數(shù)據(jù)中心后備冷源蓄冷節(jié)能運(yùn)用的實(shí)踐

姜 寧

中國(guó)移動(dòng)江蘇公司南京分公司

0 引言

目前，4G技術(shù)已經(jīng)全面普及，并逐步向5G技術(shù)過(guò)渡，隨之而來(lái)的是數(shù)據(jù)中心大規(guī)模的建設(shè)。眾所周知，數(shù)據(jù)中心具有高能耗的特點(diǎn)，而數(shù)據(jù)中心的耗能主要由信息設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及其他功能配套系統(tǒng)四部分組成。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行中，空調(diào)系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%，所以隨著空調(diào)技術(shù)日益更新，降低數(shù)據(jù)中心能耗，打造綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心已逐漸從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。目前，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心在建設(shè)時(shí)放棄傳統(tǒng)的直膨式風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)，采用水冷機(jī)房空調(diào)或間接蒸發(fā)冷機(jī)房空調(diào)，以追求更低的PUE值。

另一方面，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于電力的需求越來(lái)越大，電力供應(yīng)矛盾愈加突出。2010年11月，發(fā)展改革委、電監(jiān)會(huì)等六部委聯(lián)合印發(fā)《電力需求側(cè)管理辦法》，針對(duì)電力需求側(cè)提出了十六項(xiàng)定性或定量的管理和激勵(lì)措施，其中提到“將推動(dòng)并完善峰谷電價(jià)制度，鼓勵(lì)低谷蓄能”等內(nèi)容，并于2011年1月1日起實(shí)施。那么，如果數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)可以充分利用谷電運(yùn)行，在降低數(shù)據(jù)中心能耗同時(shí)，還可以大幅度減少數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行費(fèi)用。所以本文以南京市溧水區(qū)某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)實(shí)踐情況為例，進(jìn)行后備冷源蓄冷系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)用的分析。

1 后備冷源蓄冷節(jié)能運(yùn)用分析

大型數(shù)據(jù)中心大多選用承壓水罐作為災(zāi)備的應(yīng)急冷源，為了更好的提高數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)的能效比，充分利用現(xiàn)有的設(shè)備（或者新增部分設(shè)備），通過(guò)制定合理的水蓄冷運(yùn)行策略，改變?cè)械倪\(yùn)行模式，利用現(xiàn)有的峰谷的電價(jià)差，降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)的綜合COP值，具有現(xiàn)實(shí)意義。一般而言，數(shù)據(jù)中心的設(shè)備負(fù)荷加載是個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，數(shù)據(jù)中心運(yùn)行初期，蓄冷系統(tǒng)完全可以考慮用于節(jié)能運(yùn)行，其運(yùn)行模式為“谷段及平段電價(jià)時(shí)蓄冷，峰段電價(jià)時(shí)放冷”，模式如圖1所示。

圖1 蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行模式

以江蘇移動(dòng)某數(shù)據(jù)中心機(jī)房樓為例，該機(jī)房樓位于南京市溧水區(qū)，其中一期工程建筑面積10000平方米，地上五層，其中首層主要作機(jī)電設(shè)備用房，二層機(jī)房備用，三至五層作數(shù)據(jù)機(jī)房使用。冷凍水機(jī)組選用六臺(tái)自然冷源風(fēng)冷螺桿冷水機(jī)組，冷水機(jī)組安裝在樓頂天面。為防止市政電網(wǎng)斷電影響數(shù)據(jù)機(jī)房正常運(yùn)行，機(jī)房選用1個(gè)60m3蓄冷罐作為后備冷源。具體設(shè)備參數(shù)詳見(jiàn)表一。

1.1 實(shí)際運(yùn)行與分析

自2016年起，工作人員開(kāi)始對(duì)蓄冷罐進(jìn)行有效利用，以減少系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)該運(yùn)用模式的節(jié)能性進(jìn)行了探索。

蓄冷罐放冷初始溫度為7℃，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間節(jié)能運(yùn)行測(cè)試得出終止溫度為14℃，機(jī)房溫度未有明顯波動(dòng)，比熱容取4.187,那么蓄冷及放冷冷量為：

其中，C是比熱容； M是物質(zhì)質(zhì)量；ΔT是進(jìn)出水溫差。

現(xiàn)有的設(shè)備情況如表1所示。

表1 設(shè)備情況

2016年南京市峰谷電價(jià)政策如表2。

表2 南京市峰谷電價(jià)

設(shè)備及耗電情況如表3。

表3 設(shè)備及耗電情況

蓄冷節(jié)能運(yùn)行的具體操作流程為晚間低谷電價(jià)0:00～8:00期間運(yùn)行27.91分鐘蓄冷；8:00～12:00期間運(yùn)行39.08分鐘放冷；12:00～17:00電價(jià)為平段時(shí)運(yùn)行27.91分鐘進(jìn)行蓄冷；晚間17:00～21:00期間運(yùn)行39.08分鐘放冷。

