數(shù)據(jù)中心雙冷源空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行方案研究

周謹(jǐn)

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

信息化與數(shù)字化的不斷發(fā)展帶動(dòng)了新基建的不斷發(fā)展，而數(shù)據(jù)中心則是新基建的重要組成。數(shù)據(jù)中心能耗高，其節(jié)能降耗受到更多關(guān)注。根據(jù)上海市政府發(fā)布了信息基礎(chǔ)設(shè)施的三年行動(dòng)計(jì)劃通知，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。數(shù)據(jù)中心能耗中，IT 設(shè)備、供配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)是主要的三個(gè)方面能耗。降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗是數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作的重要內(nèi)容。

1 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷特點(diǎn)分析

與常規(guī)空調(diào)不同，數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)負(fù)荷的顯著特點(diǎn)是來自數(shù)據(jù)處理設(shè)備的內(nèi)熱顯冷負(fù)荷很大而自身產(chǎn)生濕負(fù)荷非常小。數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)的主要空調(diào)負(fù)荷是設(shè)備負(fù)荷，占80%以上[1]。全年供冷運(yùn)行，設(shè)備冷負(fù)荷密度高，新風(fēng)負(fù)荷小，顯熱負(fù)荷大。數(shù)據(jù)中心要求空調(diào)機(jī)組必須全年制冷運(yùn)行，保證設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行[2]。數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗分為冷源、末端、新風(fēng)系統(tǒng)三部分。對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，新風(fēng)系統(tǒng)不僅是滿足房間供給新風(fēng)的需求，還可在冬季提供免費(fèi)冷源。但當(dāng)前很多數(shù)據(jù)中心新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)僅考慮新風(fēng)供給，大量采用低溫盤管除濕和后端加濕的方式，不僅浪費(fèi)大量能源用于恒溫恒濕，還無法有效利用室外免費(fèi)冷源。

2 當(dāng)前數(shù)據(jù)中心新風(fēng)系統(tǒng)的模式

為滿足數(shù)據(jù)中心內(nèi)部員工的新風(fēng)供給以及保證機(jī)房?jī)?nèi)部微正壓的需求，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)會(huì)配置新風(fēng)系統(tǒng)從室外引入新風(fēng)供給機(jī)房?jī)?nèi)。而由于室外空氣溫濕度不穩(wěn)定，與機(jī)房?jī)?nèi)近乎恒溫恒濕的要求差距非常大，因此，需要采用技術(shù)措施控制溫濕度。目前，數(shù)據(jù)中心的常規(guī)新風(fēng)機(jī)有三種方式：一是新風(fēng)系統(tǒng)用低溫盤管除濕，由房間內(nèi)的加濕器加濕；二是新風(fēng)系統(tǒng)用低溫盤管除濕，自身帶加濕系統(tǒng)；三是利用蒸發(fā)冷卻獲得低溫新風(fēng)。

新風(fēng)系統(tǒng)的低溫盤管的冷源包括兩類，一是新風(fēng)冷源為水冷冷源，即用數(shù)據(jù)中心自帶的低溫冷凍水供給。如圖1 所示，新風(fēng)盤管內(nèi)的冷凍水來自機(jī)房的冷凍機(jī)組，冷凍機(jī)組再將熱量通過冷卻塔或翅片散到室外。此技術(shù)路線常見于較老的數(shù)據(jù)中心，尤其是數(shù)據(jù)機(jī)房與辦公用房在同一個(gè)建筑內(nèi)時(shí)，為降低初投資，公用低溫冷凍水系統(tǒng)。此模式下，新風(fēng)機(jī)除濕量較大，應(yīng)對(duì)梅雨季節(jié)的室外高濕條件時(shí)效果較好。但由于利用的是低溫冷凍水（如7 ℃），導(dǎo)致整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)無法利用高溫冷凍水提高空調(diào)系統(tǒng)整體效率。

