【摘 要】：空調(diào)冷源系統(tǒng)耗電在數(shù)據(jù)中心總用電量中占比接近一半。本文主要針對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷源系統(tǒng)，通過對水冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行模式的研究分析，提出了多種行之有效的節(jié)能運行策略，可顯著地降低系統(tǒng)運行費用，同時為今后數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)的節(jié)能減排起到重要的示范作用。

統(tǒng)計顯示，數(shù)據(jù)中心的冷卻用電占機(jī)房總功耗的40%左右。如何降低大型數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)的的運行能耗，從根本上降低PUE(評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo))成為亟待解決的課題。本文分別從制冷主機(jī)運行及控制策略、IDC機(jī)房空調(diào)的合理設(shè)計及系統(tǒng)輕載運行等方面進(jìn)行了闡述，提出了一系列行之有效的數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行模式。

1 制冷主機(jī)運行及控制策略

空調(diào)冷水系統(tǒng)一般包括冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵等主要部件，大多數(shù)建筑物都是使用兩臺(或兩臺以上)的冷水機(jī)組供冷，冷水機(jī)組大部分時間內(nèi)均在部分負(fù)荷下運行。優(yōu)化制冷主機(jī)運行臺數(shù)，同時對冷凍水、冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，能使冷水機(jī)組高效、可靠地運行。

1.1 制冷主機(jī)運行臺數(shù)優(yōu)化

1.1.1 離心式冷水機(jī)組部分負(fù)荷的能效比特點

離心式冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下運行的條件不同，其部分負(fù)荷的能效比變化趨勢不同，根據(jù)冷卻水進(jìn)水溫度變化，冷水機(jī)組在部分負(fù)荷時的運行規(guī)律見表1。

表1 冷卻水進(jìn)水溫度對冷水機(jī)組部分負(fù)荷的能效比影響

冷水機(jī)組是按照設(shè)計工況選擇的，當(dāng)冷卻水進(jìn)水溫度低于設(shè)計工況時，冷水機(jī)組的滿負(fù)荷制冷量可能會大于其設(shè)計冷量(額定冷量)。超額冷量一般是5%左右，它不僅受到“壓縮機(jī)過電流保護(hù)”的限制，而且受到冷凝器與蒸發(fā)器的壓差不宜過低的限制。另外，在冷水機(jī)組負(fù)荷相同的條件下，若冷卻水進(jìn)水溫度降低，則冷水機(jī)組的COP會升高。

冷水機(jī)組在非設(shè)計工況下，仍可能滿負(fù)荷運行。在多臺冷水機(jī)組運行管理中，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷逐步減少時，會關(guān)閉部分冷水機(jī)組，使剩余的冷水機(jī)組在較高負(fù)荷區(qū)域滿負(fù)荷運行。因此在設(shè)計選型時適當(dāng)增加冷水機(jī)組臺數(shù)，在空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷時，減少冷水機(jī)組的運行臺數(shù)是節(jié)能的措施之一。

1.1.2 多臺離心式冷水機(jī)組并聯(lián)運行規(guī)律

據(jù)統(tǒng)計只有15%左右的建筑物使用單臺冷水機(jī)組供冷，而85%左右的建筑物使用兩臺（或以上）的冷水機(jī)組供冷。為了讓每臺冷水機(jī)組運行在高能效的較高負(fù)荷區(qū)域，冷水機(jī)組的群控方案應(yīng)確保每臺冷水機(jī)組絕大部分時間運行在50%以上負(fù)荷范圍內(nèi)，以達(dá)到既節(jié)約冷水機(jī)組運行費用，又節(jié)約與之相對應(yīng)的水泵、冷卻塔的運行時間及電費的目的。當(dāng)建筑物中的冷水機(jī)組的數(shù)量越多時，每臺機(jī)組接近滿負(fù)荷運行的概率越大。

由于大部分建筑物都是使用兩臺(或兩臺以上)冷水機(jī)組供冷，并且冷水機(jī)組的群控方案基本保證每臺冷水機(jī)組絕大部分時間運行在50%以上負(fù)荷范圍內(nèi)，因此在選擇離心式冷水機(jī)組臺數(shù)時，需注意：

• 1）.離心式冷水機(jī)組的NPLV值不能真實反映多臺冷水機(jī)組運行時的實際能耗情況，因此可采取比較離心式冷水機(jī)組的COP為主，比較其NPLV值為輔的方式，評估多臺冷水機(jī)組運行時的實際能耗情況。

