上海地區典型數據中心錯峰蓄冷方案探討

蘇立群

上海地區典型數據中心錯峰蓄冷方案探討

蘇立群

（上海郵電設計咨詢研究院有限公司 上海 200092）

介紹了上海地區典型數據中心的錯峰蓄冷技術選擇，并對蓄冷方案進行了詳細的設計，討論分析了在不同電價下數據中心不同錯峰蓄冷方案的經濟性。為上海地區類似數據中心項目采用錯峰蓄冷技術提供參考。

數據中心；錯峰蓄冷；經濟性；系統工況

0 引言

數據中心是信息的重要載體，是信息行業的重要基礎設施。據2018年國際正常運行時間協會（Uptime Institute）發布的《國際正常運行時間協會全球數據中心調查》報告顯示，約36%的數據中心因停電導致制冷系統失效從而引起設備升溫宕機[1]。為解決外市電中斷，油機啟動至冷水機組恢復運行這段時間的空調系統供冷，采用蓄冷技術作為數據中心的不間斷供冷已成為業內共識。GB 50174-2017《數據中心設計規范》7.4.1業已規定：采用冷凍水空調系統的A級數據中心宜設置蓄冷設施，蓄冷時間應滿足電子信息設備的運行要 求[2]。

研究顯示2018年中國數據中心總用電量為1608.89億kWh，占中國全社會用電量的2.35%，超過上海市2018年全社會用電量（1567kWh）。隨著互聯網、物聯網、云計算等數據業務需求的爆炸式增長及國家提出加快推進包括大數據中心在內的新型基礎設施建設，我國數據中心總用電量仍將保持高速增長，到2023年預計總用電量將達到2667.92kWh[3]。上海市為了控制本市互聯網數據中心建設和新增能耗，實現合理布局，特制定《上海市互聯網數據中心建設導則（2019版）》。導則中考慮錯峰蓄冷技術對數據中心自身及城市整體能效的提升作用，鼓勵數據中心建設采用錯峰蓄冷技術。同年，國家發改委發布《關于創新和完善促進綠色發展價格機制的意見》提出完善峰谷電價機制，運用價格信號引導削峰填谷。結合國家和地方政府的鼓勵政策及數據中心空調冷負荷密度大、全年不間斷運行、自身需設置蓄冷設置做不間斷供冷的特點，錯峰蓄冷是一項值得在數據中心嘗試的技術。

1 蓄冷

1.1 蓄冷技術簡介

常用空調蓄冷技術按蓄冷介質區分，可分為水蓄冷（顯熱式）、冰蓄冷和共晶鹽蓄冷三大類。不同蓄冷介質各自特點如下：

（1）水蓄冷技術的特點：水蓄冷屬于顯熱蓄冷方式，可以使用常規的冷水機組，實際使用的供回水溫差為5~12℃，蓄冷密度較小，約為5.8~12.77kWh/m3，水蓄冷槽體積相應龐大。

（2）冰蓄冷技術的特點：冰蓄冷的蓄冷密度大，約為40~50kWh/m3，故冰蓄冷貯槽小；冰蓄冷的制冰溫度低，對制冷機有專門要求，當制冰時，因蒸發溫度的降低會帶來壓縮機的COP降低。

（3）共晶鹽蓄冷技術的特點：共晶鹽的蓄冷密度介于水蓄冷與冰蓄冷之間，約為20.8kWh/m3，相應的其蓄冷貯槽較水蓄冷小，較冰蓄冷大；由于采用高溫相變材料，制冷機蒸發溫度較冰蓄冷時高，可以采用常規的冷水機組。但在蓄冷——釋冷的過程中換熱性能較差，設備投資較高，推廣應用受到一定的限制[4]。

1.2 蓄冷技術在典型數據中心的應用

本文所述典型數據中心（下同）是指上海地區利用冷凍水系統進行制冷的大中型數據中心。其按照冷凍水的管道系統形式可分為一次泵系統形式和二次泵系統形式；按照冷源的備份形式可分為N+1備份形式和2N備份形式（N為冷機臺數）。