圖1 利用機(jī)房整體空調(diào)冷凍水的冷源形式示意圖

二是新風(fēng)機(jī)為氟冷盤管，即用單獨(dú)的風(fēng)冷機(jī)組提供低溫氟利昂。如圖2 所示，新風(fēng)盤管內(nèi)的氟利昂來自專用配套機(jī)組，由壓縮機(jī)升溫后通過翅片散到室外。此技術(shù)路線當(dāng)前較為常見，由于其為獨(dú)立控制，不對(duì)空調(diào)系統(tǒng)整體產(chǎn)生干擾和影響，維護(hù)和運(yùn)行都較為方便。但氟利昂制冷系統(tǒng)的通用問題是其盤管溫度較低（如3 ℃），導(dǎo)致除濕量較大，在非梅雨季節(jié)等特殊條件下，過量除濕導(dǎo)致新風(fēng)干燥，反而需要獨(dú)立加濕或自行加濕，浪費(fèi)能量。同時(shí)，若需要加大新風(fēng)供給，則無法良好調(diào)節(jié)。

圖2 獨(dú)立配置氟冷冷源的形式示意圖

三是采用蒸發(fā)冷卻的新風(fēng)模式。如圖3 所示，利用室外空氣噴淋后降溫得到低溫空氣，與室內(nèi)回風(fēng)混合或者不混合，再送風(fēng)到室內(nèi)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是充分利用室外免費(fèi)冷源，在冬季和靠近冬季的過渡季可以得到大量低溫的新風(fēng)，承擔(dān)部分機(jī)房?jī)?nèi)的冷負(fù)荷。但此方案在夏季等季節(jié)會(huì)向室內(nèi)送入大量高溫高濕的新風(fēng)，對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的除濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求較高，且?guī)斫Y(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 蒸發(fā)冷卻供給新風(fēng)示意圖

3 雙冷源調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組

為解決以上的傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)的問題，本文提出采用雙冷源調(diào)濕的技術(shù)路線（圖4），有效利用高溫冷源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)控濕。該技術(shù)適用于大型新建數(shù)據(jù)機(jī)房，冷水機(jī)組的COP 值較高。機(jī)組部分負(fù)荷時(shí)綜合能效指標(biāo)非常高，節(jié)能效果顯著。供給新風(fēng)機(jī)的冷水供回水溫度由7 ℃/12 ℃提高到14 ℃/19 ℃，大幅度提升空調(diào)系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率。采用變頻技術(shù)時(shí)部分負(fù)荷下綜合能效指標(biāo)非常高，機(jī)組的IPLV 可達(dá)到9.0 以上，節(jié)能效果顯著[3]。

圖4 雙冷源恒溫恒濕新風(fēng)機(jī)組原理圖

風(fēng)冷直膨式制冷機(jī)組在數(shù)據(jù)中心空調(diào)中普遍應(yīng)用，與之相比應(yīng)用自然冷卻的雙冷源制冷技術(shù)還處于技術(shù)成熟期和推廣應(yīng)用的階段，雙冷源制冷的主要特點(diǎn)有：

1）夏季，利用冷水機(jī)組制冷運(yùn)行，充分利用冷水機(jī)組夏天運(yùn)行高能效性特點(diǎn)。

2）冬季，充分利用室外自然冷源，通過自然冷卻換熱器供冷，無壓縮機(jī)運(yùn)行供冷，系統(tǒng)能效顯著提高。

3）過渡季節(jié)，無須開啟冷水機(jī)組，運(yùn)用直膨機(jī)對(duì)新風(fēng)進(jìn)行除濕，針對(duì)華東地區(qū)梅雨季在濕度控制除濕后利用冷凝熱再熱，送出25 ℃、8 g/kg 干空氣的干燥熱風(fēng)。

4 數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能方案分析

4.1 項(xiàng)目概況

以上海市某數(shù)據(jù)中心為例，建筑為混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積639 m2，其中包含小型機(jī)/存儲(chǔ)機(jī)房、服務(wù)器機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、運(yùn)營(yíng)商接入室、會(huì)議室及監(jiān)控室等。數(shù)據(jù)中心的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)、負(fù)荷及散熱量分別如表1、2 所示，數(shù)據(jù)中心機(jī)房總冷負(fù)荷為340.76 kW。根據(jù)IDC 數(shù)據(jù)中心的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，電子計(jì)算機(jī)房的新風(fēng)量保障室內(nèi)正壓即可。

表1 工藝性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2 空調(diào)方案分析

該數(shù)據(jù)機(jī)房采用冷卻水水冷+自然冷卻的空調(diào)系統(tǒng)方式。該系統(tǒng)主要由冷卻塔、一次側(cè)循環(huán)水泵、板式換熱器、二次側(cè)循環(huán)水泵及冷水機(jī)組組成。新鮮空氣、除濕加濕、除霾凈化由雙冷源調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)；室內(nèi)顯熱負(fù)荷由精密空調(diào)承擔(dān)。空調(diào)主供、回水管采用環(huán)狀管網(wǎng)，通過支管接至各層的專用空調(diào)機(jī)內(nèi)。

