水蓄冷在珠三角地區數據中心應用的節能潛力分析

董梓駿,黃 俊,邵雙全,楊明洪,王 博

(華中科技大學 能源與動力工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

近年來,數字化技術不斷普及,作為數字化時代“新基建”的數據中心,將成為中國在全球價值鏈中向上發展的核心[1-3]。2021年5月24日,國家首次提出“東數西算”工程,在粵港澳大灣區等8地啟動建設國家算力樞紐節點,并規劃了10個國家數據中心集群。隨著數據中心規模的不斷擴大,其能耗與運行成本也在不斷攀升[4-6]。據統計,截至2020年,全球大規模數據中心的數量已達到540多個,還有數百個正處于開發之中[7],其中中國占比10%,位居全球第二,數據中心年用電量已突破2 000 億kW·h, 占全社會用電量的2.71%[8]。數據中心的主要用電設備包括IT設備、冷卻設備以及供電和配電設備[9],其中冷卻設備耗能占數據中心總能耗的30%～40%[10-11]。同時,數據中心設備的緊湊化,機架功率密度的增加,對制冷空調提出了更高的要求[12-14]。因此,探求高能效比(coefficient of performance,COP)、低電源使用效率(power usage effectiveness,PUE)的制冷方式已成為“雙碳”目標下建設綠色數據中心的重要途徑[15-18]。

蓄冷系統與分時電價政策相結合,利用電力需求低谷、低電價時段進行蓄冷,在電力需求高峰、高電價時段釋冷供應空調系統需求,可有效均衡城市電網負荷,起到“削峰填谷”的作用。水的比熱大、相變潛熱大,在顯熱蓄冷和相變蓄冷中都是優良的天然環保工質,在蓄冷系統中得到了廣泛的應用。水蓄冷制冷系統由制冷機組、蓄冷槽、蓄冷水泵和板式換熱器組成。蓄冷槽是水蓄冷系統的關鍵設備,主要分為自然分層式蓄冷、復合蓄冷槽蓄冷、迷宮式蓄冷和隔膜式蓄冷。溫嘉權等以夏熱冬暖地區某機場航站樓為例,對比研究了水蓄冷、冰蓄冷和普通常規空調的經濟效益與可行性,得出水蓄冷系統節省運行費用效果顯著[19]。任萬輝等以臨沂和諧廣場項目為例,介紹水蓄冷空調應用于商業綜合體的設計方法和運行策略,得出水蓄冷系統可以有效緩解電網壓力,調荷節電效果顯著[20]。羅苗苗等以北京市某數據中心水蓄冷系統為例,介紹了數據中心利用蓄冷罐實現負荷削峰填谷,并分析了水蓄冷系統節電、節水等應用效果[21]。

對于數據中心冷卻系統,其要求冷凍水供水溫度較高,無論是同需要較低冷凍水溫度的公共建筑相比,還是同靜態冰(如冰盤管、冰球等)、流態冰(如冰漿等)蓄冷技術相比,水蓄冷技術都與其有著更高的匹配度[22-23]。目前針對于南方沿海地區數據中心水蓄冷系統的分析較少。因此,本文以珠三角地區數據中心的水蓄冷系統為例,建立數據中心采用水蓄冷技術的系統模型,優化了運行控制方案,分析水蓄冷空調系統節電、降耗的應用效果。

1 系統架構與模型

1.1 制冷系統原理

珠三角地區數據中心傳統制冷系統采用制冷機組、水泵和冷卻塔全并聯、互為備用的形式。制冷機組制取冷凍水,冷凍水泵將冷凍水送往機房空調,通過板式換熱器為室內末端輸送冷量。上述制冷機組可滿足數據中心全年的供冷負荷需求,為用戶側提供的冷凍水溫度維持在16～22 ℃。

圖1給出了在傳統制冷系統上增加了水蓄冷部分的蓄冷系統原理圖,可運行于以下模式:

1) 冷機單獨供冷:冷機1開啟,冷機2關閉。 V2、V3打開,其余閥門關閉。制冷系統正常運行。

2) 單獨釋冷供冷:冷機1、冷機2關閉。V1、V6、V7打開,其余閥門關閉。蓄水罐里的冷水在釋冷水泵的驅動下依次經過V6進入室內末端,在機房空調供冷后,依次通過V7、V1回到蓄水罐。

3) 邊蓄邊供:冷機1、冷機2開啟。V6、V7關閉,其余閥門打開。冷機1制取的冷水經過冷凍水泵進入室內末端,在機房空調供冷,高溫水經過V3回到冷機1,冷機2制取的冷水通過蓄冷水泵向蓄水罐蓄冷,高溫水經過V1、V5回到冷機2。