• 2）.合理選擇冷水機(jī)組的臺數(shù)，綜合考慮兩方面因素。增加設(shè)計的冷水機(jī)組臺數(shù)是節(jié)能運行的措施之一，在空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷減少時，可減少冷水機(jī)組的運行臺數(shù)。但是需綜合考慮由于冷水機(jī)組臺數(shù)增加，導(dǎo)致冷水機(jī)組的單機(jī)制冷量減少，對于同一系列的機(jī)組而言，單機(jī)制冷量減小，其COP值也相對較小，對冷水機(jī)組的節(jié)能運行不利。

• 3）.從實際出發(fā)選擇冷水機(jī)組的臺數(shù)和單機(jī)制冷量。一般工程以3～5臺冷水機(jī)組為宜，基本上是多臺同一冷量的冷水機(jī)組。這樣既考慮離心式冷水機(jī)組在不同冷量范圍的性價比和COP值，又考慮冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔的互為備用，還考慮冷水機(jī)組的群控系統(tǒng)的復(fù)雜程度及其成本。冷水機(jī)組臺數(shù)過多，會相應(yīng)增大冷水機(jī)房面積，因為每一臺冷水機(jī)組都需要維修空間，并且水泵、冷卻塔所需的空間也相應(yīng)增大。

根據(jù)能效和設(shè)備性能，提供最優(yōu)設(shè)備運行組合和優(yōu)化每臺冷水機(jī)組負(fù)荷分配，可根據(jù)日常運行數(shù)據(jù)，經(jīng)專業(yè)軟件提供智能控制算法以便最大限度的根據(jù)負(fù)載需求實現(xiàn)節(jié)能運行，合理控制冷水機(jī)組運行臺數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)高效節(jié)能地運行。為了讓每臺冷水機(jī)組運行在高能效的較高負(fù)荷區(qū)域，應(yīng)確保每臺冷水機(jī)組絕大部分時間運行在50%以上負(fù)荷范圍內(nèi)，以達(dá)到既節(jié)約冷水機(jī)組運行費用，又節(jié)約與之相對應(yīng)的水泵、冷卻塔的運行時間及電費的目的。

1.2 變工況節(jié)能冷卻水系統(tǒng)

1.2.1 冷卻水溫度的優(yōu)化點確定

冷水機(jī)組提供冷量的同時還產(chǎn)生熱量，通過冷卻塔散熱。冷卻水溫度變化后，冷水機(jī)組能耗和冷卻塔能耗的變化趨勢卻相反，見表2。

表2 冷卻水的溫度對冷卻塔和冷水機(jī)組能耗的影響

故把冷卻塔能耗與冷水機(jī)組能耗相加，可以尋找冷卻水溫度的優(yōu)化點，對應(yīng)于總能耗曲線上的最低點。

1.2.2 冷卻水溫度優(yōu)化點隨運行工況變化而改變

冷卻水溫度的優(yōu)化點取決于很多參數(shù)，如冷卻負(fù)荷、空氣的濕球溫度或環(huán)境狀態(tài)等。冷水機(jī)組和冷卻塔的綜合能耗最低點不是對應(yīng)于恒定的冷卻水溫度點，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)負(fù)荷變化與冷卻水最優(yōu)化溫度點關(guān)系圖

假如在室外濕球溫度18℃時，一臺1550冷噸的離心式冷水機(jī)組滿負(fù)荷的工作狀態(tài)曲線如圖1，它表明在此負(fù)荷、此濕球溫度下，隨著冷卻水溫度的不同，冷水機(jī)組和冷卻塔的總能耗也隨之不同。在此狀態(tài)下的冷卻水的優(yōu)化溫度為24℃，對應(yīng)于總能耗曲線上的最低點。當(dāng)隨著負(fù)荷減少，室外濕球溫度的下降，冷卻水的優(yōu)化溫度也會隨之發(fā)生變化。在冷水機(jī)組荷載達(dá)到1160冷噸時，濕球溫度在14℃的條件下，冷卻水的優(yōu)化點移到了21℃。因此，不同的濕球溫度，不同的冷水機(jī)組荷載會產(chǎn)生出不同的優(yōu)化溫度點。

冷水機(jī)組能耗與冷水機(jī)組的性能曲線有關(guān)，而冷卻塔能耗與冷卻塔的性能曲線有關(guān)，需采用智能化的控制系統(tǒng)將冷卻塔運行控制與冷水機(jī)組運行控制緊密地結(jié)合。

