雙碳目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組補(bǔ)冷系統(tǒng)分析與應(yīng)用

景淼，何 ?。?lián)通數(shù)字科技有限公司，北京 100048）

0 前言

我國力爭2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。數(shù)據(jù)中心屬于高能耗產(chǎn)業(yè)，預(yù)計到2030年數(shù)據(jù)中心能源消耗量將占全國總用電量的3.7%［1］。隨著雙碳政策的提出，中央各部委相繼出臺多項關(guān)于數(shù)據(jù)中心的政策，推進(jìn)數(shù)據(jù)中心綠色、低碳發(fā)展。2022 年工業(yè)和信息化部等七部委發(fā)布《信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動計劃（2022—2025 年）》。該行動計劃明確到2025年，全國新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心電能利用效率（PUE）降到1.3以下，加大先進(jìn)節(jié)能節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用，加快自然冷源、近端制冷、液冷等制冷節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。并根據(jù)自然氣候條件差異，因地制宜推廣先進(jìn)適用的節(jié)能技術(shù)，加快應(yīng)用先進(jìn)適用的節(jié)水技術(shù)和裝備，提高水資源利用效率。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心PUE高達(dá)1.5，空調(diào)系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%，因此數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)具有極大的節(jié)能空間。間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組屬于風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，是一種綠色節(jié)能的制冷技術(shù)，可以有效減少制冷系統(tǒng)能耗及水資源消耗，減少數(shù)據(jù)中心碳排放［2-3］。本文對間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的補(bǔ)冷系統(tǒng)進(jìn)行綜合對比分析。

1 間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組

1.1 原理及運行模式

間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組是室內(nèi)側(cè)空氣與室外側(cè)空氣通過換熱芯體進(jìn)行顯熱交換，并在室外新風(fēng)側(cè)增加水噴淋裝置，通過水蒸發(fā)吸熱的原理，冷卻進(jìn)入換熱芯體的室外側(cè)空氣，進(jìn)而降低機(jī)房送風(fēng)溫度。根據(jù)室外氣象參數(shù)、機(jī)房送回風(fēng)溫度等，間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組分為3 種運行模式，分別為干模式、濕模式和混合模式［4-7］。間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組原理圖如圖1所示。

1.2 補(bǔ)冷方式

1.2.1 水補(bǔ)冷

水補(bǔ)冷是將集中冷凍水系統(tǒng)作為間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的補(bǔ)冷來源，如圖2所示。

圖2 水補(bǔ)冷的間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組

1.2.2 壓縮機(jī)補(bǔ)冷

壓縮機(jī)補(bǔ)冷是將壓縮機(jī)風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)作為間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的補(bǔ)冷來源，如圖1（c）所示。

圖1 間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組原理圖

1.3 補(bǔ)冷比例

補(bǔ)冷比例與機(jī)房的送回風(fēng)溫度、濕球溫度以及換熱芯體的換熱效率有關(guān)。補(bǔ)冷比例中的濕球溫度應(yīng)根據(jù)20年極端氣象條件進(jìn)行計算［8］。

換熱芯體室外側(cè)出風(fēng)溫度：

補(bǔ)冷比例：

其中，t送風(fēng)為斷電前機(jī)房內(nèi)冷通道送風(fēng)溫度（℃）；t回風(fēng)為機(jī)房內(nèi)回風(fēng)溫度（℃）；ts為當(dāng)?shù)貥O端濕球溫度（℃）；?為換熱芯體的換熱效率。

根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的適用區(qū)域［9］，分別在嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)選擇相應(yīng)的城市對空調(diào)機(jī)組進(jìn)行分析。若機(jī)房內(nèi)送風(fēng)溫度為25 ℃、回風(fēng)溫度為38 ℃時，不同地區(qū)的補(bǔ)冷比例如表1 所示。極端濕球溫度越高，補(bǔ)冷比例也隨之增加。換熱芯體的換熱效率越高，補(bǔ)冷比例越低。

表1 不同地區(qū)補(bǔ)冷比例的（%）

由式（1）、（2）可知，調(diào)整送回風(fēng)溫差，補(bǔ)冷比例也隨之變化。送回風(fēng)溫差相同時，隨著送回風(fēng)溫度的升高，間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的各模式之間的切換溫度提高，補(bǔ)冷比例降低，空調(diào)系統(tǒng)越節(jié)能。

1.4 補(bǔ)冷失效時溫升

對于水補(bǔ)冷的機(jī)組，采用蓄冷罐可實現(xiàn)不間斷冷源；集中冷凍水系統(tǒng)冷源冷量充足時，可實現(xiàn)100%補(bǔ)冷。對于壓縮機(jī)補(bǔ)冷的機(jī)組，在ATS 進(jìn)行市電和UPS切換時，ATS切換時間約為100 ms，而壓縮機(jī)系統(tǒng)接受市電閃斷的時間僅為10 ms，切換過程中壓縮機(jī)斷電重啟，此時補(bǔ)冷系統(tǒng)失效。對不同廠家的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)補(bǔ)冷失效后，一般30～60 s 可恢復(fù)50%的補(bǔ)冷量，90～180 s 可恢復(fù)100%的補(bǔ)冷量。根據(jù)文獻(xiàn)［10］，制冷失效后，機(jī)房內(nèi)溫升速率與單機(jī)架功率（單機(jī)架功率小于10 kW）的關(guān)系為：