4) 直蓄直供:當室外溫度較低時,冷機1、冷機2關閉,冷卻水直接通過水水換熱器降低冷凍水溫度以供冷和蓄冷。

以上4種運行模式能夠保證室內末端負荷需求,并可優化控制使得系統高效運行。

圖 1 水蓄冷系統示意圖Fig.1 Water cold storage system diagram

1.2 制冷機組模型

評價冷源制冷效率的性能指標是制冷系數COP,是指單位功耗所能獲得的冷量。建立冷水機組數學模型是關于冷卻水進出口溫度、冷凍水進出口溫度、制冷系數COP等變量之間的函數關系。COP通常用負荷率、冷卻水進水溫度和冷凍水出水溫度的二次方程形式描述,如式(1)[24]所示:

(1)

式中:R是負荷率;Tc是冷卻水進水溫度,℃;Te是冷凍水出水溫度,℃。

將相應的工況數據代入式(1)后,算得a1,a2,…,a10,結果見表1。

表 1 計算參數

比較上述仿真結果與機組原來的COP,結果如圖2所示。

圖 2 仿真結果Fig.2 Simulation result

從圖2可以看出:仿真結果與機組COP有較好的吻合性。說明所得系數正確,可以用來計算機組在不同工況下的COP,從而根據能耗與COP之間的關系式計算某時刻的能耗。

1.3 冷卻塔模型

在風機作用下,溫度比較低的空氣與填料中的水進行熱交換,從而達到降低水溫的目的。利用室外干燥空氣近似可逆地制備冷水,出水極限溫度為室外空氣濕球溫度或露點溫度。

對于水冷型制冷機組,冷凝側依靠在管道內循環的水帶走冷凝器內冷媒的熱量,水把冷凝器內熱量帶走后,在水泵的作用下循環進入到冷卻塔,通過水在冷卻塔內的流動再把熱量傳遞給通過冷卻塔的空氣,然后再次進冷機冷凝器吸收熱量。根據該原理建立冷卻塔的模型。冷卻塔出水溫度公式[25]為

Tc=To-ηtower·{To-[Ts-ηl·(Ts-Td)]}

(2)

式中:Tc是冷卻塔出水溫度,即冷卻水入口溫度,℃;To是室外干球溫度,℃;ηtower是蒸發冷卻制備冷水裝置中直接蒸發冷卻模塊的水側效率,根據經驗取0.9;Ts是室外濕球溫度,℃;ηl是采用新風預冷的顯熱換熱裝置以室外露點溫度為冷風極限溫度的風側效率;Td是室外露點溫度,℃。

需要說明的是,在后續的計算過程中是以直接蒸發的冷卻塔進行的分析。

2 水蓄冷系統性能分析

2.1 珠三角地區氣象條件

珠三角地區全年氣象參數如圖3所示。據統計,全年氣溫較高,其中濕球溫度小于14 ℃小時數僅占比33.54%,且基本集中在冬季。因此,全年66.46%的時間都需要開啟冷機制冷,冷機功耗極大。

為了保證冷機的正常運行,當室外濕球溫度低于14 ℃時,關閉冷機,直接用冷卻水給冷凍水降溫。

圖 3 韶關地區全年氣象參數統計圖Fig.3 Statistical map of annual meteorological parameters in Shaoguan

2.2 計算方法

韶關地區的分時電價情況見表2,數據中心制冷系統的主要設備性能情況見表3。以7月1日13:00能耗計算為例:確定系統運行工況(制冷或蓄冷)以及室外溫度和負荷,依次計算冷卻水側溫度、制冷機組COP、制冷機組能耗、制冷機組耗電量。

表 2 分時電價

表 3 數據中心制冷系統主要設備性能

根據分時電價政策,該蓄冷系統在0:00—9:00采用模式C(邊蓄邊供),在9:00—10:00采用模式A(冷機單獨供冷),在10:00—19:00采用模式B(單獨釋冷供冷),在19:00—24:00采用模式A(冷機單獨供冷),在室外溫度較低時采用模式D(直蓄直供)。

2.3 典型日能耗分析

2.3.1 夏季典型日

1) 外溫情況。7月29日各時刻溫度與冷機COP如圖4所示。該日全天氣溫高,冷卻水溫度高,因此需要始終開啟冷機制冷蓄冷。

圖 4 溫度負荷分析Fig.4 Temperature and load analysis

2) 能耗分析。原系統和蓄冷系統能耗對比圖如圖5所示。從圖5的分析對比可得,使用蓄冷系統后,全天總能耗由26.13 MW·h減少為26.12 MW·h,總計減少0.06%。

圖 5 能耗分析Fig.5 Energy consumption analysis

3) 經濟性分析。當日的經濟性對比如圖6所示。由原系統和蓄冷系統電費的分析對比可得,使用蓄冷系統后,全天電費由1.24萬元減少為0.87萬元,總計減少30.27%。這天,采用蓄冷系統不僅減少了能耗,而且節約了電費。

圖 6 經濟性分析Fig.6 Economic analysis

2.3.2 春秋季典型日

1) 外溫情況。3月15日各時刻溫度與冷機COP如圖7所示。

圖 7 溫度負荷分析Fig.7 Temperature and load analysis

該日晚上氣溫低,白天氣溫高,因此晚上直接利用冷卻水制冷蓄冷,白天開啟冷機制冷。

2) 能耗分析。原系統和蓄冷系統能耗對比結果如圖8所示。由原系統和蓄冷系統的能耗分析對比可得,使用蓄冷系統后,全天總能耗由19.73 MW·h減少為17.12 MW·h,總計減少13.23%。

