基于PUE分析的某數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)優(yōu)化研究

蘇 志

基于PUE分析的某數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)優(yōu)化研究

蘇 志

（同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司 上海 200092）

上海市既有數(shù)據(jù)中心的PUE大部分在1.6~2.3范圍內(nèi)，具有較大的節(jié)能潛力。為此，上海市2018年11月起要求存量改造的數(shù)據(jù)中心PUE≤1.4，新建的數(shù)據(jù)中心PUE≤1.3。以上海某銀行新建數(shù)據(jù)中心為研究對象，建立理論模型對其各項能耗進行計算，得到原設(shè)計工況下的PUE值為1.459，同時對該數(shù)據(jù)中心的制冷優(yōu)化方案進行了研究，通過對不同供回水溫度下的PUE進行計算，分析PUE值低于1.4的可行性，得出本項目最優(yōu)的供回水溫度，為類似工程的改造優(yōu)化提供參考。

數(shù)據(jù)中心；PUE；供回水溫度；制冷系統(tǒng)優(yōu)化

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國數(shù)據(jù)中心的建設(shè)已經(jīng)進入了高速發(fā)展時期，雖然中西部低溫低濕地區(qū)良好的氣候條件可為數(shù)據(jù)中心的節(jié)能運行提供基礎(chǔ)[1]，但一線城市旺盛的數(shù)據(jù)生產(chǎn)需求，也需要數(shù)據(jù)中心能夠盡可能的靠近大城市建設(shè)。作為一線城市，上海市已建成有大量的數(shù)據(jù)中心，但既有數(shù)據(jù)中心的PUE（Power Usage Effectiveness）大部分在1.6~2.3范圍內(nèi)[2]，其巨大能耗和較低的能源效率對城市電力系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。為此，上海市于2018年11月出臺了《上海市推進新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)助力提升城市能級和核心競爭力三年行動計劃（2018-2020年）》（下稱《計劃》），旨在推進數(shù)據(jù)中心建設(shè)的同時，推動數(shù)據(jù)中心節(jié)能技改和結(jié)構(gòu)調(diào)整，要求存量改造的數(shù)據(jù)中心PUE不高于1.4，新建的數(shù)據(jù)中心PUE限制在1.3以下。

在《數(shù)據(jù)中心資源利用第3部分：電能能效要求和測量方法》（GB/T 32910.3-2016）中，將EEUE（ElectricEnergy Usage Effectiveness）定義為評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標[3]，由于EEUE與PUE的定義相同[4]，本文仍采用PUE作為指標。該標準中將PUE劃分為5個等級，其中最高的一級標準要求1＜PUE≤1.6。PUE的計算公式如下[3]：

式中：E為數(shù)據(jù)中心總電能消耗，kWh；E為數(shù)據(jù)中心信息設(shè)備電能消耗，kWh。

可以看出，《計劃》中對存量數(shù)據(jù)中心PUE≤1.4和新建數(shù)據(jù)中心PUE≤1.3的要求遠高于國家標準。事實上，考慮上海市的氣候特點，如果按照傳統(tǒng)的方案進行數(shù)據(jù)中心的設(shè)計，不可能達到PUE≤1.3的要求，這就要求新建數(shù)據(jù)中心需要采用更加有效的節(jié)能方案。而對于存量數(shù)據(jù)中心，如何使其PUE降低至1.4以下，也是現(xiàn)階段的難點。

上海市某銀行新建的數(shù)據(jù)中心設(shè)計完成于2018年7月，早于《計劃》的發(fā)布時間，根據(jù)當時工信部《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》，該新建數(shù)據(jù)中心僅要求PUE小于1.5。本文通過對該項目設(shè)計工況下的PUE進行分析計算，從設(shè)計的角度研究該數(shù)據(jù)中心PUE降至1.4以下的可行性，并提出優(yōu)化方案。

1 項目概況

某銀行新建數(shù)據(jù)中心位于上海市，該項目包括一棟數(shù)據(jù)中心及一棟辦公大樓，按照國家標準A級數(shù)據(jù)機房設(shè)計[5]。其中，數(shù)據(jù)中心為4層建筑，共設(shè)有7間標準的數(shù)據(jù)機房，每間標準數(shù)據(jù)機房按130臺IT機柜設(shè)計，單個IT機柜額定功率為4kW，數(shù)據(jù)中心2~4層每層均設(shè)有2個運營商機房，每個運營商機房設(shè)有5臺功率為5kW的運營商機柜，數(shù)據(jù)機房大樓共設(shè)置有910臺IT機柜及30臺運營商機柜，機柜總裝機容量為3790kW。