1.2.3 變工況調(diào)節(jié)

冷卻水溫度主要由冷水機(jī)組和冷卻塔性能曲線、空氣濕球溫度和環(huán)境狀態(tài)以及冷卻負(fù)荷這三個方面來確定的。

變工況冷卻系統(tǒng)實質(zhì)是把系統(tǒng)的發(fā)熱量用最小的功耗帶走，并為系統(tǒng)提供相對理想的冷卻水溫度，適應(yīng)不同空氣濕球溫度及不同冷負(fù)荷工況變化，為系統(tǒng)綜合COP做貢獻(xiàn)。

由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時段均運行于部分負(fù)荷下，冷卻塔容量按照滿負(fù)荷配置，同時配有備用冷卻塔及自由冷卻系統(tǒng)冷卻塔(此部分塔在非自由冷卻時段可與主機(jī)配備的塔體聯(lián)合使用)，這些設(shè)備配置就為變工況冷卻系統(tǒng)的實施奠定了基本的物質(zhì)基礎(chǔ)。

在日常運行中，根據(jù)環(huán)境濕球溫度、冷卻水流量、進(jìn)回水溫度，控制風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)與數(shù)量，為主機(jī)提供最佳冷卻水溫，做好相關(guān)數(shù)據(jù)的紀(jì)錄與整理，從中歸納匯總找出內(nèi)在的聯(lián)系及規(guī)律，為主機(jī)運行提供最佳的冷卻溫度，優(yōu)化冷卻水系統(tǒng)運行方案。

同時應(yīng)當(dāng)明確增加冷卻塔運行臺數(shù)、降低冷卻水出水溫度，必然導(dǎo)致冷卻塔蒸發(fā)損失、排污損失及飄逸損失的加大，不可避免的會增大冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)水量，所以確定冷卻水最佳冷卻溫度，需同時考慮補(bǔ)水量的影響。

1.3 適當(dāng)提高空調(diào)供水溫度的節(jié)能運行

適當(dāng)提高制冷主機(jī)的蒸發(fā)溫度及冷水的出水溫度是提升制冷系統(tǒng)整體節(jié)能效果的一個有力措施。

隨著冷水機(jī)組的出口冷水溫度升高，冷水機(jī)組的制冷量逐漸增加，COP值逐漸增加，從4.4℃到9.5℃，冷水溫度升高5.1℃，冷水機(jī)組的冷量增加了30.2%，COP 值增加了7.9%。冷水溫度的升高使冷水機(jī)組的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度升高，從而改善主機(jī)的制冷性能，使得制冷量和COP值增加(見圖2)。如空調(diào)負(fù)荷發(fā)生變化，可以通過調(diào)節(jié)離心式制冷機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉或者調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，改變蒸氣吸入量，以適應(yīng)供冷量的要求。所以提高冷水供水溫度不會引起供冷量偏大的問題。

圖2 冷水溫度對機(jī)組性能的影響

下圖顯示了在不同的出水溫度條件下，冷水機(jī)組的制冷量與用電功率的典型關(guān)系。

圖3 冷水機(jī)組出水溫度與制冷量和用電功率的關(guān)系

不難看出，隨著出水溫度的提升，制冷量和用電功率都在增加，但制冷量的增幅更大。以上分析表明，根據(jù)氣象條件和空調(diào)負(fù)荷的變化，確定合理的供水溫度，這樣既可提高制冷機(jī)組運行能效比，又可延長自由冷卻使用時間。

確定冷水溫度的運行參數(shù)，需根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)負(fù)荷、室外氣象參數(shù)、末端專用空調(diào)處理能力三方面的因素確定。

值得注意的是，冷水機(jī)組的出水溫度也不可以不受限制的提高，且對于末端空調(diào)設(shè)備而言，當(dāng)來自冷水機(jī)組的冷凍水供水溫度提升時，其制冷量將隨之下降，專用空調(diào)的運行臺數(shù)必然會有所增加，其對應(yīng)的功耗也會有一定程度的上升；當(dāng)專用空調(diào)制冷量衰減過大，即會出現(xiàn)末端專用空調(diào)制冷總量無法滿足數(shù)據(jù)機(jī)房所需冷負(fù)荷，那勢必會導(dǎo)致數(shù)據(jù)機(jī)房環(huán)境溫度升高。

