數(shù)據(jù)中心大溫差水蓄冷技術節(jié)電應用

景 淼， 賈 峻， 楊 威

(北京電信規(guī)劃設計院有限公司，北京 100048)

0 前言

隨著互聯(lián)網和數(shù)字經濟的快速崛起，中國的數(shù)據(jù)中心建設實現(xiàn)了突飛猛進的增長。數(shù)據(jù)中心作為承載通信與IT信息系統(tǒng)的大腦與中樞，是數(shù)據(jù)集中處理、存儲、交換和管理的場所。由于數(shù)據(jù)中心安裝有大量的IT設備和機電系統(tǒng)設備，其用電功耗非常大，這也使得如何有效降低數(shù)據(jù)中心電費支出成為近年來行業(yè)的熱點問題。

大型數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)通常采用冷凍水系統(tǒng)，水蓄冷利用不同溫度下水的顯熱變化來儲存冷量，常作為大型數(shù)據(jù)中心的不間斷冷源。目前，我國多地實行峰谷電價，利用價格杠桿調節(jié)電力消費不均的狀況。因此本文著重研究在峰谷電價格政策背景下，通過水蓄冷移峰填谷技術為數(shù)據(jù)中心節(jié)省電費開支，采用大溫差水蓄冷技術的蓄冷裝置來降低蓄冷裝置造價、減少蓄冷裝置占地面積。

1 水蓄冷移峰填谷原理、分類

夜間低谷電價時，利用數(shù)據(jù)中心備用的冷水機組、水泵、冷卻塔為蓄冷裝置補充冷量，并在白天電價尖峰或高峰時刻將蓄冷量釋放，供空調系統(tǒng)使用。

常規(guī)水蓄冷是指水蓄冷系統(tǒng)供回水溫度與制冷系統(tǒng)水溫一致。而大溫差水蓄冷則是將水蓄冷系統(tǒng)的供回水溫差提高到10℃以上，減少蓄冷裝置容積。蓄冷裝置原理詳見圖1。

圖1 蓄冷裝置原理圖閥門控制要求：(1)夜間蓄冷工況：V1、V2、V4～V7：開；V3、V8：關；(2)峰時釋冷工況；V1、V2：關；V3、V4、V5、V8：開；V6、V7：調。

采用大溫差水蓄冷技術的數(shù)據(jù)中心，以空調系統(tǒng)冷凍水供/回水溫度12℃/18℃，備用冷機采用雙工況冷機為例。蓄冷時，蓄冷罐進水/出水溫度為7℃/18℃，蓄冷結束后蓄冷罐內水溫為7℃，水蓄冷溫差達到11℃。釋冷時，蓄冷罐內低溫冷水(7℃)與系統(tǒng)冷凍水回水(18℃)混合，提供12℃的冷凍水供水。大溫差水蓄冷技術控制相對復雜，自控系統(tǒng)、閥門調節(jié)精度需滿足系統(tǒng)運行要求。

2 項目案例

2.1 概況

北京某數(shù)據(jù)中心建筑面積為1.3萬m2，空調冷負荷為9 014kW。數(shù)據(jù)中心冷凍水供/回水溫度為12℃/18℃，受場地條件限制，蓄冷罐占地面積不能超過150m2。為利用峰谷電價差降低運行費用，減少蓄冷罐占地面積，本項目采用大溫差蓄冷技術。

2.2 冷源配置

冷源采用4臺離心式冷水機組，其中1臺冷水機組為雙工況機組，該機組既做為蓄冷時蓄冷用冷機，又做為空調系統(tǒng)備用冷機。蓄冷時，如制冷系統(tǒng)中主用冷機出現(xiàn)故障，雙工況冷機轉為主用冷機，系統(tǒng)停止蓄冷。常規(guī)冷機，冷凍水進/出水溫度為18℃/12℃，制冷量為3 024kW；雙工況冷機，冷凍水進/出水溫度為18℃/12℃時制冷量為3 024kW，冷凍水進/出水溫度為18℃/7℃時制冷量為2 077kW。