本項目制冷系統(tǒng)采用離心式水冷冷水機組作為冷源，共設(shè)置3+1套制冷單元（三用一備），制冷設(shè)備按N＋1冗余配置，系統(tǒng)可提供連續(xù)供冷，并滿足在線維護的需求。根據(jù)數(shù)據(jù)機房及輔助用房的散熱量，每套制冷單元由一臺750RT的離心式冷水機組、一臺變頻冷卻水泵、一臺變頻冷凍水泵、一臺板式換熱器、一臺冷卻塔及配套設(shè)備組成。其中，配套設(shè)備的能耗極小，在總能耗中可忽略不計。

根據(jù)PUE的計算原則[3]，本項目辦公大樓的能耗不計入PUE能耗計算，僅對數(shù)據(jù)中心大樓進行相關(guān)的能耗分析。

該數(shù)據(jù)中心設(shè)計為全年不間斷運行，其總能耗可大致分為IT設(shè)備能耗、輸配電能耗、照明及自控系統(tǒng)能耗、制冷系統(tǒng)能耗、輔助能耗幾大類。其中，數(shù)據(jù)中心總能耗測量點設(shè)在變壓器的低壓側(cè)[3]，因此計算中不考慮變壓器及其線路損耗，輸配電能耗部分主要考慮UPS損耗，由于該項難以直接測量，通常采用估算確定[6]，根據(jù)電氣提供的估算指標，滿載時按6%考慮。假定數(shù)據(jù)中心全年滿負荷運行，根據(jù)本項目的設(shè)計輸入?yún)?shù)，本項目各項能耗數(shù)據(jù)如表一所示。

表1 數(shù)據(jù)中心主要能耗

2 制冷系統(tǒng)的運行模式

本項目采用離心式水冷冷水機組+板式換熱器+冷卻塔的傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)的運行模式分三種：冷機制冷模式、預(yù)冷模式、自然冷卻模式。各模式的轉(zhuǎn)換由單元控制器根據(jù)室外空氣濕球溫度TWB、冷卻塔風機負荷、冷水機組及板式換熱器的運行狀況綜合確定。本項目設(shè)計的冷凍水供回水溫度為12/17℃。

2.1 冷機制冷模式

2.2 冷卻塔的運行控制

當TWB降低時，系統(tǒng)優(yōu)先調(diào)節(jié)冷卻塔風機來進行節(jié)能控制。在所有的運行模式下，冷卻塔風機采用統(tǒng)一的運行頻率，當冷卻塔持續(xù)10分鐘連續(xù)運行在45Hz以上，則增加一臺運行的冷卻塔，直到所有的冷卻塔均投入運行。當冷卻塔持續(xù)10分鐘以上運行在最低設(shè)定運行頻率30Hz，則減少一臺運行的冷卻塔。當冷卻塔加減機運行臺數(shù)小于冷卻水泵的運行臺數(shù)時，卸載冷卻塔時只關(guān)閉風機，不關(guān)閉冷卻塔的供回水閥門。

2.3 預(yù)冷模式

表2 750RT離心式冷水機組部分負荷性能參數(shù)表

2.4 自然冷卻模式

自然冷卻模式下，冷卻塔的控制輸入值將從換熱器的冷卻水出水溫度（冷機進水溫度）切換至換熱器冷凍水出水溫度，以維持冷凍水供水溫度為12℃。當換熱器冷凍水出水溫度高于設(shè)定值0.5℃達15分鐘時，制冷系統(tǒng)將切換回到預(yù)冷模式，同時冷卻塔控制輸入值從換熱器冷凍水供水溫度切換回換熱器冷卻水出水溫度，以維持板換冷卻水出水溫度設(shè)定值。

在自然冷卻模式下，冷水機組能耗為零，制冷系統(tǒng)能耗僅包含冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵及輔助設(shè)備，此工況的運行時間越長，系統(tǒng)節(jié)能效果越顯著。

3 設(shè)計工況下制冷系統(tǒng)的能耗分析

圖1 上海市全年室外濕球溫度分布

圖2 上海市全年室外濕球溫度小時數(shù)

根據(jù)制冷系統(tǒng)的運行模式可知，TWB是決定制冷系統(tǒng)能耗的主要參數(shù)。上海市屬于夏熱冬冷地區(qū)，圖1為上海市典型氣象年的全年室外濕球溫度參數(shù)變化。根據(jù)圖1可以統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到各濕球溫度的全年小時數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

