某大型數據中心配套建筑冰蓄冷系統設計

王桂坤

(中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

1 工程概況

某大型數據中心位于東莞市，配套設置兩棟研發辦公樓，一棟宿舍樓和一棟食堂，總建筑面積為6.8×104m2。辦公、住宿及餐廳采用集中冷站作冷源，末端采用風機盤管加獨立新風系統，夏季供冷冷媒為7～12 ℃冷凍水。

2 設計方案

2.1 舒適性空調室內設計參數

舒適性空調室內設計參數如表1所示[1-3]。

表1 舒適性空調室內設計參數表

2.2 冷負荷計算

根據建筑物空間布局以及實際使用特點，經過詳細計算，辦公、住宿及餐廳等區域夏季供冷總冷負荷為7 101 kW。

2.3 冷源及管網

供冷系統冷源由兩臺永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況機組（單臺機組容量為700 RT）及一套冰蓄冷裝置（總蓄冰量≥7 800 RTH）共同提供。機組夜間制冰蓄冷（-2～-5 ℃ 25%乙二醇溶液），白天空調工況供冷（5～11 ℃ 25%乙二醇溶液），與蓄冰裝置均通過板式換熱器制取7～12 ℃冷水。對應設置4臺（3+1）乙二醇泵、3臺（2+1）冷卻水泵、4臺（3+1）冷凍水泵以及3臺板式換熱器，另外研發辦公樓屋頂設置兩臺開式冷卻塔。

離心式冰蓄冷雙工況機組、制冰裝置、水源熱泵機組、水泵、板式換熱器以及軟化水處理裝置等均設置在研發辦公樓地下室內。室外管網采用雙管制，直埋敷設接至宿舍樓及餐廳樓。

3 蓄冰系統

3.1 蓄冰方案比選

根據空調蓄冷運行策略，冰蓄冷空調可選擇全量冰蓄冷和分量冰蓄冷兩種方案。其中，全量冰蓄冷方案是指非電力低谷段供冷時間內所有冷負荷都由夜間低谷期蓄存冷量供應。分量冰蓄冷方案是指非谷段供冷時間內一部分冷負荷由夜間低谷期蓄存冷量供應，另一部分啟動冷水機組供應。該種方案能在很大程度上減少冷水機組裝機容量及蓄冷設備的容積，因而經濟性較好，但運行費用相對于全量蓄冷要高。

為最大限度減少裝機容量，本方案擬采用分量蓄冷方案。該方案采用主機優先運行策略，即冷水機組作為白天基本負載供冷，不足部分由冰蓄冷進行補充[4]。

3.2 設備選型

3.2.1 蓄冷主機

本系統蓄冰主機選用兩臺700 RT（空調工況）制冷主機，蓄冰工況制冷量為469 RT，蓄冰主機在夜間8 h蓄冰工況運行，機組夜間蓄冷輸出冷量為469×8×2=7 504 RTH。

3.2.2 蓄冰裝置

雙工況主機夜間低谷電期間運行制冰工況時制備的冷量通過載冷劑（25%體積比的乙二醇溶液）在蓄冰裝置內與水發生熱交換，水凝結成冰，儲存在蓄冰裝置內。在白天供冷時，同樣通過載冷劑，在蓄冰裝置內與冰發生熱交換從而獲取冷量，并將冷量通過板式換熱器傳遞至空調冷凍水。本系統設計選用蓄冰盤管，總蓄冰量≥7 500 RTH。

3.2.3 板式換熱器

此板式換熱器是將蓄冰系統中循環的乙二醇溶液與通往空調末端系統的冷凍水隔離，同時進行低溫乙二醇溶液與冷凍水之間的熱交換，產生末端所需的冷凍水。換熱量為單臺雙工況主機的空調工況負荷（700 RT），冷側（25%乙二醇溶液）5/11 ℃，熱側（水）7/12 ℃，共安置3臺。

3.2.4 冷卻塔和水泵

根據所選主機的冷凝器流量和進出溫度可知，冷卻塔流量為主機冷凝器流量的1.2～1.3倍。常用水泵包括冷凍水泵（板式換熱器與末端循環）和冷卻水泵兩種。

3.2.5 乙二醇水泵

由于本系統設計為主機上游串聯單泵系統，蓄冰工況及融冰工況都由乙二醇水泵提供流量，因此其參數必須依據上述兩種工況下系統的要求進行設計，選擇最大值方可滿足系統的整體要求。水泵流量按主機蒸發器最大流量選型，同時考慮25%乙二醇水溶液的粘度系數1.08。由于在聯合供冷情況下乙二醇溶液流經的設備及管路最多，因此在聯合供冷情況下水泵揚程最大，即蒸發器、蓄冰裝置、板換乙二醇側（一次側5/11 ℃）以及相應管道阻力之和。同時考慮到蓄冰及融冰的效果，水泵的流量及揚程在上述計算參數基礎上略為放大[5]。

冰蓄冷系機房設備配置詳細見表2。

表2 冰蓄冷系機房設備配置

3.3 經濟效益分析

3.3.1 蓄冰系統投資分析

蓄冰系統主要包含板式換熱器、乙二醇泵、蓄冰裝置、乙二醇純溶液、自動控制系統及相應的管道與設備等，該系統投資估算如表3所示。

表3 蓄冰系統投資估算

3.3.2 電費節約分析

本項目以東莞市大工業1～10 kV電價為計算依據，具體以實際實施政策為準。電價政策如表4所示。

表4 東莞市工業電價

電價低谷段用兩臺700 RT的雙工況主機蓄冷（制冰工況為469 RT）蓄冷8 h，總蓄冷量為469×2×8=7 504 RT，所耗的電量為（2×377+2×55+2×22）×8=7 264 kW·h，電費為7 264×0.170 1=1 235.6元。

白天運行時，制冷量為700 RT的主機運行效率約為90%，即630 RT，若白天制取7 504 RT的冷量，那么運行開機時間約為11.9 h。每小時所耗的電量約為433+75+55+22=585 kW。12個小時中，其中3個小時為電價高峰時間，電費為585×3×1.091 1=1 914.9元；9個小時為平時段，電費為585×9×0.680 5=3 582.8元。

故每天節約的電費為3 582.8+1 914.9-1 235.6=4 262.1元，年運行時間按270天計算，則每年可節約1.151×106元的運行電費。

3.3.3 投資回收分析

因建設冰蓄冷系統后可節省1臺700 RT的裝機容量，可降低主機、附屬設備及相關配電設施的投資額約為2.10×106元，減掉雙工況主機增加的投資，節約的投資約為1.80×106元。

4 結 論

本項目綜合考慮東莞氣候條件、電力資源及運行需求，空調冷源采用分量冰蓄冷系統，如此不僅使電力負荷削峰填谷，提高發電設備的年利用率，而且也保證了制冷機組滿負荷高效率運行，大大降低了空調系統的運行費用。本文針對夏季電力緊張地區供冷設計提出了一種切實可行的解決方案，對其他類似項目具有較高的參考價值。