數據中心水蓄冷削峰填谷的經濟性分析

文_張新昌 郭世鵬 王亞澤 盛永亮 北京環渤高科能源技術有限公司

數據中心是為集中放置的電子信息設備提供運行環境的建筑場所，其建筑耗能巨大，對應的建筑發熱量也特別大。隨著云計算的迅速發展，全社會對數據中心的需求量增加特別迅速，數據中心朝著大型化、集中化的方向發展。由于水冷式集中空調系統對建筑形式的適應性，目前國內大中型數據中心普遍采用水冷冷凍水空調系統。

由于數據中心空調系統的特殊性，其對應空調系統削峰填谷的設計理論和經濟性的計算分析，與其他行業建筑空調系統削峰填谷相比有很大的不同。本文結合數據中心的特點，針對大型數據中心水冷冷凍水空調系統的常用工況，計算在全年運行工況下，北京地區、上海地區和廣州地區數據中心削峰填谷的投資回收期，分析其經濟性是否合理。

1 數據中心常用的水冷式集中空調系統

1.1 數據中心常用水蓄冷系統

數據中心水冷冷凍水空調系統采用的蓄冷罐一般分為閉式承壓蓄冷罐和開式蓄冷罐，由于閉式蓄冷罐的成本比較高，一般應用于規模比較小的空調系統；規模比較大的空調系統一般應用開式蓄冷罐。

為了保證數據中心的持續供冷，一次泵空調系統常采用閉式蓄冷罐；二次泵系統常采用開式蓄冷罐。由于二次泵系統配置開式蓄冷罐，可以實現在線無切換模式的持續供冷，同時成本比較低，是目前大型數據中心冷凍水空調系統持續供冷的常用配置。

本文主要討論在原有持續供冷蓄冷罐的基礎上，增大了蓄冷罐用于削峰填谷的容積，利用峰谷電價差來降低數據中心運行費用。

1.2 數據中心常用削峰填谷系統

數據中心設計規范規定，A級數據中心空調系統主設備（含冷卻塔、水泵、冷水機組、板式換熱器）需要冗余備份，其主要的制冷設備設置為N+1，其中有1組設備備用。目前數據中心一般采用3+1或者4+1的冗余設置。制冷單元采用4+1系統冗余，制冷單元彼此獨立；二次泵和末端形成一個獨立循環單元；蓄冷罐、制冷單元、末端系統彼此連接形成完整的空調系統。

由于數據中心空調系統設置了一定的冗余，另外考慮到安全因素，數據中心實際運行負荷一般低于設計負荷。考慮利用冗余設備，在夜間電價谷值時，為蓄冷罐進行蓄冷；在白天電價峰值時，利用蓄冷罐的蓄水來為機房供冷，節省運行費用。在這種運行策略下，僅僅只需要增加蓄冷罐的水容積，而主要制冷設備數量和參數基本保持不變。因此在增加最小投資的基礎上，分析數據中心空調系統采用水蓄冷削峰填谷措施后，是否具有良好的經濟性。

2 數據中心削峰填谷的應用工況分析

2.1 典型城市的電價分析

本節重點分析中國三大城市（北京、上海、廣州）的峰谷電價差，以10kV工業用電為電價為典型參考值，來分析數據中心采用水蓄冷削峰填谷措施的經濟性。表1為中國三大典型地區的峰谷電價差，可以看出，峰值的電費約為谷段電費的4倍。數據中心全年運行，良好的峰谷電價差可以提高數據中心削峰填谷應用的經濟性。

2.2 數據中心水蓄冷削峰填谷運行策略

從表1可以看出，上海地區非夏季工況下，每天高峰時間為6h；廣州地區每天高峰時間也為6h。為了達到最佳的投資回收比，利用峰谷電價差實際最長的情況，本文設置蓄冷罐所增加的蓄冷量為空調系統白天放冷時間6h所需要的冷量。

表1 三大城市不同季節和時段的電價表

在數據中心實際運行過程中，具體運行策略如表2所示。一般數據中心的平均負載率均低于設計滿負載的70%。本文計算過程中，進行如下假定：空調系統設計滿負載流量為Q，系統平均負載率為設計滿負載的70%。制冷單元為4+1配置，制冷單元的最大運行流量為1.25Q。平段時間，蓄冷罐為定壓旁通設備，旁通流量為系統運行所需流量的10%。