圖5 開式冷卻塔+板式換熱器供冷系統(tǒng)

冷源采用水冷式高溫冷凍水系統(tǒng)，并設(shè)置冷卻塔自然冷卻。選用變頻離心式冷水機(jī)組，機(jī)組的冷凍水進(jìn)/出水溫按22.5/17.5 ℃設(shè)計(jì)，冷卻塔按夏季極端最高濕球溫度30.1 ℃、進(jìn)/出水溫度37.0/32.0 ℃選型。冷卻水系統(tǒng)采用冷卻塔自然冷卻設(shè)計(jì)方案。配置冷卻塔+冷卻水泵+板式換熱器+冷凍水泵組成。設(shè)置2臺(tái)冷卻塔，采用1 用1 備。冷卻塔風(fēng)機(jī)定額控制：?jiǎn)蝹€(gè)系統(tǒng)配置4 臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)，臺(tái)數(shù)控制精度12.5%～100%。

機(jī)房空調(diào)末端采用下送風(fēng)冷凍水精密空調(diào)，進(jìn)回水溫度22.5/17.5 ℃。采用集中式新風(fēng)供給，選用雙冷源調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組，對(duì)機(jī)房提供新風(fēng)恒溫恒濕處理。

4.3 PUE 能效分析

4.3.1 提高冷凍水溫度的節(jié)能分析

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)可以使處理空調(diào)系統(tǒng)顯熱負(fù)荷的冷水溫度從傳統(tǒng)的7 ℃提高到17 ℃左右，冷凍水溫度提高到13 ℃時(shí)，基本能夠滿足其高于機(jī)房?jī)?nèi)回風(fēng)的露點(diǎn)溫度。冷凍水溫度每提高1 ℃，冷水機(jī)組的制冷效率可以提高3%左右，本設(shè)計(jì)中將冷凍供水溫度由7 ℃提高至17.5 ℃，冷水機(jī)組性能系數(shù)COP可達(dá)到8.9[5]。

4.3.2 PUE 分析

查閱上海地區(qū)整年氣象資料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)估計(jì)全年約有120 d 左右室外氣溫低于室內(nèi)溫度，無需開啟冷凍水機(jī)組，只需接通板式換熱器，利用室外免費(fèi)冷源，這種方式不僅可以節(jié)省能源還能提高壓縮的壽命。如果按3 個(gè)月時(shí)間計(jì)算，即每年的1 月、2 月和12 月為免費(fèi)供冷的時(shí)間。

由表2 可知，數(shù)據(jù)中心機(jī)房總冷負(fù)荷340.76kW，IT 負(fù)載總功率417 kW，合計(jì)功率458.72 kW。根據(jù)冷水機(jī)組COP 為8.9，估算出該空調(diào)系統(tǒng)COP 達(dá)到6.7，由此可以算出：空調(diào)制冷功率=340.76/6.7=50.9kW，數(shù)據(jù)中心總功率=458.72+50.9=509.62kW。

表2 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷及散熱量

由此可以得到數(shù)據(jù)中心PUE=509.62/417=1.22，因此在上海地區(qū)數(shù)據(jù)中心采用高溫冷水機(jī)組的溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)平均PUE 低于1.3 以下。

6 結(jié)語

數(shù)據(jù)機(jī)房項(xiàng)目發(fā)展很快，從低密度的數(shù)據(jù)機(jī)房發(fā)展到現(xiàn)階段的高密度數(shù)據(jù)機(jī)房，空調(diào)系統(tǒng)也不斷調(diào)整。本文介紹的上海市某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目案例將冷凍水溫度從12/7 ℃提高至22.5/17.5 ℃以及低溫季節(jié)運(yùn)用的自然冷卻方式可以節(jié)約能耗，降低成本。另外，雙冷源系統(tǒng)根據(jù)室外溫度與設(shè)定溫度的比較，可自動(dòng)(或手動(dòng)) 切換為冷凍水盤管工作或直接蒸發(fā)機(jī)組系統(tǒng)工作模式，從而大大提高了系統(tǒng)設(shè)備使用的靈活性。