水蓄冷技術是數據中心蓄冷的常見儲能技術，在數據中心不間斷供冷領域已廣泛應用；冰蓄冷隨著技術和產品越來越成熟，尤其是動態冰蓄冷系統的冰漿冰蓄冷，效率高、體積小、故障率極低，已成為數據中心蓄冷系統的可選技術之一[5]；共晶鹽蓄冷技術因在實際推廣和應用中仍有一定限制，本文不再對其進行討論。

（1）水蓄冷

水蓄冷按照系統形式，可分為開式系統和閉式系統，在典型數據中心應用對應開式蓄冷罐和閉式蓄冷罐。開式蓄冷罐液面與大氣相通，為非承壓設備，閉式蓄冷罐液面與大氣不連通，為承壓設備。目前采用一次泵系統的典型數據中心，因其受制于系統本身架構形式，蓄冷罐常串聯于系統中，常見的系統形式如圖1所示（省略板換），此時蓄冷罐內的壓力為其在系統中接入點的工作壓力，所以一次泵系統常采用承壓的閉式蓄冷罐。對于二次泵系統，蓄冷罐常接在平衡管上，并聯于系統中，常見的系統形式如圖2所示（省略板換），所以可以是開式也可以是閉式。當采用開式罐時，可直接對系統進行定壓，只需其液面高度高于系統最高點1.5米左右即可，若系統高度太高，造成開式罐高徑比過大時，也可采用閉式罐。

圖1 一次泵系統蓄冷罐串聯示意圖

圖2 二次泵系統蓄冷罐并聯示意圖

（2）冰蓄冷

當前階段，采用冰蓄冷作為數據中心應急冷源及錯峰蓄冷的案例較少，文獻[5]介紹了一種已經在國內數據中心使用的冰漿冰蓄冷（亦稱流態冰）系統，闡明了冰蓄冷在作為應急冷源及錯峰蓄冷時，蓄冷設施均需采用有板換的并聯系統，空調管道系統形式限于二次泵形式。

2 典型數據中心錯峰蓄冷方案

2.1 上海地區峰谷電價政策

目前我國對于數據中心行業并未明確歸屬類別，當前上海地區數據中心可申請一般工商業用電和大工業用電[6]，此兩種形式在上海地區均實行兩部制電價，本文討論的錯峰蓄冷方案以電度電價為計算基準。按照上海市發改委發布的最新電價通知，數據中心可執行電價見表1。

表1 上海數據中心執行電價

2.2 錯峰蓄冷方案

上海地區數據中心錯峰蓄冷一方面是為了移峰填谷，更加合理使用電力資源，節約空調系統運行電費；另一方面，也能在項目規劃期爭取PUE考核的政策優惠。總體思路是在夜間電價低谷時，利用備用主機進行蓄冷，在電價高峰時段進行釋冷。上海地區典型數據中心均采用自然冷卻技術，按照總體思路，錯峰蓄冷在不同季節簡化運行策略如下：

（1）在完全自然冷卻季節，室外濕球溫度較低，冷卻塔可提供較低溫度的冷水供末端負載，此時關閉冷水機組，錯峰蓄冷設施不運行。簡化運行策略如圖3所示。

圖3 完全免費冷卻季節數據中心錯峰蓄冷簡化運行策略示意

（2）在完全機械制冷季節，采用電制冷+夜間蓄冷，此階段開啟備用主機在夜間電力低谷時段進行蓄冷，在白天運行時，蓄冷設施可提供部分系統高峰用冷負荷。簡化運行策略如圖4所示。

圖4 完全機械制冷季節數據中心錯峰蓄冷運行策略示意

（3）在部分自然冷卻季節，上海地區典型數據中心采用預冷模式，即冷水主機與板換聯合供冷。此模式下部分自然冷卻是全時段降低冷水主機負載，此階段依然開啟備用主機夜間電力低谷時段進行蓄冷，白天高峰時段放冷。簡化運行策略如圖5所示。

圖5 部分自然冷卻季節數據中心錯峰蓄冷運行策略示意

此外，不同空調系統架構數據中心可選錯峰蓄冷配置也不盡相同，具體如下所述。

（1）空調冷凍水為一次泵系統架構數據中心錯峰蓄冷方案

空調冷凍水采用一次泵系統的數據中心，由于系統本身特性限制，蓄冷設施常串聯于系統，因此一次泵架構的無法采用需要并聯于系統的冰蓄冷技術。而由于其蓄冷設施串聯于系統需承壓的特性，一次泵架構常采用閉式水蓄冷設施，蓄冷溫差只能是冷凍水系統設計溫差。

