首鋼園區數據中心空調系統設計及節能經濟效益分析

顏曉光

（北京首鋼國際工程技術有限公司 北京 100041）

0 前言

數據中心全年運行，冷卻系統耗能較大，冷卻方案的設置一直是行業研究的重點，對于大型數據中心，制冷設備普遍采用冷水機組+板式換熱器+冷卻塔的組合，根據氣候條件，通過調節管路閥門實現完全壓縮制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻的運行模式（見表1），充分利用自然冷卻，降低系統運行能耗及費用。數據中心余熱量大，通過設置熱回收系統回收其熱量用于冬季供暖，具有較大的經濟效益和社會效益。

表1 不同運行說明Table 1 Description of different operation modes of air conditioner

本文以首鋼園區數據中心為例，介紹了其空調冷熱源方案，其采用冷卻塔間接供冷系統，并設置了調峰蓄冷水罐及余熱回收系統。以選定的空調冷熱源方案為研究對象，計算分析了其全年能耗情況，并根據當前分階段電價計算分析了其水蓄冷系統的經濟效益，對比分析了采用余熱回收系統和市政熱網供熱方案的初投資和運行費用。

1 空調負荷及系統的劃分

本項目建設地點為北京首鋼園區內，工程承擔著冬奧會核心技術系統運行、測試、安裝和指揮等功能，是北京冬奧會信息系統的中樞神經。項目總建筑面積約13473.40m2，地下1層，主要為配電室和制冷機房及鋼瓶間等；地上2層，北側地上1層、2層均為數據機房，南側地上1層、2層為PNC、TER機房、運營商接入間、辦公會議室等，機架總數量1852臺，機房級別為A級。

數據機房采用地板下送風+封閉冷通道的形式，封閉冷通道內地板送風口開孔率不小于60%，并配風口調節閥，調節送風量。為滿足數據機房與走道5Pa正壓要求，數據機房設置新風系統，新風機組設置在各空調機房；新風由室外引入并經凈化處理（板式G4+微靜電），夏季新風處理至室內空調狀態點等焓值后送入空調機房，冬季新風處理至高于室內空調露點溫度1℃后送入空調機房。各場所室內設計參數如表2所示。

表2 數據中心室內設計參數Table 2 Indoor environment design parameters of data center

表3為數據中心空調冷熱負荷計算表，工藝性空調為數據機房、電力機房、變配電室等全年供冷，工藝空調冷負荷中有9220kW由集中水冷空調系統承擔，剩余515kW由分散式風冷精密空調承擔。機房新風及部分舒適性空調的冷/熱負荷由水源熱泵機組承擔，水源熱泵機組供熱時回收數據機房的余熱，共承擔冷負荷600kW，熱負荷690kW，其余由多聯式空調承擔。

表3 數據中心空調冷熱負荷統計表Table 3 Cooling and heating load statistics of air conditioning in data center

2 制冷空調方案

2.1 工藝空調系統

為充分利用自然冷源，降低全年運行能耗，本數據中心工藝空調冷源采用大型數據中心常用的冷卻塔+板式換熱器+冷水機組的組合形式，該種組合形式在室外溫度較高時，完全由制冷機組冷卻空調回水（完全機械制冷），可發揮水冷機組性能系數高的優勢；當室外溫度較低時，可先利用冷卻塔預冷空調冷水回水再經制冷機組制冷（部分自然冷卻），節省部分機組能耗；當室外溫度較低時，可停止冷水機組，完全利用冷卻塔冷卻空調冷水回水至供水溫度（完全自然冷卻），節省能耗。

由于數據機房空調冷負荷以顯冷負荷為主，約占總冷負荷的95%；同時，為延長全年自然冷卻時間，減少制冷機組運行時間，工藝空調冷凍水供水溫度應適當提高。本工藝空調冷凍水設計供回水溫度為12/18℃，系統通過閥門的切換可實現完全自然冷卻、部分自然冷卻、完全機械制冷的運行工況，三種工況切換由自控系統完成，不同工況的運行條件見表4。冷卻塔設計除滿足夏季空調需要外還須滿足表4中完全自然冷卻時的需要，其中運行時間按照北京市全年濕球溫度分布計算。冷水機組選用4臺變頻離心機組，其中1臺為備用且為雙工況冷水機組，用于水蓄冷系統。板式換熱器換熱溫差1.5℃，并預留10%的裕量。

表4 工藝空調不同運行工況的條件Table 4 Different operating conditions of process air conditioner

冷凍水系統采用兩管制二級泵系統，一級泵與冷水機組一一對應，一級泵、二級泵均采用變頻水泵；冷卻塔、冷卻水泵、冷水機組及板式換熱器一一對應，冷卻水泵采用變頻泵。冷凍水管網及冷卻水管網均布置為環狀，設置必要的閥門以保證單點故障時系統正常運行，詳見圖1及表6。