在夏季極端天氣時，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的壓縮機(jī)停止補(bǔ)冷后，由機(jī)組濕模式運行提供冷量。此時，機(jī)房內(nèi)的溫升主要與制冷量、房間體積、單機(jī)架功耗等有關(guān)。

斷電ΔT時間后，機(jī)房內(nèi)溫升（不考慮機(jī)組濕模式運行）為：

斷電ΔT時間內(nèi)，機(jī)組濕模式運行提供的冷量為：

斷電ΔT時間后，機(jī)房內(nèi)最終溫度（考慮機(jī)組濕模式運行）為：

其中，X為單機(jī)架功率（W）；Y為溫升速率（℃/s）；V為機(jī)房有效容積（m3）；n為間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組臺數(shù)（熱備時為全部機(jī)組臺數(shù)，冷備時僅為主用機(jī)組臺數(shù)）；t送風(fēng)為斷電前機(jī)房內(nèi)冷通道送風(fēng)溫度（℃）；ρ為空氣密度（kg/m3）；Cp為空氣比熱容［J/（kg·℃）］。

圖3 為冷通道送風(fēng)溫度為25 ℃、補(bǔ)冷比例為65%（熱備）時，不同功率密度下機(jī)房的溫升情況（圖3中無制冷是指在機(jī)組完全不運行時，機(jī)房內(nèi)溫升情況；濕模式是指機(jī)組濕模式運行時，機(jī)房內(nèi)溫升情況）。隨著功率密度的增加，機(jī)房內(nèi)溫升的幅度也隨之增加。補(bǔ)冷失效后，濕模式運行可明顯降低機(jī)房內(nèi)溫升。設(shè)備選型時，壓縮機(jī)恢復(fù)補(bǔ)冷時間需根據(jù)補(bǔ)冷比例、功率密度、冷通道送風(fēng)溫度和服務(wù)器最高承受的溫度等綜合確定。假設(shè)服務(wù)器進(jìn)風(fēng)側(cè)最高承受溫度為35 ℃，功率密度為8 kW時，機(jī)組恢復(fù)50%的補(bǔ)冷時間建議不超過40 s。

圖3 不同功率密度下機(jī)房內(nèi)溫升情況

采用6sigmaDC 軟件對功率密度為8 kW 的數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行仿真，冷源采用壓縮機(jī)補(bǔ)冷的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)，單臺顯冷量為260 kW，補(bǔ)冷比例為65%，5 用1 備。機(jī)房采用熱通道封閉，氣流組織為彌散送風(fēng)、吊頂回風(fēng)。補(bǔ)冷失效時假設(shè)60 s 內(nèi)壓縮機(jī)恢復(fù)50%補(bǔ)冷。在極端濕球溫度，備機(jī)運行的條件下，進(jìn)行模擬。模擬曲線取冷通道內(nèi)各測點的溫度平均值。由于模擬考慮了溫度升高時機(jī)房內(nèi)空氣密度和比熱容會降低，模擬值略低于計算值，但整體趨勢基本一致。仿真模擬的溫升情況如圖4所示。

圖4 仿真模擬溫升

2 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)模型

2.1 計算模型

假定間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組單臺顯冷量為260 kW，機(jī)房內(nèi)送風(fēng)溫度為25 ℃，回風(fēng)溫度為38 ℃，采用節(jié)水優(yōu)先模式進(jìn)行分析［9］。干模式工況為室外干球溫度≤16 ℃；濕模式工況為室外干球溫度＞16 ℃且濕球溫度≤19 ℃；混合模式工況為室外濕球溫度＞19 ℃。水補(bǔ)冷機(jī)組的冷凍水系統(tǒng)采用變頻離心式冷水機(jī)組+板式換熱器+開式冷卻塔+冷凍水泵+冷卻水泵，冷凍水供回水溫度為18/24 ℃。

2.2 各模式分析

2.2.1 干模式

干模式運行時，2 種補(bǔ)冷方式的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組耗電設(shè)備為室內(nèi)外風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)運行功耗與室外環(huán)境的干球溫度有關(guān)。如圖5 所示，機(jī)組功耗隨著室外干球溫度的升高而升高。

圖5 干模式下間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組功耗

2.2.2 濕模式

濕模式下運行時，2 種補(bǔ)冷方式的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組耗電設(shè)備均為室內(nèi)外風(fēng)機(jī)和噴淋泵，但由于機(jī)組設(shè)置的噴淋泵一般為定頻泵，且功率較小，對機(jī)組整體功率影響也較小，如圖6所示。