2 IDC機(jī)房空調(diào)的合理設(shè)計

2.1 IDC機(jī)房的氣流組織

合理的冷熱通道分布，可以避免因局部熱點，導(dǎo)致空調(diào)溫度設(shè)定過低從而引起的高功耗。機(jī)架“背對背”、“面對面”布置是最基礎(chǔ)的冷熱通道布置(如圖4)，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步考慮封閉熱通道(如圖5)或冷通道(如圖6)，進(jìn)而提高氣流組織的效率，使空調(diào)運行在高效狀態(tài)。通過大量的CFD(計算流體動力學(xué)仿真模擬軟件)模擬，以及現(xiàn)場實測，總結(jié)了大多數(shù)情況下，封閉冷通道效率更高，究其原因是由于冷通道可以使機(jī)柜得到更多的進(jìn)風(fēng)，可以有效冷卻設(shè)備，降低主設(shè)備的出風(fēng)溫度，最終的結(jié)果就是可以提高空調(diào)回風(fēng)溫度的設(shè)定點，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。

圖4 機(jī)房冷熱通道布置示意圖

圖5 封閉熱通道后的溫度場

圖6 封閉冷通道后的溫度場

機(jī)柜內(nèi)氣流設(shè)計是引導(dǎo)空氣最大限度改進(jìn)冷卻效果的關(guān)鍵因素，設(shè)計合理的機(jī)柜，其氣流組織順暢且無冷熱氣流摻混，高效地利用了空調(diào)提供的低溫空氣，提高了冷風(fēng)的利用效率。無論是何種形式的機(jī)柜，都要合理設(shè)計機(jī)柜內(nèi)部的氣流組織。首先，應(yīng)避免氣流受阻，在機(jī)架中應(yīng)留出冷風(fēng)自由上升的通道，避免設(shè)備完全將下送的冷風(fēng)阻擋；其次，應(yīng)避免氣流紊亂，造成冷熱風(fēng)混合，應(yīng)在空位放置機(jī)架擋板（盲板），阻止熱風(fēng)回流。

2.2 IDC機(jī)房熱通道溫度的提高

適當(dāng)提高末端專用空調(diào)回風(fēng)溫度以提高單臺機(jī)組的運行效率，減少運行臺數(shù)，降低末端專用空調(diào)的功耗。較高的回風(fēng)溫度，可以增加服務(wù)器的前后端溫度差，這能在相同熱負(fù)荷的情況下，減少風(fēng)量，同時也可以減少風(fēng)機(jī)風(fēng)量和轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)的功耗它根據(jù)的轉(zhuǎn)速比值是一個立方的關(guān)系，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低一半的時候，它的功耗只相相當(dāng)于原來的八分之一。

提高回風(fēng)溫度，可以隨之提高供水溫度，通過加大進(jìn)出空調(diào)機(jī)組的溫度差，提高單臺專用空調(diào)的顯冷量，消除潛熱損失。

2.3 專用空調(diào)的智能群控管理

空調(diào)機(jī)房設(shè)有多套機(jī)房專用空調(diào)，如果不進(jìn)行群控管理，就會出現(xiàn)如下兩種情況：

• 1）.即使空調(diào)冷卻需求下降，仍保持多臺機(jī)組的運行狀態(tài)；

• 2）.出現(xiàn)部分機(jī)組在制冷，部分機(jī)組在加熱，或部分機(jī)組在加濕，部分機(jī)組在除濕的競爭運行狀況。

在這種情況下，就需對多臺空調(diào)進(jìn)行群控管理，包括：

• 1）. 能實現(xiàn)系統(tǒng)中主、備空調(diào)機(jī)之間的自動切換，系統(tǒng)中空調(diào)機(jī)應(yīng)定時輪換作為備份機(jī)組，保證整個系統(tǒng)的可靠性；

• 2）.判斷機(jī)房總的冷量需求，根據(jù)冷卻需求，判斷開啟的空調(diào)臺數(shù)；

• 3）.判斷機(jī)房總的溫度控制或濕度控制趨勢，保持多臺機(jī)組協(xié)同運行，避免出現(xiàn)制冷、制熱同時出現(xiàn)，或加濕、除濕同時出現(xiàn)的情況。

3 輕載運行

數(shù)據(jù)中心通常發(fā)熱量大，導(dǎo)致配置的水冷主機(jī)容量較大。但數(shù)據(jù)設(shè)備的啟用是一個逐步發(fā)展的過程，其發(fā)熱量必然隨之由小到大逐步增加，起始負(fù)荷甚至是幾十千瓦。所以數(shù)據(jù)機(jī)房水冷空調(diào)存在一個初始啟動輕載運行的階段，這個階段雖然短暫，但卻必不可少無法逾越，對這個過程必須做出充分考慮，才能滿足數(shù)據(jù)中心的制冷需求。