（2）空調冷凍水為二次泵系統架構的數據中心錯峰蓄冷方案

空調冷凍水采用二次泵系統的數據中心，蓄冷設施常并聯于系統，因此其蓄冷介質可選擇水蓄冷，也可選擇冰蓄冷。由于管路并聯的特性，水蓄冷設施可選用開式或閉式，蓄冷溫差不限于冷凍水系統設計溫差，可選擇大溫差；冰蓄冷設施由于其固有特性，為大溫差蓄冷，釋冷時需增加板換。

不同架構數據中心錯峰蓄冷可選蓄冷配置如表2所示。

表2 不同架構數據中心錯峰蓄冷可選蓄冷配置

3 上海地區典型數據中心錯峰蓄冷經濟性分析

3.1 經濟性分析簡介

（1）本文所述上海地區典型數據中心錯峰蓄冷經濟性的評價指標為數據中心采用錯峰蓄冷技術的增量成本靜態投資回收期[7]。本文將基于前述上海地區峰谷電價政策、數據中心錯峰蓄冷運行策略、不同架構數據中心不同配置并依托上海某具體項目對這一指標進行計算分析。

（2）本文錯峰蓄冷措施暫不考慮實際項目現場場地等限制因素，設置原則為在電價低谷時段用滿備用冷機進行蓄冷。

3.2 經濟性分析參數確認

（1）按上文所述運行策略，自然冷卻時間與錯峰蓄冷運行時間互相影響，由此會影響錯峰蓄冷措施的靜態投資回收期。自然冷卻的時間決定于系統供回水設計溫度，目前上海典型數據中心的主流冷凍水供回水為15/21℃，因《上海市互聯網數據中心建設導則（2019版）》的實施，不少數據中心冷凍水供回水溫度已提升到18/24℃。本文將對此兩種供回水溫度下的數據中心錯峰蓄冷靜態投資回收期進行計算。

上海地區全年逐時濕球溫度如圖6所示。

圖6 上海地區全年逐時濕球溫度

當采用15/21℃冷凍水供回水時，完全自然冷卻（≤6.5℃，塔出水溫度≤13.5℃）運行時長為1986h，完全機械制冷（＞14℃，塔出水溫度＞19.5℃）運行時長為4467h，部分自然冷卻（6.5℃＜≤14℃，13.5℃＜塔出水溫度≤19.5℃）運行時長為2307h。

當采用18/24℃冷凍水供回水時，完全自然冷卻（≤10℃，塔出水溫度≤16.5℃）運行時長為3225h，完全機械制冷（＞17.5℃，塔出水溫度＞22.5℃）運行時長為3582h，部分自然冷卻（10℃＜T≤17.5℃，16.5℃＜塔出水溫度≤22.5℃）運行時長為1953h。

（2）按照上文表2所述配置，水蓄冷系統設計溫差取當前上海地區數據中心主流設計溫差6℃，采用大溫差蓄冷時，本文取溫差為12℃。

（3）按照上文表1數據中心執行電價標準，數據中心運行需分夏季和非夏季分別計算。數據中心自身負荷特性為工藝負荷全年穩定，圍護結構負荷隨季節變化，非夏季計算負荷可取夏季計算負荷90%[8]。本文計算式近似認為不對運行策略產生影響。

（4）按照上述不同工況，冷機運行cop不同，影響錯峰蓄冷運行費用。經詢問行業內廠商，不同設計工況下（冷卻水均采用32/37℃）冷機cop如下：冷凍水15/21℃，冷水機組cop為7.5，此設計溫度下采用大溫差蓄冷時，蓄冷機組冷凍水溫度為9/21℃，冷水機組cop為6.40；冷凍水18/24℃，冷水機組cop為8.3，此設計溫度下采用大溫差蓄冷時，蓄冷機組冷凍水溫度為12/21℃，冷水機組cop為6.69；采用冰蓄冷時，蓄冷槽冷凍水供水板換側出水設計溫度2.5℃，需配雙工況主機，蓄冰工況冷水機組cop為5.14。