系統全天運行流量與時間關系如表2所示。

表2 空調系統不同時段流量表

從表2可以得出，在不增加制冷單元設備容量情況下，系統平均負載率為70%時，蓄冷罐通過夜間7.6h的蓄冷，能保證系統白天峰段時間6h的放冷需求。

2.3 數據中心削峰填谷冷源系統能耗分析

根據大量數據中心項目配置，建立一個數據中心常用模型，分析數據中心削峰填谷的能耗情況及經濟性。其模型主要設置條件如下：數據中心設計配置3000個5kW的IT機柜；數據中心全部IT設備的平均負載率為滿負載的70%。

工況一：蓄冷罐僅僅考慮15min的應急供冷。

工況二：空調系統采用削峰填谷兼應急供冷設計，蓄冷罐增加白天峰段時間6h的放冷量。

根據上述設定條件，數據中心空調系統的主要設備配置如表3所示。

表3 常用工況下某數據中心空調系統主要設備配置表

在計算數據中心冷源系統全年功耗過程中，由于室外氣象參數的變化，會造成冷源系統全年的功耗計算比較復雜。數據中心項目進行節能分析時宜采取簡易方案，把全年制冷系統運行劃分為3個階段，分別為夏季完全機械制冷階段、冬季完全自然冷卻階段、過渡季部分自然冷卻階段。3個階段中冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵的運行功率可都取額定功率，冷水機組的運行功率分別取100%、0%和50%的額定功率測算，三階段功耗指標與運行小時占全年權重乘積相加，即可得到全年的能耗數據。另外為了簡易計算，假定某一天內，冷卻塔功率和冷水機組功率不受室外氣象參數的影響，僅受到全年季節變化的影響。

本文計算工況中，實際系統并不是滿負荷運行，由于系統的制冷單元比較多，且目前數據中心設備配置變頻裝置來節能運行。可以簡化認為冷源系統的cop值不隨系統負載率的變化而變化。實際運行過程中，可以通過調節制冷單元的組數和設備運行的頻率來保證系統運行的節能性。

冷源系統制冷單元的制冷量、功率及COP如表4所示。

表4 冷源系統制冷單元相關參數表

結合制冷單元不同季節的COP值，可計算表5中蓄冷罐在全年某一天內蓄冷過程中的耗電量，通過累計計算一年內白天和夜間的電費差值，即可得出空調系統采用削峰填谷措施后，全年運行的節省費用。

表5為上述模型中削峰填谷蓄冷罐的運行參數，及其在不同季節每天夜間蓄冷所消耗的電量值。

表5 蓄冷罐能耗相關參數表

2.4 數據中心水蓄冷削峰填谷的經濟性分析

由于不同地區的氣象差異性，導致不同地區數據中心空調系統削峰填谷的利用時間不同（見表6）。根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中的年逐時氣象參數，可以統計得出北京、上海、廣州地區分別在夏季、過度季節中削峰填谷的使用天數，然后乘以每天節約的電費額，可以計算出使用削峰填谷后，空調系統全年節省的費用（見表7）。

表6 不同地區不同運行模式下的時間表

表7 不同地區，采用水蓄冷進行削峰填谷節省費用計算表

備注：1.北京地區的電價費用對應的夏季尖峰為7月和8月，期間每天有3h尖峰，因為此模型一天內削峰填谷時長為6h，所以，此模型中尖峰時間為31d，夏季模式高峰時間有99d。上海電費對應的夏季為7、8、9月。

2.冷源系統運行模式的夏季模式指冷水機組負荷平均率100%運行模式，過度季節模式指冷水機組的負荷平均率為50%。

結合表3中蓄冷罐的參數及表7運行費用，可以計算不同地區空調系統采用削峰填谷后的靜態投資回收期，具體的計算值如表8所示。

表8 空調系統削峰填谷投資分析表

從表8計算結果可以看出，在北京、上海和廣州地區，目前大型數據中心空調系統采用削峰填谷蓄冷罐，結合數據中心的實際運行工況，利用峰谷電價差，具有良好的經濟效益。

3 結語

大型數據中心采用冷凍水二次泵空調系統，可以考慮利用冗余設備為蓄冷罐進行充放冷，不增加制冷系統的投資，僅增加蓄冷罐的容積即可。

大型數據中心采用削峰填谷蓄冷罐，在機房平均負載率不高于設計滿負載70%的情況下，可以考慮夜間利用冗余冷量蓄冷7.6h，轉移白天6h的末端負荷，不用增加制冷系統的投資。

在北京、上海、廣州地區，大型數據中心采用削峰填谷蓄冷罐，結合數據中心的實際運行工況，利用峰谷電價差，具有良好的經濟效益。