假定數(shù)據(jù)機房全年滿負荷運行，則冷卻水泵和冷凍水泵可按定流量考慮（同時考慮預(yù)冷模式下水泵揚程增加的影響），TWB主要影響冷水機組的COP、冷卻塔的風扇功率及各模式的運行時長。根據(jù)某品牌750RT離心式水冷冷水機組的性能參數(shù)，結(jié)合文獻資料計算得到各濕球溫度下冷水機組的滿載COP值[7]，如圖3所示。基于以上簡化假設(shè)，依據(jù)溫頻法（BIN method）[8]，結(jié)合TWB對各制冷設(shè)備性能的影響，可推得公式（2）~（4），并以此建立簡化計算模型。該模型根據(jù)不同室外濕球溫度下的各設(shè)備性能以及室外濕球溫度的頻率數(shù)，累加后可得到制冷系統(tǒng)全年的總能耗。

圖3 冷水機組滿載COP隨TWB變化曲線

冷水機組的全年能耗（kWh）：

水泵的全年能耗（kWh）：

冷卻塔的全年能耗（kWh）：

式中：Q為冷水機組在某一室外空氣濕球溫度值的制冷量，kW；COP為冷水機組在某一室外空氣濕球溫度值的COP值；Q為水泵在某一室外空氣濕球溫度值的流量，m3/s；H為水泵在某一室外空氣濕球溫度值的揚程，m；P為冷卻塔在某一室外空氣濕球溫度值的額定功率，kW；f為某一室外空氣濕球溫度值的年小時頻率值，h。

根據(jù)模型計算后得到12/17℃工況下的全年能耗數(shù)據(jù)，如圖4所示。同時，根據(jù)公式（1）計算得到此工況下PUE值為1.459，滿足該項目設(shè)計時上海市對新建數(shù)據(jù)中心PUE＜1.5的要求。從圖4也可以看出，除IT設(shè)備能耗外，制冷系統(tǒng)及空調(diào)末端的能耗在總能耗中占比最大，因此，提高制冷系統(tǒng)的能源利用率對提高數(shù)據(jù)中心的PUE至關(guān)重要。

圖4 數(shù)據(jù)中心全年能耗統(tǒng)計

圖5為不設(shè)計預(yù)冷工況的系統(tǒng)與設(shè)計有預(yù)冷工況的系統(tǒng)的全年能耗對比。從圖中可以看出，雖然預(yù)冷工況下水泵和冷卻塔能耗有所增加，但冷水機組的節(jié)能效果更為明顯，預(yù)冷工況全年可節(jié)約能耗約24.6萬kWh，數(shù)據(jù)中心PUE可由1.467降低至1.459。因此，雖然預(yù)冷工況增加了水泵、管路及控制閥門的初投資，但是其節(jié)能效果顯著，投資回報周期短，應(yīng)作為必要的節(jié)能措施。

圖5 冷水機組預(yù)冷與無預(yù)冷工況的全年能耗對比

4 系統(tǒng)優(yōu)化策略研究

為滿足《計劃》中存量數(shù)據(jù)中心PUE≤1.4的要求，尚需要對本項目的系統(tǒng)設(shè)計進行優(yōu)化研究，分析其PUE達到1.4的可能性及本項目的最優(yōu)供回水溫度。

4.1 冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)

表3 750RT離心式冷水機組變工況性能參數(shù)表

圖6 冷水機組COP隨冷凍水供水溫度變化情況

圖7 制冷系統(tǒng)全年能耗隨變化情況

圖8 PUE隨變化情況

4.2 高溫型冷水機組

對于常規(guī)的離心式水冷冷水機組，在較高蒸發(fā)溫度工作時，蒸發(fā)溫度的升高會導(dǎo)致機組壓縮機壓比降低，壓縮機的級效率下降，導(dǎo)致機組將無法正常運行。如需16℃及以上的供水溫度，須采用高溫型冷水機組。高溫型冷水機組的出水溫度范圍可從12℃調(diào)節(jié)至20℃，根據(jù)研究，機組的COP性能通常在16℃左右達到峰值[9]。

根據(jù)《高出水溫度冷水機組》，750RT的離心式冷水機組在16℃出水溫度的COP要求為7.5[10]。假設(shè)實際產(chǎn)品性能較標準提高6%，根據(jù)計算可以得到供水溫度16~19℃、供回水溫差為5℃時的PUE值，結(jié)果如圖9所示。

圖9 高溫型冷水機組PUE隨變化情況

4.3 冷凍水供回水溫差調(diào)節(jié)

