基于自然冷源的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能潛力的分析

孫海峰

（中國移動通信集團上海有限公司，上海200060）

基于自然冷源的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能潛力的分析

孫海峰

（中國移動通信集團上海有限公司，上海200060）

上海某數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)設(shè)計配置自然冷源，然后實際運營效果與理想設(shè)計方案存在較大差距，且制冷系統(tǒng)冷機、水泵等組件運行能耗高于設(shè)計值。經(jīng)作者現(xiàn)場調(diào)研并發(fā)現(xiàn)諸多實際問題，例如：冷卻水塔布水效率低，水系統(tǒng)管道阻力大，自然冷源與冷機無法精準切換等。為解決上述矛盾，本文從技術(shù)角度著手策劃制冷系統(tǒng)整體節(jié)能技術(shù)改造，以真正達到安全設(shè)計之初衷與節(jié)約降耗之目的。作者重點強調(diào)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)內(nèi)外平衡理念，關(guān)注系統(tǒng)整體運行能耗，通過改善冷卻塔換熱效果，降低管道局部阻力，優(yōu)化水泵組與主機組運行平衡，優(yōu)化自然冷源節(jié)能運行策略等方面，深度挖掘制冷系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

數(shù)據(jù)中心；自然冷源；節(jié)能；變頻；控制柜；噴嘴；改造

表1 制冷系統(tǒng)設(shè)備配置

1 數(shù)據(jù)中心自然冷源與冷機系統(tǒng)工作模式

自然冷源，也叫做Free Cooling，指全部或部分使用自然界的免費冷源進行制冷從而減少壓縮機或冷凍機消耗的能量。目前大型數(shù)據(jù)中心常用的免費冷源主要是冬季或過渡季的室外冷量，通過冷卻水塔、板式換熱器帶走室內(nèi)熱量。

自然冷源與冷機系統(tǒng)通常有三種工作模式，如圖1所示。1）完全冷機制冷：夏天完全靠冷機制冷，通過閥門控制使得板式換熱器不工作；2）完全自然冷卻：冬天時冷機關(guān)閉，通過閥門控制冷凍水和冷卻水只通過板式換熱器；3）部分自然冷卻：過渡季節(jié)時，冷卻水和冷凍水要首先經(jīng)過板式換熱器，預(yù)冷降溫后再留經(jīng)冷機，提高冷機運行效率。

2 某數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)運行評價

數(shù)據(jù)中心位于熱工分區(qū)夏熱冬冷A區(qū)的上海，機房總面積約4394m2，單機柜功耗3.5kW的機架844個，單機柜功耗4kW的機架1197個，共計2041個；機房區(qū)域配置機房專用空調(diào)CRAC滿足機房內(nèi)溫濕度要求。

制冷系統(tǒng)采用冷水機組和自然冷源并聯(lián)模式。其中，中央空調(diào)水系統(tǒng)由4臺冷水機組（3用1備）、4臺冷卻塔（3用1備）、4臺冷凍水泵（3用1備）和4臺冷卻水泵（3用1備）構(gòu)成；自然冷源由2臺冷卻塔，2個板式換熱器和2臺自然冷卻水泵組成。參照設(shè)計文檔，當(dāng)室外濕球溫度低于5℃，啟用自然冷源，減少冷水機組的開啟臺數(shù)甚至完全關(guān)閉冷水機組。當(dāng)室外濕球溫度高于5℃，開啟冷機制冷，冷機運行工況為供水9℃/回水15℃，冷卻水系統(tǒng)為32℃/37℃。

實際運營中發(fā)現(xiàn)問題如下：1）冷卻塔出水溫度33.5℃偏高，造成主機相對額定工況能耗偏高4.5%；2）冷卻塔進出水溫差小3.5℃，造成冷卻泵組相對額定工況能耗偏高6.3%；3）冷卻、冷凍泵組運行電流較高，造成泵組相對額定工況能耗偏高8%；4）Y型過濾器濾孔較大，過濾效果較差，造成泵組相對額定工況能耗偏高6.3%；5）自然冷源運行時間不到1300h較短，節(jié)能量比設(shè)計預(yù)測偏小35%。

原因初步分析:

（1）制冷系統(tǒng)冷卻塔組非共用，主機和冷卻塔一對一單獨對應(yīng)，制冷淡季時，冷卻塔利用率不高，閑置冷卻塔填料風(fēng)化嚴重。由于水壓自身的特性，冷卻水無法自動在冷卻塔間均勻分布，冷卻塔的填料利用率低，冷卻效果較差，當(dāng)蒸發(fā)溫度和冷機壓縮機轉(zhuǎn)數(shù)一定的情況下，冷凝溫度越高，制冷系數(shù)越小，耗電量就越大。另外，冷卻塔進出水溫差小，冷卻水流量需求大，造成冷卻泵能耗偏高。

（2）冷卻泵、冷凍泵無控制策略，無法根據(jù)實際負荷變流量運行。需要技術(shù)人員對監(jiān)測水溫、壓差沒有合理的手段，無法使水泵組工作在最佳運行區(qū)間，且泵組間無合適的組合運行狀態(tài)，容易造成磨損不平衡。

（3）水系統(tǒng)采樣Y型過濾器在使用中的局部阻力損耗達到1-3m，造成水泵能源浪費；且Y型過濾器為濾孔10目，過濾效果較差，保養(yǎng)難度大。

（4）在過渡季節(jié)和冬季狀況下，自然冷源利用時長較短，換熱器溫差小，換熱效率低，無法滿足數(shù)據(jù)機房末端的需求。設(shè)計切換點，即參數(shù)室外濕球溫度5℃，是否符合本地氣候特征和自然冷源實際運行工況有待商榷。

3 節(jié)能技改思路與措施

節(jié)能技改總體思路就是保障制冷系統(tǒng)安全運行的前提下，深挖節(jié)能潛力，將制冷系統(tǒng)的整體運行能耗下降作為抓手，針對單體設(shè)備短板和隱患節(jié)點有的放矢進行改造和升級。控制制冷系統(tǒng)整體運行能效入手，利用基于原有冷機自控系統(tǒng)，針對冷機運行能耗，冷卻水塔運行能耗，冷卻、冷凍水泵運行能耗和自然冷源運行邏輯，參照數(shù)據(jù)中心IT實際冷負荷和外界氣候條件進行總量控制。

3.1 冷卻水塔改造

冷卻水塔工作效率的高低直接影響整個中央空調(diào)系統(tǒng)的效率。

為保證冷卻水冷卻塔中均勻分布，塔群的每張?zhí)盍隙寄艿玫匠浞掷?。采用以下改造技術(shù)予以實現(xiàn)優(yōu)化運行。

3.1.1 水力穩(wěn)壓器

水力穩(wěn)壓器是實現(xiàn)各布水盤間均勻布水的設(shè)備。水力穩(wěn)壓器利用U型管原理，在冷卻水流量30～100%變化時，實現(xiàn)布水盤間的均勻分水。它構(gòu)造簡潔，不耗能，不易損，可以自動、實時、快速的進行調(diào)節(jié)。

3.1.2 變流量噴嘴

變流量噴嘴是實現(xiàn)布水盤內(nèi)均勻布水的設(shè)備。立式下水槽設(shè)計，進入布水盤的冷卻水首先形成積水，然后從每個下水孔流向填料。另外，由于立式下水槽的結(jié)構(gòu)特點，少量的雜物不會影響布水盤的使用。使得單臺冷卻塔的填料得到充分利用。通過水力穩(wěn)壓器和變流量噴嘴，冷卻塔可以自動實現(xiàn)均勻布水，冷卻塔的填料改造前后對比情況如圖5所示。大（不低于5度），冷卻塔的冷卻水出水溫度低（與濕球溫度的溫差年均在1.5-2度）。

3.2 循環(huán)水泵組改造

3.2.1 冷卻、冷凍水泵組改造

采用冷卻水能效系統(tǒng)進行自動控制，確保主機流量需求，并且實時跟蹤機組因負荷變化造成的加載、減載與最佳冷凝溫度，再參考冷卻塔的實際冷卻效果和能力，調(diào)整冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，使其揚程、流量達到最佳匹配狀態(tài)，保持冷卻水系統(tǒng)時刻處在最佳輸送系數(shù)范圍內(nèi)。