(1)蓄冷節(jié)能運(yùn)行費(fèi)用為一次谷段蓄冷、一次平段蓄冷和兩次峰段放冷運(yùn)行費(fèi)用之和：谷（主機(jī)+冷凍泵）+平（主機(jī)+冷凍泵）+峰（放冷泵+放冷泵）

(2)常規(guī)工況運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)于兩次峰段蓄冷費(fèi)用之和，為：峰（主機(jī)+冷凍泵）*2

(3) 蓄冷節(jié)能運(yùn)行模式下節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用為：

(4) 年蓄冷節(jié)能運(yùn)行模式下節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用為：

為實(shí)現(xiàn)蓄冷時(shí)停止一套主機(jī)運(yùn)行的功能，在系統(tǒng)中還需增加一套閥門(mén)，如圖2所示。

圖2 主機(jī)系統(tǒng)圖

如上文所述，由于蓄冷水罐容積比較小，每天蓄冷放冷時(shí)間僅有27.91分鐘×2=55.82分鐘，雖然每天放冷2次，利用低谷電、平段電進(jìn)行蓄冷，但是每年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用并不多。所以要節(jié)約更多費(fèi)用,需要考慮增加蓄冷罐。

1.2 增加蓄冷水罐的可行性分析

考慮到數(shù)據(jù)中心需要安全可靠的運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心冷凍水主機(jī)多為冗余設(shè)計(jì)，按照現(xiàn)有備用冷機(jī)的蓄冷能力條件，如果要采用水蓄冷系統(tǒng)移峰填谷的功能，減少系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，那么就需加大蓄冷水罐的容積。根據(jù)目前系統(tǒng)的情況，有一臺(tái)1050KW備用機(jī)組可改造成水蓄冷系統(tǒng)，那么蓄冷水罐的容積如表4所示。

表4 蓄冷水罐容積

蓄冷水罐增容后運(yùn)行的具體操作流程為低谷電價(jià)0:00～8:00期間運(yùn)行8小時(shí)，向兩個(gè)蓄冷水罐同時(shí)蓄冷；8:00～12:00期間運(yùn)行4小時(shí)放冷；12:00～17:00平段電價(jià)運(yùn)行5小時(shí)，向650 m3蓄冷水罐進(jìn)行蓄冷；晚間17:00～21:00期間運(yùn)行4小時(shí)放冷。

蓄冷節(jié)能運(yùn)行費(fèi)用為一次谷段蓄冷、一次平段蓄冷和兩次峰段放冷運(yùn)行費(fèi)用之和，即：

部分時(shí)段需啟用兩臺(tái)防冷泵，加快放冷。常規(guī)工況運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)于兩次峰段蓄冷費(fèi)用之和，即：

蓄冷節(jié)能運(yùn)行模式下節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用為：

年蓄冷節(jié)能運(yùn)行模式下節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用為：

根據(jù)目前數(shù)據(jù)機(jī)房運(yùn)行現(xiàn)狀分析，數(shù)據(jù)機(jī)房的負(fù)載總是逐步增加的，如采用常規(guī)工況，難免出現(xiàn)大馬拉小車(chē)的情況，造成更大的能源浪費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)更加高昂。若蓄冷罐增容，則可在全天使用谷、平段電價(jià)運(yùn)行制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)1500m3機(jī)房的供冷需求。

2 結(jié)論

本文對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)后備冷源蓄冷節(jié)能運(yùn)用進(jìn)行了分析，對(duì)其使用特點(diǎn)和可行性進(jìn)行了歸納和總結(jié)，整理出一套切實(shí)可行的降低空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用的方式方法。同時(shí)對(duì)南京移動(dòng)某數(shù)據(jù)中心機(jī)房樓空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了改造分析，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造進(jìn)行了實(shí)踐及推論。

經(jīng)過(guò)對(duì)江蘇移動(dòng)南京分公司數(shù)據(jù)中心機(jī)房樓空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)例分析，可以看出空調(diào)系統(tǒng)蓄冷節(jié)能運(yùn)行，可大大降低運(yùn)行費(fèi)用，特別是投運(yùn)前期(負(fù)荷輕時(shí)),具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)電力資源峰、谷平衡做出了貢獻(xiàn)，體現(xiàn)了良好的社會(huì)價(jià)值。本文在對(duì)數(shù)據(jù)中心冷凍水空調(diào)運(yùn)行提供參考的同時(shí)，希望對(duì)該節(jié)能運(yùn)行模式進(jìn)行交流與探討，特別是在放冷時(shí)，有二次泵系統(tǒng),在運(yùn)行中涉及頻率、循環(huán)流量（蓄冷罐放冷流量），以及如何控制放冷時(shí)小于正常運(yùn)行流量等問(wèn)題。

以不降低制冷系統(tǒng)安全可靠性為原則，以節(jié)能降耗為目的，數(shù)據(jù)中心配置蓄冷系統(tǒng)，是目前積極探討并推廣的最佳節(jié)能運(yùn)行模式之一。