增大冷水機組的冷凍水供回水溫差是公共建筑中常見的節(jié)能方案，增大供回水溫差會導(dǎo)致蒸發(fā)溫度的下降，降低冷水機組的COP，但是同時也降低了系統(tǒng)的循環(huán)水流量，減少了水泵的揚程和耗電量。通常情況下，增大冷凍水的供回水溫差對系統(tǒng)整體是節(jié)能的。因此，本項目可考慮通過調(diào)節(jié)冷凍水的供回水溫差并更換冷凍水泵來實現(xiàn)進一步節(jié)能。

根據(jù)研究，5排表冷器的機房精密空調(diào)供回水溫差理論上可達到6.28℃[11]，由于更換精密空調(diào)的成本較高，暫不考慮將供回水溫差提至7℃。根據(jù)本項目的設(shè)計，可將冷凍水供水溫度維持在15℃，回水溫度升至21℃，冷卻水供回水溫度保持不變，此時，冷水機組的COP由8.82下降至7.38，冷凍水泵功率由225kW下降至165kW。增大冷凍水供回水溫差至6℃后，制冷系統(tǒng)的能耗如圖10所示，冷水機組全年能耗增加約2.92萬kWh，冷凍水泵能耗下降約48.06萬kWh，累計全年可節(jié)約能耗約45.14萬kWh。

在15/21℃工況下，計算得到數(shù)據(jù)中心PUE為1.409，已非常接近《計劃》中PUE≤1.4的要求。可得本項目的最優(yōu)冷凍水供回水溫度為15/21℃。為了進一步降低PUE值，可考慮將離心式冷水機組更換為高性能的型號，本項目選型的冷水機組國標工況COP為5.90[12]，根據(jù)計算，當冷水機組COP比節(jié)能規(guī)范要求提高6%（6.255）和12%（6.608）時，PUE值分別為1.404和1.399，可知改用高性能的離心式水冷冷水機組可滿足PUE≤1.4的要求，但更換冷水機組的改造成本較高，需綜合考慮。

圖10 冷凍水溫差對能耗的影響

5 結(jié)論

根據(jù)《計劃》，上海市要求存量改造數(shù)據(jù)中心PUE不高于1.4，新建數(shù)據(jù)中心PUE限制在1.3以下。本文通過對上海市某銀行數(shù)據(jù)中心的能耗進行理論分析計算，在上海市的氣候條件下，得出以下結(jié)論：

（1）PUE隨冷凍水供水溫度升高而降低，當冷凍水供回水溫度由12/17℃升高到15/20℃時，本項目PUE由1.459降低至1.424。

（2）改用高溫型的離心式冷水機組進一步提高冷凍水供水溫度的節(jié)能效果并不明顯，當提高冷凍水供水溫度至19℃時，計算得到的PUE為1.421，與15/20℃工況接近。

（3）增大供回水溫差可以有效降低PUE，當冷凍水供回水溫度由12/17℃升高到15/21℃，可將PUE由1.459降低至1.409。

（4）如采用高性能的離心式冷水機組，當冷水機組的標準工況COP≥6.608時，在15/21℃工況下計算得到PUE為1.399，可滿足《計劃》的要求，但此方案整體改造成本過高。

（5）終上所述可知，在上海市的氣候條件下，15/21℃為本數(shù)據(jù)中心最優(yōu)的冷凍水供回水溫度。

由于本研究為針對設(shè)計工況的理論計算，而實際運行中，設(shè)備機柜有可能非滿載運行，此時，冷水機組、水泵等設(shè)備功率低于設(shè)計值，PUE計算公式中的分子和分母將同時變小，實際運行的PUE值需待本項目投入運行后進行實測分析，并根據(jù)項目的實際運行情況判斷是否有必要對冷水機組進行改造，以滿足實際工程的要求。

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Optimization of an IDC Center Cooling System Based on PUE Analysis

Su Zhi

( Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd., Shanghai, 200092 )

The requirement for the PUE of the existing IDC center in shanghai is under 1.4. In this paper, A mathematical model is established for the calculation of PUE. The model is applied to the analysis of an IDC center in shanghai. The result shows that in the original design condition the PUE of this IDC center is 1.459, and the optimization research shows that the achievement of PUE value 1.4 is possible. The results in the paper provide reference to similar project.

Data center; PUE; Water temperature; System optimization

TU831

A

1671-6612（2021）02-162-05

蘇 志（1988.11-），男，碩士，工程師，E-mail：33sz@tjad.cn

2021-02-06