2.2 水蓄冷系統

為充分利用北京市峰谷電價政策并提高備用主機的利用率，本工程設置調峰水蓄冷系統，在夜間谷電時段（23:00～7:00）利用備用主機進行蓄冷，在日間峰值（尖峰）電價時段（11:00～13:00）進行釋冷，并始終保留15min應急供冷量。設計調峰蓄冷量為6500RTh，應急蓄冷量為700RTh，總蓄冷量為7200RTh。在冷水機組不運行的情況下，調峰蓄冷量可滿足數據中心滿負荷運行工況下約2.3h的運行時間。

蓄冷冷源由備用冷水機組提供，空調工況制冷量980RT，供回水溫度12/18℃；蓄冷工況制冷量800RT，供回水溫度4/12℃。為保證冷水機組的安全運行，夜間蓄冷過程分為兩個循環，第一循環將蓄冷罐內水溫由18℃降至12℃，第二循環將蓄冷罐內水溫由12℃降至4℃。共設置3座外徑8m、高15m的蓄冷水罐，總有效容積為1800m3。

蓄冷水罐釋冷時，蓄冷罐內低溫冷水與冷凍水回水混合，提供12℃的冷凍水供水。當系統處于部分自然冷卻模式時，若冷水機組承擔負荷較小無法開機時，可由蓄冷系統與冷卻塔進行聯合供冷，有效延長完全自然冷卻供冷時間。冬季完全自然冷卻工況時，將蓄冷溫度調節至12℃，滿足15min應急供冷所需冷量。

2.3 舒適性空調及熱回收系統

為解決機房新風及舒適性空調的冷/熱負荷，設置水源熱泵機組2臺，對應配備2臺冷卻塔。夏季供冷時冷卻塔和水源熱泵機組工作，冷凍水供回水溫度為7/12℃；冬季供熱時，通過水源熱泵機組回收機房余熱，熱水供回水溫度60/50℃。單臺水源熱泵機組制熱量滿足60%設計熱負荷的需要，舒適性空調夜間低負荷時僅開啟1臺水源熱泵機組。

冷凍水（熱水）采用一級泵變頻變流量系統，并采用共用集管連接方式，供回水總管之間設置旁電動壓差旁通調節閥，設計流量為單臺機組允許最小流量。

2.4 主要設備配置及工藝流程

工藝空調冷源設備按N+1模式設置，以保證A級電子信息機房的冗余量要求。主要設備選型參數如表5所示。圖1為系統流程圖，表6為不同運行模式時閥門的狀態。

表6 不同運行模式閥門狀態Table 6 Valve status under different operation modes

圖1 系統流程圖Fig.1 System flow chart

表5 主要設備性能參數Table 5 Main equipment performance parameters

3 能源消耗預測

數據機房能耗按其滿負荷運行計算，工藝性空調三種運行模式及運行時間如表4所示，冷水機組制冷性能系數（COPn）變化如圖2所示，計算冷水機組能耗時按圖2考慮性能變化的影響。冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔等按額定功率計算，不考慮實際運行中冷卻塔風機的調整，板式換熱器的換熱溫差按1.5℃計算。基于上述計算條件，在不考慮熱回收機組及蓄冷裝置運行的情況下，工藝性空調冷源系統全年運行能耗如表7所示。

圖2 不同工況冷水機組COP 變化Fig.2 Cop change of chillers under different working conditions

從表4及表7中可以看出，完全壓縮制冷模式運行時間占全年運行時間的54.56%，但其能耗占全年運行總能耗的73.95%；完全自然冷卻運行時間占全年運行時間的30.25%，其能耗占全年運行總能耗的13.12%。說明完全壓縮制冷運行模式的能耗遠大于完全自然冷卻模式，延長完全自然冷卻的運行時間是降低運行能耗的有效措施。

熱回收機組為數據機房新風機組提供冷熱源，運行時間與新風參數有關。夏季時新風處理至室內焓值，理論上當室外新風焓值大于室內焓值時，需要對新風進行冷卻，熱回收機組制冷模式運行，本文近似按室外干球溫度大于24℃時需要熱回收機組制冷，綜合考慮舒適性空調的運行需求，全年制冷運行時間約3850h。冬季運行時間按北京市采暖季時間計算，運行時間2880h。

機房設計新風冷負荷占熱回收機組承擔的設計冷負荷的48%，機房設計新風熱負荷占熱回收機組承擔的設計熱負荷的58%，考慮室外新風參數的變化因素，機房新風冷熱源系統能耗按1臺熱回收機機組及對應的冷卻水泵、冷凍水泵及冷卻塔計算。計算得出機房的全年制冷電耗：340725kWh，全年制熱電耗：336182kWh。

數據機房空調末端及新風處理機總功率879kW，全年運行8760h，全年運行總電耗為7700040kWh。數據機房制冷空調系統全年運行電耗統計如表8所示。

表8 數據機房制冷空調系統全年運行電耗統計Table 8 Annual power consumption statistics of refrigeration and air conditioning system in data room