2.3 蓄冷罐配置

北京地區(qū)峰谷電價見表1。為了充分利用8h的低谷電，夜間開啟雙工況冷機為蓄冷罐充冷，電價峰值時開啟蓄冷罐釋冷，電制冷機停止運行。蓄冷罐蓄冷水溫為7℃。

北京地區(qū)電價 表1

蓄冷罐總蓄冷量Q總= Q移峰填谷+ Q不間斷；蓄冷罐移峰填谷蓄冷量Q移峰填谷=Q蓄冷量×T蓄冷；蓄冷罐提供的不間斷蓄冷量Q不間斷=Q空調冷負荷×T不間斷供冷；蓄冷罐調峰時間T調峰=Q移峰填谷/ Q空調冷負荷；蓄冷罐有效容積V有效= Q總/ (C × ρ ×Δt)。式中，Q移峰填谷為蓄冷罐移峰填谷蓄冷量；Q不間斷為蓄冷罐提供的不間斷蓄冷量；Q蓄冷量為冷機夜間蓄冷量；T蓄冷為冷機蓄冷時間，本項目取8h；T不間斷供冷為不間斷供冷時間，本項目取15min；V有效為蓄冷罐有效容積，m3；C為水的比熱，kJ/(kg·℃)； ρ為水的密度，kg/m3；△t為釋冷蓄冷溫差，本項目取11℃；Q總為蓄冷罐總蓄冷量，kW·h。本項目蓄冷罐有效容積為1 298.8m3，總蓄冷量為16 616kW·h，其中移峰填谷蓄冷量14 362.5kW·h，蓄冷罐調峰時間為1.6h。

3 案例分析

3.1 能耗分析

空調冷源系統(tǒng)運行模式分為電制冷模式、部分自然冷卻模式及完全自然冷卻模式。室外濕球溫度>13℃時，為電制冷模式，冷水機組供冷；8℃<室外濕球溫度≤13℃時，為部分自然冷卻模式，冷卻塔預冷+冷水機組部分供冷；室外濕球溫度≤8℃時，為完全自然冷卻模式，冷卻塔供冷。表2是該案例各模式下大溫差蓄冷系統(tǒng)的全年能耗。

各模式下系統(tǒng)全年能耗 表2

該案例大溫差蓄冷、常規(guī)蓄冷、無蓄冷時全年用電量對比如圖2所示。在蓄冷罐容積相同的情況下，采用常規(guī)蓄冷的空調系統(tǒng)，釋冷時蓄冷罐進/出水溫度為18℃/12℃，蓄冷罐總蓄冷量為9 063.5kW， 蓄冷系統(tǒng)調峰時間降低為45min，空調系統(tǒng)全年用電量為1 184.39kW·h，與大溫差蓄冷的全年用電量1 194.82 kW·h比較，減少1%。無蓄冷的空調系統(tǒng)全年用電量1 170.21kW·h，比大溫差蓄冷減少2%，比常規(guī)蓄冷減少1%。綜上，大溫差蓄冷、常規(guī)蓄冷全年用電量均大于無蓄冷系統(tǒng)，蓄冷技術并不節(jié)約電量。

圖2 三種蓄冷模式全年用電量對比

3.2 電費分析

與無蓄冷的空調系統(tǒng)相比，大溫差蓄冷技術利用89.95萬kW·h的低谷電，使尖峰及高峰用電減少65.34萬kW·h，實現(xiàn)移峰填谷，全年電費可減少32.26萬元，如表3所示。與常規(guī)蓄冷的空調系統(tǒng)相比，大溫差蓄冷技術利用45.24萬kW·h的低谷電，使尖峰及高峰電減少34.81萬kW·h，全年電費可減少18.20萬元，如表4所示。

大溫差蓄冷與無蓄冷空調冷源全年用電量、電費對比 表3

大溫差蓄冷與常規(guī)蓄冷空調冷源全年用電量、電費對比 表4

圖3所示為三種蓄冷模式空調冷源全年電費對比圖，本案例數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)采用大溫差蓄冷技術后，與無蓄冷相比全年節(jié)省電費4%，與常規(guī)蓄冷技術相比全年節(jié)省電費2%。綜上，采用蓄冷技術在實行峰谷電價差的地區(qū)可以節(jié)省電費。在蓄冷裝置占地面積有限時，采用大溫差蓄冷技術，全年運行電費更低。

圖3 三種蓄冷模式空調冷源全年電費對比

3.3 蓄冷裝置容積分析

在相同蓄冷量下，采用大溫差移峰填谷蓄冷技術時蓄冷裝置容積為1 298.8m2，常規(guī)蓄冷時蓄冷裝置容積為2 381.1m2，蓄冷裝置容積約降低45%。因此，大溫差移峰填谷蓄冷技術具有減少蓄冷裝置容積的優(yōu)勢，如圖4所示。

圖4 蓄冷裝置容積對比

4 結束語

建筑條件允許時，采用蓄冷罐移峰填谷技術可以節(jié)約運行費用。常規(guī)水蓄冷系統(tǒng)供回水溫度與制冷系統(tǒng)水溫一致，控制也更為簡單，但此時需要更大的蓄冷容積。