呼和浩特云數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)自然冷源節(jié)能技術(shù)實(shí)踐

康 楠，劉 陽（中國聯(lián)通云數(shù)據(jù)有限公司，北京100085）

1 呼和浩特云數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)介紹

中國聯(lián)通呼和浩特云數(shù)據(jù)中心總建設(shè)規(guī)模用地面積為64.9萬m2，建筑總規(guī)模為59.8萬m2，總規(guī)劃機(jī)架數(shù)為36 000架。已投產(chǎn)的數(shù)據(jù)機(jī)房樓建筑規(guī)模為30 000 m2，設(shè)計IDC機(jī)架約3 500架，單機(jī)架功率達(dá)4.4～9 kW。

機(jī)房樓配置東西2個冷凍站，采用節(jié)能型的水冷集中式空調(diào)系統(tǒng)，每個冷凍站按3+1形式配置大制冷量（單臺制冷量3 868 kW）、高能效比的離心式冷水機(jī)組，并配有相應(yīng)的冷凍水泵、冷卻水泵、補(bǔ)水泵、冷卻塔、水處理等設(shè)備。冷水機(jī)組、空調(diào)水泵等均采用變頻技術(shù)，可對系統(tǒng)設(shè)計富裕量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，改善運(yùn)行工況，提高空調(diào)工作效率，達(dá)到節(jié)能目的。

空調(diào)冷凍水系統(tǒng)（見圖1）采用一次泵變流量機(jī)械循環(huán)式系統(tǒng)，在部分負(fù)荷工況運(yùn)行時達(dá)到節(jié)能目的；利用高位膨脹水箱進(jìn)行系統(tǒng)定壓，冷凍水和冷卻水的主干管采用2N配置且每層末端空調(diào)采用環(huán)網(wǎng)方式，避免了管網(wǎng)單點(diǎn)故障；每個冷凍站配置一個體積為500 m3的蓄冷罐，每個蓄冷罐配置2臺流量為900 m3/h的釋冷水泵，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)全年不間斷供冷，保障通信設(shè)備正常運(yùn)行。

2 呼和浩特氣候條件

呼和浩特的自然氣候條件優(yōu)越，從圖2中可以分析出室外溫度低于10℃的時間占全年的55.1%，低于0℃的時間占35.9%，這意味著呼和浩特室外蘊(yùn)含著豐富的天然冷源，如加以高效利用，必能大幅降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果，自然冷卻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 呼和浩特云數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)示意圖

3 自然冷卻技術(shù)原理

自然冷卻技術(shù)是指室外空氣干球溫度或濕球溫度在較低的工況下，利用自然冷源使冷水機(jī)組或其他機(jī)械制冷系統(tǒng)停止或者降低容量運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。

呼和浩特云數(shù)據(jù)中心采用水側(cè)自然冷卻技術(shù)，其原理是在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了水-水板式換熱器及部分管路與設(shè)備（見圖3），當(dāng)室外濕球溫度低于某個值時，冷凍水利用冷卻塔+冷卻水泵+板式換熱器組成的循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行換熱，降低機(jī)房溫度。板式換熱器和冷水機(jī)組并聯(lián)，兩者配置獨(dú)立的冷卻水泵和冷凍水泵。冷卻水和冷凍水在板式換熱器進(jìn)行換熱后，若冷凍水供水溫度可以滿足要求，則關(guān)閉冷水機(jī)組，開啟板換，實(shí)現(xiàn)自然冷卻；若冷卻水溫度不能將冷凍水回水溫度降到所需要的供水溫度，則關(guān)閉板換，轉(zhuǎn)為冷水機(jī)組直供冷模式。

圖3 自然冷卻技術(shù)原理

4 云數(shù)據(jù)中心自然冷卻技術(shù)實(shí)踐及節(jié)能測算

開式冷卻塔最大極限能把冷卻水溫度處理至室外空氣濕球溫度。冬季自然冷卻工況，冷卻塔出水溫度與室外空氣濕球溫度溫差為4℃時開啟板式換熱器，考慮板式換熱器換熱效率，換熱器兩側(cè)的換熱溫差取1.5℃。冷凍水供回水溫度為10/15℃。2016年11月16日12：00呼和浩特云數(shù)據(jù)中心關(guān)閉冷水機(jī)組，開啟板式換熱器，板式換熱器運(yùn)行時間統(tǒng)計如表1所示，自然冷卻時間可占全年的41.1%。

表1 呼和浩特地區(qū)自然冷卻時間分布

調(diào)取3月14日15：00—3月15日15：00室外空氣濕球溫度，可以看出室外濕球溫度均低于5℃，通過開啟板式換熱器可產(chǎn)生10℃冷凍水。

在開啟3臺3 868 kW（1 100 RT）的離心式水冷冷水機(jī)組及配套水泵、冷卻塔，冷水機(jī)組輸入功率687 kW，功率因數(shù)0.95，運(yùn)行負(fù)荷90%，冷凍水循環(huán)泵輸入功率90 kW，冷卻水循環(huán)泵輸入功率75 kW，循環(huán)水泵功率因數(shù)0.88，冷凍水供回水溫度分別為10/15℃的工況下，呼和浩特云數(shù)據(jù)中心相對節(jié)能結(jié)果見表2。

表2 呼和浩特云數(shù)據(jù)中心自然冷卻相對節(jié)能結(jié)果

采用板式換熱器與冷水機(jī)組的冷卻水耗水量對比如圖4所示。由圖4可看出，開啟板式換熱器自然冷卻后，每日冷卻水耗水量減少約80 m3，具有良好的節(jié)水效益。

5 結(jié)論

a）在呼和浩特室外空氣濕球溫度低于冷凍水溫度時，可關(guān)閉冷水機(jī)組，通過板式換熱器間接換熱產(chǎn)生冷凍水，減少冷水主機(jī)運(yùn)行時間，從而降低能耗。呼和浩特地處嚴(yán)寒地區(qū)，具有夏季時間短且室外溫度偏低，常年室外氣溫平均約6.5℃的氣候特點(diǎn)，自然冷卻的相對節(jié)能優(yōu)勢比較明顯。

圖4 呼和浩特云數(shù)據(jù)中心自然冷卻耗水量對比

b）呼和浩特云數(shù)據(jù)中心采用自然冷卻后，年節(jié)電量為6 343 758 kWh，具有很好的節(jié)能效益。自然冷卻較冷機(jī)運(yùn)行更安全，即使冷卻回水流量不足也能運(yùn)行，而冷機(jī)回水流量不足即停機(jī)，維護(hù)量較冷機(jī)減少。

c）采用自然冷卻由于冷卻水溫度低，蒸發(fā)減弱，補(bǔ)充水量減少，在節(jié)水的同時，還減少了加藥量、維護(hù)量。