數(shù)據(jù)中心水冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性研究

孫付龍 王洪梅

【摘要】? ? 本文結(jié)合山東大學(xué)青島校區(qū)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)和圖書(shū)館冬季供暖系統(tǒng)的運(yùn)行原理，從實(shí)際角度觸發(fā)，根據(jù)數(shù)據(jù)中心制冷機(jī)房和圖書(shū)館地源熱泵機(jī)房所處位置的優(yōu)越性，介紹了如何利用數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生余熱的構(gòu)想。希望在冬季通過(guò)給圖書(shū)館供暖的地源熱泵系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行回收，從而降低圖書(shū)館地源熱泵系統(tǒng)的能源消耗;同時(shí)停用數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的冷卻側(cè)室外散熱設(shè)備，從而減少冬季對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的維護(hù)成本，延長(zhǎng)室外冷卻塔等相關(guān)設(shè)施的使用壽命，達(dá)到雙贏的目的。

【關(guān)鍵詞】? ? 數(shù)據(jù)中心? ? 地源熱泵? ? 余熱利用? ? 節(jié)能減排

引言：

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，校園的信息化和智慧化建設(shè)成為國(guó)內(nèi)雙一流建設(shè)高校率先實(shí)現(xiàn)一流的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，一流的信息化建設(shè)不僅對(duì)學(xué)校的教學(xué)和科研起到有利的支撐作用，還為在校師生的工作和生活提供了極大的便利。為落實(shí)山東大學(xué)“兩不出”的政策要求，山東大學(xué)青島校區(qū)的信息化建設(shè)要求率先實(shí)現(xiàn)一流。

山東大學(xué)青島校區(qū)數(shù)據(jù)中心位于圖書(shū)館一層，是青島校區(qū)信息化建設(shè)和智慧校園建設(shè)的核心組成部分;是校區(qū)的校園網(wǎng)核心、高性能計(jì)算中心、虛擬化和云服務(wù)中心;并托管了各科研單位的服務(wù)器。數(shù)據(jù)中心在承載上述功能的背后配備了完善的供配電和制冷空調(diào)等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，為IT設(shè)備7×24小時(shí)不間斷的運(yùn)行提供良好的基礎(chǔ)設(shè)施支撐，保障了校園內(nèi)各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連續(xù)性、可用性。隨著數(shù)據(jù)中心相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的部署，各類設(shè)備不斷的增加，數(shù)據(jù)中心也成為了一個(gè)巨大的能源消耗中心。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的IT設(shè)備所消耗的電能最終絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到機(jī)房?jī)?nèi)，為了維持設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需要的環(huán)境溫度。機(jī)房的制冷空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)熱交換的方式將這部分熱能散發(fā)到外界環(huán)境中，在寒冷的冬季無(wú)疑造成了熱能的浪費(fèi)。然而近年來(lái)隨著數(shù)據(jù)中心數(shù)量不斷增加、規(guī)模不斷增大，數(shù)據(jù)中心高能耗問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，因此數(shù)據(jù)中心的熱能回收越來(lái)越受到重視，被作為數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要措施。

山東大學(xué)青島校區(qū)圖書(shū)館是目前國(guó)內(nèi)單體建筑面積最大的圖書(shū)館，冬季圖書(shū)館的供熱系統(tǒng)所使用的熱量是由圖書(shū)館負(fù)一層的地源熱泵系統(tǒng)通過(guò)熱泵機(jī)組消耗電能做工從地下水中抽取的熱量來(lái)提供;數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)則采用水冷機(jī)組、板式換熱器、室外開(kāi)放式冷卻塔和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)將來(lái)自機(jī)房IT設(shè)備所產(chǎn)生的熱量散發(fā)到大氣中。

實(shí)際環(huán)境中圖書(shū)館的地源熱泵機(jī)房與數(shù)據(jù)中心的制冷機(jī)房系統(tǒng)緊鄰，只有一墻之隔。在此考慮在冬季將數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，通過(guò)圖書(shū)館的地源熱泵系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行回收，以提供圖書(shū)館冬季供熱的輔助熱量，減少地源熱泵系統(tǒng)的能源消耗;同時(shí)停用數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的冷卻側(cè)室外散熱設(shè)備（冷卻循環(huán)泵、板式換熱器、室外冷卻塔、室外冷卻塔管路伴熱系統(tǒng)），以減少冬季對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)冷卻循環(huán)泵、室外開(kāi)放式冷卻塔、板式換熱器、室外冷卻管道加熱系統(tǒng)的維護(hù)成本，延長(zhǎng)室外冷卻塔等相關(guān)設(shè)施的使用壽命，達(dá)到雙贏的目的。

二、系統(tǒng)介紹

山東大學(xué)青島校區(qū)數(shù)據(jù)中心占地3600平方米，規(guī)劃建設(shè)443個(gè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)柜，72臺(tái)機(jī)房精密空調(diào);制冷機(jī)房設(shè)置在圖書(shū)館負(fù)一層，采用集中式水冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷，目前配備3臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組、3臺(tái)冷卻循環(huán)泵、3臺(tái)冷凍循環(huán)泵、4臺(tái)室外開(kāi)式冷卻塔，冷凍水供回水溫度為12/18℃，具體設(shè)備參數(shù)如表1所示。