數據中心PUE是數據中心總能耗與IT設備能耗之比，總能耗包括IT設備能耗、空調系統能耗、電力系統損耗及安防設備等其他能耗。IT設備100%滿負荷運行時，IT設備總功耗7450kW，電力系統及其他損耗700kW，全年運行總電耗如表9所示，計算得PUE值為1.40。

表9 數據機房全年運行電耗統計Table 9 Annual power consumption statistics of data room

4 效益分析

4.1 水蓄冷系統

該數據中心位于北京城區，用電屬于一般工商業用電，其用電銷售價格如表10所示。本工程蓄冷系統設計單獨供冷時間為2.3h，并預留15Min的應急供冷量，主要考慮在尖峰時段和高峰時段投入使用，降低運行費用。本文將著重分析設置蓄冷后的運行費用，并與不設置蓄冷（僅考慮應急蓄冷）的運行費用進行對比。為便于分析，僅按水蓄冷自由支配冷量6500RTh的能耗計算運行費用。為保證冷機蒸發器流量，夜間蓄冷分為兩個循環（各4h），第一循環將水溫由18℃降至12℃，第二循環將水溫由12℃降至4℃。

表10 北京城區1～10kV 一般工商業用電銷售電價表Table 10 Sales price of 1～10kV general industrial and commercial electricity in Beijing urban area

表11為有蓄冷和無蓄冷時的運行費用對照表，完全機械制冷模式下，無蓄冷時尖峰和高峰時段電費為1349872.34元，設置蓄冷后尖峰和高峰時段電費及谷段蓄冷電費總計為496142.68元，設置蓄冷后每年預計可節省電費853729.65元。

表11 有無蓄冷時運行費用對比Table 11 Comparison of operating costs with and without cold storage

數據中心無蓄冷時，需要設置應急蓄冷水罐，儲存15min的應急供冷量，需要設置容積200m3的蓄冷罐1座，與設置水蓄冷相比的初投資、運行費用及靜態投資回收期如表12所示。

表12 蓄冷裝置初投資及靜態投資回收期Table 12 Initial investment and static investment payback period of cold storage unit

4.2 余熱回收系統

本數據中心設置余熱回收水源熱泵機組，回收數據中心的余熱用于數據中心新風熱負荷及辦公場所的采暖，熱回收機組承擔的采暖設計熱負荷290kW，機房新風設計熱負荷400kW。新風熱負荷全天運行24h；辦公樓采暖熱負荷全天進行12h，并考慮間歇系數1.2，年運行天數120天（11月15日至次年3月15日），負荷率按常規進行估算。辦公樓不供暖時段1臺水源熱泵運行，滿足機房新風負荷。

根據北京市供暖收費標準，市政熱網收費分為基本熱價和計量熱價，非居民基本熱價為18元/m2，計量熱價為0.36元/kWh，不含數據機房的供暖面積約6000m2，計算基本熱價時未包含數據機房面積。計算水源熱泵電耗時，COP按4.6考慮，電費單價按本文表10中分階段電價考慮，辦公供暖時間8:00至20:00，加權計算后電價為1.0549元/kWh；數據機房全天24h運行，加權計算后電價為0.7694元/kWh。運行費用計算結果見表13，由于兩種方案流體輸配系統的運行費用差距較小，為便于比較，表13中未包含流體輸配系統的運行費用。

表13 市政熱網供熱與余熱回收系統供熱運行費用對比Table 13 Comparison of heating operation cost between municipal heating network and waste heat recovery system

根據表13運行費用的對比，采用余熱回收系統供暖后，每年可節省運行費用約59萬元，并可節省工藝空調系統冷卻塔、冷卻泵的部分運行能耗。

若采用城市熱網供暖需要建設換熱站，增加換熱器、水泵等設備，并需要架設一次熱水管線，且仍需要設置冷水機組滿足夏季空調負荷。余熱回收系統通過采用水源熱泵機組代替冷水機組，實現夏季供冷冬季供熱，相比新建換熱站預計將節省初投資約111萬元，預計初投資詳如表14所示。

表14 市政供熱與余熱回收系統初投資對比Table 14 Comparison of initial investment of municipal heating and waste heat recovery system

5 結語

（1）數據中心空調系統采用完全壓縮制冷時的能耗遠大于完全自然冷卻時的能耗。延長完全自然冷卻的運行時間，并減少完全壓縮制冷的運行時間，是降低數據中心冷卻能耗的主要方向。可采取提高冷凍水供水溫度及加大冷卻塔冷卻能力等措施實現。

（2）數據中心全年不間斷運行，空調冷負荷較為穩定，設置水蓄冷系統，夜間谷段蓄冷，日間尖峰和高峰時段釋冷，能有效降低運行費用。以本文中的項目為例，通過儲存數據中心2.3h的冷量，每年可節省運行費用約85萬元，靜態投資回收期5.48年，具有推廣應用的價值。

（3）回收數據中心的余熱用于機房新風處理及輔助辦公建筑的供暖，能降低能源消耗。以本文中的項目為例，與采用市政熱網供熱相比初投資低，運行費用也低，具有明顯的經濟效益和社會效益，值得推廣應用。