圖6 濕模式下間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組功耗

2.2.3 混合模式

混合模式下運行時，2 種補(bǔ)冷方式的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組耗電設(shè)備差異較大。采用壓縮機(jī)補(bǔ)冷的機(jī)組耗電量包括室內(nèi)外風(fēng)機(jī)、噴淋泵和壓縮機(jī)的電量；采用水補(bǔ)冷的機(jī)組耗電量包括室內(nèi)外風(fēng)機(jī)、噴淋泵以及滿足補(bǔ)冷量所需的冷凍水系統(tǒng)的電量。如圖7所示，由于壓縮機(jī)能耗高于補(bǔ)冷量所對應(yīng)的冷凍水系統(tǒng)功耗，采用水補(bǔ)冷沒有壓縮機(jī)補(bǔ)冷耗電，水補(bǔ)冷的間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的用電功耗會大幅度降低。

圖7 混合模式下壓縮機(jī)補(bǔ)冷與水補(bǔ)冷機(jī)組功耗

3 能耗分析

3.1 節(jié)能性分析

CLF 指制冷負(fù)載因子，是衡量空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要指標(biāo)。間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的CLF為：

CLF=機(jī)組全年空調(diào)制冷能耗/全年IT設(shè)備總能耗

冷凍水系統(tǒng)作為外置補(bǔ)冷冷源，補(bǔ)冷開啟時水冷冷水機(jī)組效率高于壓縮機(jī)，采用水補(bǔ)冷機(jī)組的CLF 略低于采用壓縮機(jī)補(bǔ)冷的系統(tǒng)。但水補(bǔ)冷與壓縮機(jī)補(bǔ)冷相比，CLF降低的并不顯著，這是由于水補(bǔ)冷機(jī)組的CLF 主要取決于冷凍水系統(tǒng)的CLF、機(jī)組的補(bǔ)冷量和開啟補(bǔ)冷的時長。例如，北京地區(qū)補(bǔ)冷比例較高，但補(bǔ)冷時間較短；貴陽地區(qū)補(bǔ)冷比例較低，但同等工況下冷凍水系統(tǒng)的CLF較高，且補(bǔ)冷時間較長（見圖8）。

圖8 壓縮機(jī)補(bǔ)冷、水補(bǔ)冷的間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的CLF

3.2 節(jié)水性分析

WUE是數(shù)據(jù)中心水資源消耗的重要指標(biāo)。

WUE=機(jī)組全年空調(diào)制冷耗水量/全年IT 設(shè)備總能耗

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的耗水量包括蒸發(fā)水量、排污量和飄逸水量。機(jī)組全年空調(diào)制冷耗水量與室外氣象參數(shù)、運行模式、機(jī)組性能、運行策略、補(bǔ)水水質(zhì)等相關(guān)。年耗水量應(yīng)根據(jù)全年氣象參數(shù)計算，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的補(bǔ)水系統(tǒng)應(yīng)按照設(shè)計工況下最大小時耗水量設(shè)計。圖9 為呼和浩特、北京和貴陽采用壓縮機(jī)補(bǔ)冷、水補(bǔ)冷的間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的WUE對比（WUE 單位L/k·Wh）。采用壓縮機(jī)補(bǔ)冷的機(jī)組其WUE 明顯低于采用水補(bǔ)冷的機(jī)組，這是由于機(jī)組運行在混合模式時，噴淋用水量一致，但補(bǔ)冷時壓縮機(jī)完全不需要消耗水資源，而冷凍水系統(tǒng)仍需消耗較多的水資源。綜上，對WUE 要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)中心，建議采用壓縮機(jī)補(bǔ)冷的間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組。

圖9 壓縮機(jī)補(bǔ)冷、水補(bǔ)冷的間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的WUE

4 應(yīng)用分析

針對間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的補(bǔ)冷方式的應(yīng)用場景進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 補(bǔ)冷方式應(yīng)用場景分析

5 結(jié)束語

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組能夠充分利用自然冷源，在新建、改建數(shù)據(jù)中心中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對間接蒸發(fā)冷空調(diào)機(jī)組的補(bǔ)冷方式進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

a）機(jī)組補(bǔ)冷比例與極端濕球溫度、送回風(fēng)溫度、換熱芯體換熱效率等因素有關(guān)，需綜合確定。極端濕球溫度越高，補(bǔ)冷比例越高；換熱效率越低，補(bǔ)冷比例越高；送回風(fēng)溫差恒定，溫度越高，補(bǔ)冷比例越低。

b）隨著功率密度的增加，壓縮機(jī)補(bǔ)冷失效時機(jī)房內(nèi)溫升的幅度也隨之增加。壓縮機(jī)恢復(fù)補(bǔ)冷時間需根據(jù)補(bǔ)冷比例、功率密度、冷通道送風(fēng)溫度等綜合確定。

c）水補(bǔ)冷的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組CLF 略低于壓縮機(jī)補(bǔ)冷，但壓縮機(jī)補(bǔ)冷的WUE 明顯低于水補(bǔ)冷。水補(bǔ)冷適合應(yīng)用在具有集中冷凍水系統(tǒng)的改造項目或局部使用間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組，其余采用集中冷凍水系統(tǒng)的新建數(shù)據(jù)中心。