采用冷凍水能效系統(tǒng)確保主機冷凍水流量需求，結(jié)合實際負荷與主機運行工作需求，調(diào)整冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，使其揚程、流量達到最佳匹配狀態(tài)，保持冷凍水系統(tǒng)在最佳輸送系數(shù)范圍內(nèi)運行。

3.2.2 循環(huán)水系統(tǒng)過濾器改造

為了降低管道后期帶來的阻力問題，提高水泵效率，在冷卻水和冷凍水循環(huán)各使用集中式低阻力過濾器，替代原來全部的Y型過濾器。集中式低阻力過濾器阻力小，揚程損耗小于0.02m，有效節(jié)約水泵的能耗。

輸送300m3/h的水，管道阻力12.5m時，水泵需要的功率（18.5kW）是管道阻力32m時水泵所需功率（45 kW）的41%。過濾網(wǎng)目數(shù)大于20目，濾孔較Y型過濾器小，過濾效果更佳。

3.3 優(yōu)化自然冷源節(jié)能運行策略

3.3.1 依據(jù)內(nèi)部負荷和外界氣候調(diào)節(jié)

自然冷源運行模式可根據(jù)用戶室內(nèi)負荷需求和室外環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)。采用水冷空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時，可以關(guān)閉制冷機組，采用板式換熱器進行換熱。這樣減少了開啟冷機的時間，減少大量能源消耗。

見表3，兩個空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機組供冷和自然冷源的室外濕球溫度選取值不同，并且并聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)在過渡季節(jié)時效果不如串聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)效果好。

表2 集中式低阻力過濾器參數(shù)

表3 多冷源空調(diào)系統(tǒng)自然冷源切換溫度

3.3.2 調(diào)節(jié)供回水溫度差

見表4，兩個空調(diào)系統(tǒng)不同之處在于冷水機組供冷時的供回水溫度不同：并聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)冷凍水運行工況為9℃/15℃，串聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)冷凍水運行工況為10℃/16℃。從機組運行的角度來看，相同冷負荷下串聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)機組的COP要高于并聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)，同時由于較高的冷凍水出水溫度導(dǎo)致冷凍水流量增大，其冷凍水泵的能耗也要略高。

表4 多冷源空調(diào)系統(tǒng)冷凍水供回水溫度

3.3.3全年運行天數(shù)

見表5，上海市2015年室外濕球溫度低于3℃的天數(shù)有32d，并聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)可以采用完全自然冷卻；低于2℃的天數(shù)有15d，串聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)可以采用完全自然冷卻。室外濕球溫度3～8℃的天數(shù)共有71天，室外濕球溫度2～8℃的天數(shù)共有88d，并聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)和串聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)可以在部分自然冷卻條件下運行。室外濕球溫度大于8℃的天數(shù)共有262d，兩個空調(diào)系統(tǒng)在完全冷機冷卻模式下運行。

表5 實際運行天數(shù)統(tǒng)計（2015年）

該數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)為并聯(lián)多冷源空調(diào)系統(tǒng)，冷水機組和自然冷源公用冷卻塔，過渡季節(jié)效果不明顯，但是節(jié)省了初投資。通過歷年數(shù)據(jù)分析不同供回水溫度下運行比較。該制冷系統(tǒng)的冷凍水供回水溫度較低，冷凍水流量較小，冷凍水泵能耗較低，但是機組COP略低，導(dǎo)致能耗略高。串聯(lián)式系統(tǒng)的冷凍水供回水溫度較高，機組COP略高，機組能耗略低，但是，冷凍水流量較大，冷凍水泵能耗較高。自然冷源的應(yīng)用可以有效地提高整個空調(diào)系統(tǒng)的運行性能。串聯(lián)、并聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)在冬季的運行能效比相差最大，過渡季節(jié)次之，而夏季最小。在完全自然冷卻模式下，串聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)的運行能效比大于并聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)的能效比，是因為該系統(tǒng)自然供冷下冷凍水出水溫度設(shè)定值較高，節(jié)約了系統(tǒng)能耗。在部分自然冷卻模式下，串聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)在冬季的運行能效比小于并聯(lián)式多冷源空調(diào)系統(tǒng)的能效比，說明前者冷水機組的運行能效比較低。