冬季，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)工作在全自然模式下，依靠自然的低溫環(huán)境對(duì)機(jī)房服務(wù)器進(jìn)行降溫。機(jī)房?jī)?nèi)部服務(wù)器運(yùn)行所產(chǎn)生的熱量，通過(guò)機(jī)房?jī)?nèi)精密空調(diào)的氣流組織與冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱交換將熱量傳遞給冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，冷凍水循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)板式換熱器與冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱交換將熱量傳遞給冷卻水循環(huán)系統(tǒng)（夏季則通過(guò)制冷機(jī)組做工的方式進(jìn)行這個(gè)環(huán)節(jié)的熱量交換），冷卻水系統(tǒng)將這部分熱量帶到室外開(kāi)放式冷卻塔進(jìn)行散熱，以維持冷卻水系統(tǒng)正常的回水溫度。通過(guò)上述熱交換過(guò)程，數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)部服務(wù)器所產(chǎn)生的熱量最終被釋放到大氣中，使數(shù)據(jù)中心機(jī)房始終保持在適合服務(wù)器運(yùn)行的環(huán)境溫度下。冬季數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)熱交換原理如圖1所示。

山東大學(xué)青島校區(qū)圖書(shū)館熱泵機(jī)房設(shè)置在圖書(shū)館負(fù)一層，與數(shù)據(jù)中心制冷機(jī)房?jī)H一墻之隔，采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制熱，目前配備3臺(tái)595.6kW的離心式熱泵機(jī)組、4臺(tái)55kW用戶側(cè)循環(huán)水泵、4臺(tái)55kW地源側(cè)循環(huán)水泵。

冬季，圖書(shū)館辦公區(qū)域由圖書(shū)館熱泵機(jī)房通過(guò)從地源的水中獲取熱量來(lái)供暖。在熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器中，通過(guò)將制冷劑由高壓液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪簹鈶B(tài)狀態(tài)的過(guò)程來(lái)吸收自地源水中的熱量，通過(guò)熱泵機(jī)組做工的形式把攜帶熱量的低壓氣態(tài)制冷劑循環(huán)到冷凝器中，在冷凝器中則通過(guò)把制冷劑由低壓氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏阂簯B(tài)的過(guò)程釋放所攜帶的熱量給辦公區(qū)域循環(huán)水系統(tǒng)，辦公區(qū)域的循環(huán)水系統(tǒng)吸收熱量后，隨著水的循環(huán)將熱量散發(fā)到辦公區(qū)域進(jìn)行供熱。冬季，圖書(shū)館空調(diào)系統(tǒng)熱交換原理如圖2所示：

三、數(shù)據(jù)中心余熱利用構(gòu)想

在寒冷的冬季，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器消耗電能所產(chǎn)生的熱量最終被排放到了大氣中不能得到有效利用，同時(shí)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)面臨著冷卻塔結(jié)冰，開(kāi)啟室外冷卻水管路電伴熱系統(tǒng)以防止冷卻水管路結(jié)冰的情況。這增加了數(shù)據(jù)中心冷卻水系統(tǒng)冬季的維護(hù)成本和電能消耗，減少了冷卻水循環(huán)管路和冷卻塔的使用壽命。白白浪費(fèi)了大量熱源。在此考慮冬季能否將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器所產(chǎn)生的熱源進(jìn)行有效利用，以響應(yīng)國(guó)家建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行要求，到達(dá)節(jié)能減排的目的。在冬季將數(shù)據(jù)中心的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)與圖書(shū)館熱泵機(jī)房的地源水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，將圖書(shū)館熱泵機(jī)房的離心熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器與數(shù)據(jù)中心冷凍水回水管路相連接，將來(lái)自數(shù)據(jù)中心機(jī)房18℃的冷凍水輸送至熱泵機(jī)房的熱泵機(jī)組進(jìn)行熱交換，將熱交換后的冷凍水再輸送到機(jī)房精密空調(diào)給IT設(shè)備降溫。此過(guò)程在冬季將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器所產(chǎn)生的熱量用來(lái)供給圖書(shū)館辦公區(qū)域取暖使用，并停用數(shù)據(jù)中心冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、板式換熱器，冷卻循環(huán)泵、冷卻塔和冷卻管路電伴熱系統(tǒng)，減少了冬季冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻塔冬季的維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了相關(guān)設(shè)施的使用壽命。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)余熱回收系統(tǒng)如圖3所示。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)目前針對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)和圖書(shū)館地源熱泵系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析，并結(jié)合兩個(gè)系統(tǒng)所處的地理位置優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了數(shù)據(jù)中心余熱利用的構(gòu)想，初始階段數(shù)據(jù)中心的負(fù)載量較小，所產(chǎn)生的余熱不足以支撐整個(gè)圖書(shū)館冬季供暖的熱量需求，此時(shí)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器所產(chǎn)生的熱量只能作為地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)的輔助熱量，但隨著數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)中心所消耗的電能也必將逐步增加，所產(chǎn)生的余熱也會(huì)逐漸增多，這部分熱量在圖書(shū)館地源熱泵系統(tǒng)所需要的整體熱量中所占的比例將逐漸增大，甚至可以完全取代熱泵系統(tǒng)地源側(cè)的循環(huán)系統(tǒng)，減少地源熱泵地源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)的電能消耗。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]羅玉慶.大型數(shù)據(jù)中心余熱回收利用節(jié)能研究.節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用，2019，8：46-47

[2]譚力.加快數(shù)據(jù)中心余熱回收利用技術(shù)推廣應(yīng)用的建議.中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào)，2021-7-5-周013

[3]崔科.數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻及余熱回收系統(tǒng)技術(shù)分析.節(jié)能技術(shù)，2020，38（04）：379-384

[4]王玉蓮.已建成數(shù)據(jù)機(jī)房余熱利用初探.節(jié)能，2019，38（06），67-68