圖 8 能耗分析Fig.8 Energy consumption analysis

3) 經濟性分析。當日的經濟性對比如圖9所示。由原系統和蓄冷系統電費的分析對比可得,使用蓄冷系統后,全天電費由0.96萬元減少為0.65萬元,總計減少32.67%。在該日,采用蓄冷系統不僅減少了能耗,而且節約了電費。

圖 9 經濟性分析Fig.9 Economic analysis

2.3.3 冬季典型日

1) 外溫情況。1月20日各時刻溫度與冷機COP如圖10所示。

圖 10 溫度負荷分析Fig.10 Temperature and load analysis

該日全天氣溫低,因此可以始終直接利用冷卻水制冷蓄冷,不需要開啟冷機。

2) 能耗分析。原系統和蓄冷系統能耗對比結果如圖11所示。由原系統和蓄冷系統的能耗分析對比可得,使用蓄冷系統后,全天總能耗由14.00 MW·h增加為14.32 MW·h,總計增加2.29%。

圖 11 能耗分析Fig.11 Energy consumption analysis

3) 經濟性分析。當日的經濟性對比如圖12所示。由原系統和蓄冷系統電費的分析對比可得,使用蓄冷系統后,全天電費由0.63萬元減少為0.52萬元,總計減少17.03%。采用蓄冷系統會增大能耗,故可不采用蓄冷方案。

圖 12 經濟性分析Fig.12 Economic analysis

2.4 月度能耗分析

原系統和蓄冷系統能耗對比如圖13(a)所示。由原系統和蓄冷系統的能耗分析對比可得,使用蓄冷系統后,本月總能耗由782.05 MW·h增加為783.02 MW·h,總計增加0.12%。

該月的經濟性對比如圖13(b)所示。由原系統和蓄冷系統電費的分析對比可得,使用蓄冷系統后,本月電費由37.07萬元減少為26.06萬元,總計減少29.69%。本月采用蓄冷系統雖然沒有減少能耗,但是節約了電費。

(b) 經濟性分析

2.5 全年運行分析

2.5.1 能耗分析

評價數據中心能源效率的性能指標是PUE(power usage effectiveness),是指數據中心總能耗與IT設備能耗的比值。評價數據中心冷卻系統效率的性能指標是GCOP(general coefficient of performance),該系數在制冷機組性能系數COP的基礎上結合了數據中心冷卻系統其他設備能耗,是指數據中心總能耗和冷卻系統能耗的差值與冷卻系統能耗的比值。

圖14(a)和(b)分別給出了全年原系統和蓄冷系統的能耗構成。

(a) 原系統

(b) 蓄冷系統

從圖14可以看出:使用蓄冷系統后,全年總能耗由7 645.00 MW·h下降為7 513.23 MW·h,下降了1.72%,PUE和GCOP分別可以達到1.23和5.83,具有良好的節能效果和綠色前景。

2.5.2 經濟性分析

根據該數據中心的全年供冷需求,對原系統和水蓄冷系統的全年運行情況進行了分析,如圖15所示。原系統全年制冷耗電為354.01萬元,而改造后的水蓄冷系統供冷耗電僅為262.75萬元,電費降低了91.26萬元(合25.78%)。以上分析均說明通過水蓄冷系統的改造,可以達到較好的“削峰填谷”的效果,將白天電力高峰時段及平時段的負荷轉移到夜間電力低谷時段,一是夜間溫度較白天低,制冷機組運行效率有所提高,二是夜間的低谷電價可實現運行費用的大幅度降低。

圖 15 全年經濟性分析Fig.15 Annual economic analysis

3 結 論

1) 由于該數據中心具有足夠大的空間,滿足水蓄冷需要的條件,而且所需供冷溫度為16 ℃,與水蓄冷供冷溫度較為匹配,因此采用水蓄冷系統在夜間低溫時段蓄冷能夠保證制冷機組高效率運行。

2) 基于數據中心全天連續供冷且負荷比較穩定的特征,采用蓄冷系統,需要增加蓄冷機組等設備,初投資會有所增加;但是通過用戶側儲能,將白天電力高峰時段及平時段的冷負荷向夜間低谷時段轉移,可有效提升“削峰填谷”的效果,利用峰谷電價差以降低運行費用的效果顯著,全年運行費用較原系統相比可降低25.78%。

3) 從夏季、冬季、過渡季典型日以及典型月、全年的逐時運行情況來看,水蓄冷系統可較好地保證各個時段的用冷需求,且白天的電力消費大部分都轉移到夜間,實現了良好的節電效果。

4) 粵港澳大灣區晝夜溫差小,利用夜間低溫進行高效制冷或延長自然冷卻時間雖具有一定的節能效果,但是由于增加了蓄冷/釋冷水泵的能耗,節能效果不明顯,全年僅可降低1.72%,甚至在夏季會增加能耗,因此需要進一步優化系統配置。