（5）錯峰蓄冷設施的成本估算價，經詢問行業內廠商，水蓄冷開式蓄冷槽造價約2000元/m3，閉式蓄冷槽造價約5500元/m3；冰蓄冷500元/（RT·h）；板式換熱器約90-100元/kW。

3.3 依托上海某項目實例經濟分析

（1）上海某項目概況簡介

上海某數據中心項目總建筑面積13200m2，共3層，建筑高度18.9m。一層設置冷凍機房、高低壓配電室、電池室、消控室等，二三層為數據機房、UPS配電室。項目總體建設機柜數2068架，平均機柜功耗4.8kW/機柜。該項目設計總冷負荷（工藝+電源+圍護結構）11620kW，配置4臺1200RT低壓離心式冷水機組（3用1備），冷凍水供回水為15/21℃。

（2）經濟分析計算結果

本項目采用N+1（3+1）的備份形式，本文計算時將部分自然冷卻季節簡化為當主機制冷負載大于一臺主機額定冷量時，錯峰蓄冷仍完全發揮作用；當主機制冷負載小于一臺主機額定制冷量時，錯峰蓄冷部分運行于平段，按插值比例折算調峰作用。日蓄冷量的計算，按照標準設計供回水溫度機組輸出制冷能力1200RT，不同蓄冷溫差時，按機組cop變化折算輸出制冷能力。計算結果見表3。計算過程見附計算示例。

表3 上海地區典型數據中心（N+1備份）錯峰蓄冷經濟性計算結果

續表3 上海地區典型數據中心（N+1備份）錯峰蓄冷經濟性計算結果

注：表格中標準蓄冷溫差的夏季調峰小時數為每日調峰小時數8h×夏季天數92天得出；標準蓄冷溫差非夏季調峰小時數為非夏季月份完全機械制冷段調峰小時數與部分自然冷卻段調峰小時數之和，不含系統完全自然冷卻時段；非標準蓄冷溫差的調峰小時數根據蓄冷工況（非設計工況）主機輸出能力與高峰運行工況（設計工況）主機輸出能力折算得出。

附：計算示例

以15/21℃供回水，12℃溫差開式水蓄冷為例，計算表格3中數據。

①日錯峰蓄冷量：設計工況主機制冷量4220kW，cop值7.5；夜間大溫差蓄冷工況，主機cop值6.4，則夜間蓄冷工況主機輸出能力為4220÷7.5×6.4=3601kW；按蓄冷8h計算，日蓄冷能力為3601×8=28808kWh。

②蓄冷設施有效容積：熱量計算公式=··△，為日蓄冷能力28808kWh，為水的比熱容4187J/kg·℃，△取12℃。由此可算得蓄冷所需水的質量，換算成體積為2058m3。

③蓄冷設施增量成本：此系統不設板換及釋冷泵，增量成本即為錯峰蓄冷設施增量容積×預估單價=2058×2000÷10000=411.6萬元。若為冰蓄冷系統，需考慮板換及釋冷泵增量成本。

④夏季節省電費：夏季調峰小時數628h，即當不采用錯峰蓄冷時，對應的制冷單元（冷機+冷凍水泵+冷卻水泵+冷卻塔，二級泵在蓄冷和高峰時均保持運行，計算時不考慮在內）需在夏季高峰段需運行628小時制冷。一套制冷單元高峰段運行功耗：4220/7.5（冷機功耗）+90（冷凍水泵功耗）+75（冷卻水泵功耗）+60（冷卻塔功耗）=787.6kW，調峰時段總運行電量：787.6×628=494655kWh；一套制冷單元蓄冷時運行功耗：3601/6.4（冷機功耗）+90（冷凍水泵功耗）+75（冷卻水泵功耗）+60（冷卻塔功耗）=787.6kW，夏季電價低谷段共計蓄冷時間92（夏季天數）×8（每天蓄冷小時數）=736h，蓄冷時段總運行電量=787.6×736=579674kWh；節省電費為高峰段電費（494655×1.088-579674×0.245）÷10000=39.61萬元。（冰蓄冷系統需考慮釋冷泵的運行電量）