4 技改經(jīng)濟性評價

經(jīng)過相關(guān)技術(shù)改進，通過對冷凍主機，冷卻水泵，冷卻塔，冷卻水泵的相關(guān)統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，見表6，有效降低運營能耗。見表7，設(shè)備節(jié)能率有了顯著提升。

技改項目年度節(jié)能效果：節(jié)約總電量307.88萬度，總電費215.52萬元，節(jié)能率為26.89%。

改造前總電量為1144.90萬度，電費為801.43萬元；改造后總電量為837.02萬度，電費為585.91萬元。

表6 改造前后運行能耗對比

表7 技改項目優(yōu)化清單

5 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)設(shè)計與運營普遍存在偏差現(xiàn)象，本文通過實際案例剖析，從技術(shù)角度著手策劃制冷系統(tǒng)整體改造，同時針對制冷系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備短板和隱患有的放矢進行改造和升級，以達到真正安全運行與節(jié)約降耗之目的。從提升冷卻塔冷卻換熱，降低管道局部阻力，匹配水泵組與主機組平衡，優(yōu)化自然冷源節(jié)能運行策略等角度，深度挖掘數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的節(jié)能潛力。用簡單技術(shù)改造手段，把運行中發(fā)現(xiàn)制冷系統(tǒng)中常見問題改善解決，年度節(jié)約總電量307.88萬度，節(jié)約總電費215.52萬元，節(jié)能率為26.89%，不僅提升了設(shè)備單體節(jié)能率而且節(jié)約運行成本。

[1]GB50174-2008，電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB50462-2008，電子信息系統(tǒng)機房施工及驗收規(guī)范[S].

[3]YDT1821-2008，通信中心機房環(huán)境條件要求[S].

[4]TIA-942，數(shù)據(jù)中心通信設(shè)施標準[S].

Analysis on Energy Saving Potential of Central Air-conditioning with Free Cooling System in Data Center

SUN Hai-feng

（China Mobile Shanghai Branch，Shanghai 200060，China）

Based on some telecommunication data center central air-conditioning system’s shortcoming,including high annual energy consumption,low cooling tower efficiency,huge pipe resistance and incorrect free cooling switch mode. The article introduces air-conditioning renovation purpose from technical view to solve above problems.The key issue is to improve whole air-conditioning system operation efficiency,from cooling tower cooling effect,pipe resistance reduction,coordination of chiller plants and pumps and optimization of free cooling performance.System renovation can not only guarantee system safety and automation,but also enlarge energy-saving potential.

data center；free cooling；energy-saving；variable frequency；control cabinet；injector；renovation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.017

TU831

B

2095-3429（2016）04-0069-05

0 引言

孫海峰（1978-），男，江蘇南通人，碩士，工程師，從事數(shù)據(jù)中心配套土建、機電、空調(diào)等專業(yè)規(guī)劃、投資及項目管理工作。面離不開優(yōu)秀的設(shè)計、完善的施工和合理的運行管理，另一方面也需要在實際運行中結(jié)合自身負荷特點引入成熟可靠的節(jié)能技術(shù)，既保證運行安全又降低整體系統(tǒng)運行能耗。本文旨在介紹上海某數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)改造的成功經(jīng)驗，為同業(yè)者提供參考和建議。

2016-04-06

2016-07-27

3.1.3 近濕球溫度控制

近濕球溫度控制技術(shù)，采用圖形分辨技術(shù)分別分辨機組加載、布水量變化、室外溫度變化、濕球百分比變化、大氣壓變化，盡量使冷卻塔的出水溫度接近濕球溫度。如圖6所示，表現(xiàn)為冷卻塔的冷卻水進出水溫差

隨著信息化和城市化的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心在全國各地如火如荼建設(shè)，其能耗也占社會綜合能耗3%，其中制冷系統(tǒng)用能作為數(shù)據(jù)中心能耗重要組成部分已經(jīng)被數(shù)據(jù)中心運營管理者越來越重視。按照十三五規(guī)劃節(jié)能綱領(lǐng),數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)可持續(xù)健康發(fā)展一方