況，有一臺1050KW備用機組可改造成水蓄冷系統，那么蓄冷水罐的容積如表4所示。

表4 蓄冷水罐容積

蓄冷水罐增容后運行的具體操作流程為低谷電價0:00～8:00期間運行8小時，向兩個蓄冷水罐同時蓄冷；8:00～12:00期間運行4小時放冷；12:00～17:00平段電價運行5小時，向650 m3蓄冷水罐進行蓄冷；晚間17:00～21:00期間運行4小時放冷。

蓄冷節能運行費用為一次谷段蓄冷、一次平段蓄冷和兩次峰段放冷運行費用之和，即：

部分時段需啟用兩臺防冷泵，加快放冷。常規工況運行費用相當于兩次峰段蓄冷費用之和，即：

蓄冷節能運行模式下節省的運行費用為：

年蓄冷節能運行模式下節省的運行費用為：

根據目前數據機房運行現狀分析，數據機房的負載總是逐步增加的，如采用常規工況，難免出現大馬拉小車的情況，造成更大的能源浪費，運行費用也會更加高昂。若蓄冷罐增容，則可在全天使用谷、平段電價運行制冷系統，實現1500m3機房的供冷需求。

2 結論

本文對數據中心機房空調后備冷源蓄冷節能運用進行了分析，對其使用特點和可行性進行了歸納和總結，整理出一套切實可行的降低空調運行費用的方式方法。同時對南京移動某數據中心機房樓空調系統進行了改造分析，對空調系統節能改造進行了實踐及推論。

經過對江蘇移動南京分公司數據中心機房樓空調系統運行的實例分析，可以看出空調系統蓄冷節能運行，可大大降低運行費用，特別是投運前期(負荷輕時),具有良好的經濟效益，同時對國家電網電力資源峰、谷平衡做出了貢獻，體現了良好的社會價值。本文在對數據中心冷凍水空調運行提供參考的同時，希望對該節能運行模式進行交流與探討，特別是在放冷時，有二次泵系統,在運行中涉及頻率、循環流量（蓄冷罐放冷流量），以及如何控制放冷時小于正常運行流量等問題。

以不降低制冷系統安全可靠性為原則，以節能降耗為目的，數據中心配置蓄冷系統，是目前積極探討并推廣的最佳節能運行模式之一。