⑤非夏季節省電費：計算方法同夏季。

⑥靜態投資回收期：增量成本÷年節省電費=411.6÷116.07=3.55a。

除主流采用N+1備份的數據中心外，上海地區仍有少數等級要求高的數據中心，采用2N備份形式，同樣以上述實際案例為基準，假定該項目使用2N（3+3）備份對其進行經濟性分析。可以預想，2N備份形式數據中心按照本文所述錯峰蓄冷總體原則，可采用全負荷錯峰蓄冷。但由此也將造成部分自然冷卻季節系統冷負荷不足全負荷時，錯峰蓄冷將部分運行于電價平段時段，無法起到較好調峰作用。2N備份形式數據中心以大工業電價，系統15/21℃供回水為例，計算結果見表4。

表4 上海地區典型數據中心（2N備份）錯峰蓄冷經濟性計算結果

由表3可知：

（1）執行大工業用電電價的數據中心峰谷電價比值高于執行一般工商業用電電價的數據中心；執行大工業用電電價的數據中心采用錯峰蓄冷技術的投資回收期小于同配置執行一般工商業用電電價的數據中心。

（2）當數據中心冷凍水系統設計供回水溫度較低時，全年完全自然冷卻及部分自然冷卻時間較短，采用錯峰蓄冷技術的調峰作用較好；冷凍水系統設計供回水溫度低的數據中心采用錯峰蓄冷技術的投資回收期小于同配置冷凍水設計供回水溫度高的數據中心。

（3）無論何種情況，采用閉式蓄冷設施進行錯峰蓄冷的投資回收期均較大，可認為采用閉式蓄冷設施的數據中心不具備錯峰蓄冷可行性。

（4）采用開式水蓄冷設施進行大溫差錯峰蓄冷投資回收期最短，冰蓄冷次之；冰蓄冷技術蓄冷設施容積要求最小，且顯著小于其他情形，大溫差水蓄冷次之；當場地條件充足時，建議采用開式水蓄冷設施進行大溫差錯峰蓄冷，當場地條件有限時，可考慮冰蓄冷技術進行錯峰蓄冷。

由表3，表4對比可知：

（5）當用于錯峰蓄冷的主機臺數增加時，會造成錯峰蓄冷設施增量成本顯著增加。

（6）用于錯峰蓄冷主機臺數多的數據中心，當部分自然冷卻季節系統高峰負荷低于錯峰蓄冷的供冷能力時，錯峰蓄冷將部分運行在電價平段時段，錯峰蓄冷調峰作用較同配置用于錯峰蓄冷主機臺數少的數據中心弱，投資回收期增大。

5 結論

在上海地區數據中心錯峰蓄冷設施在項目規劃前期，有政府的政策鼓勵，利于項目實際落地；在項目的全生命周期，有利于降低數據中心運行費用，并可平滑電網負荷曲線，減少電網電力設施投入和穩定電網運行。本文通過分析上海地區執行不同電價、采用不同設計供回水溫度、不同蓄冷形式、不同備份形式的數據中心錯峰蓄冷經濟性，確定了上海地區采用N+1形式的數據中心采用大溫差開式水蓄冷或冰蓄冷作為錯峰蓄冷具有可行性。當場地條件充足時，建議采用大溫差開式水蓄冷做錯峰蓄冷；當場地條件有限時，冰蓄冷做錯峰蓄冷也是一種優良方式。

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[8] 吳冬青,陳向陽.上海某大型數據中心水蓄冷系統設計方案研究[J].暖通空調,2017,47(12):58-64.

Discussion on Cold Storage Scheme of Typical Data Center in Shanghai

Su Liqun

( Shanghai Posts &Telecommunications Designing Consulting Institute Co., Ltd, Shanghai, 200092 )

This paper introduces the selection of the cold storage technology of the typical data center in Shanghai, and designs the cold storage scheme in detail, discusses and analyzes the economy of the different cold storage schemes of the data center under different electricity prices. It provides a reference for similar data center projects in Shanghai to adopt staggered peak storage technology.

data center; cold storage by shifting peak; economy;system condition

TU83

A

1671-6612（2021）01-118-07

蘇立群（1991.09-），男，碩士研究生，E-mail：416883875@qq.com

2020-05-07