3.1 風(fēng)冷末端的配置

在空調(diào)系統(tǒng)初期冷負(fù)荷較低時，可通過配置末端風(fēng)冷專用空調(diào)解決數(shù)據(jù)機(jī)房初期平滑帶載問題；同時避免了水冷主機(jī)初期“大馬拉小車”而產(chǎn)生的低效率、高能耗問題。

隨著裝機(jī)容量的提高，達(dá)到水冷主機(jī)的合適啟動負(fù)荷，即可啟用水冷主機(jī)，此時每個機(jī)房的風(fēng)冷專用空調(diào)轉(zhuǎn)為備用；隨著冷負(fù)荷的逐步增加至滿負(fù)荷時，一部分風(fēng)冷專用空調(diào)可以轉(zhuǎn)為主用，以彌補(bǔ)水冷空調(diào)冷量的不足，將不會影響水冷空調(diào)規(guī)?；?jié)能效果。

3.2 蓄冷罐的運行

為保障數(shù)據(jù)機(jī)房制冷的連續(xù)性，空調(diào)系統(tǒng)均配置有支撐系統(tǒng)滿負(fù)荷運行15~20分鐘的蓄冷水量(貯存于蓄冷罐內(nèi))。當(dāng)數(shù)據(jù)機(jī)房運行初期，數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)熱量很低的輕載運行階段，可充分使用蓄冷罐內(nèi)蓄存的冷量，減少主機(jī)開啟次數(shù)；即使在制冷主機(jī)可以開啟運行的條件下，初期冷負(fù)荷較不穩(wěn)定，也會導(dǎo)致主機(jī)頻繁啟動、影響主機(jī)壽命。由于蓄冷罐的存在，當(dāng)?shù)拓?fù)荷不穩(wěn)定運行時，會延長主機(jī)運行及停機(jī)時間，避免主機(jī)頻繁啟動。以冷負(fù)荷為422kW(主機(jī)冷量的10%)為例，蓄冷罐可維持系統(tǒng)運行320分鐘(5小時20分)，即主機(jī)的啟停間隔為320分鐘。

3.3 自由冷卻的運行

冬季自由冷卻技術(shù)是利用自然冷源實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的一項重要技術(shù)。在過渡季節(jié)和冬季，利用室外溫度較低的空氣溫度進(jìn)行降溫，相對常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)在相同氣候條件下的運行能耗具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。對于需要全年供冷的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，自由冷卻技術(shù)的使用有很好的節(jié)能潛力。

自由冷卻系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)并聯(lián)連接，配置相應(yīng)的板式換熱器、冷卻塔、一次水側(cè)循環(huán)泵及二次水側(cè)循環(huán)泵。在不使用自由冷卻系統(tǒng)的季節(jié)，冷卻塔可與主機(jī)配備的冷卻塔一并使用，以此降低冷卻水溫，進(jìn)而提高主機(jī)COP值。

由于空調(diào)系統(tǒng)配有自由冷卻系統(tǒng)，如輕載運行階段處于過渡季節(jié)或冬季等室外溫度較低時期，可獨立運行自由冷卻系統(tǒng)，通過冷卻塔將內(nèi)部少量熱量排至室外，保證數(shù)據(jù)機(jī)房室內(nèi)溫濕度的要求。

4 總結(jié)

針對數(shù)據(jù)機(jī)房水冷空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型運行策略主要有：

1).根據(jù)系統(tǒng)日常運行的情況，綜合考慮環(huán)境濕球溫度、冷卻水流量，冷卻塔運行臺數(shù)及補(bǔ)水量等因素，總結(jié)出主機(jī)最佳的冷卻水溫度，優(yōu)化系統(tǒng)運行。

2).根據(jù)室外氣象條件、空調(diào)負(fù)荷的變化和末端專用空調(diào)的處理能力，確定冷水機(jī)組合理的供水溫度，這樣既可提高冷水機(jī)組運行能效比，又可延長自由冷卻使用時間。

3).適當(dāng)提高末端專用空調(diào)回風(fēng)溫度可以提高單臺機(jī)組的運行效率，減少運行臺數(shù)，降低末端專用空調(diào)的功耗，消除潛熱損失。

4).機(jī)房建設(shè)應(yīng)確保密封隔熱性，機(jī)房內(nèi)的冷熱通道封閉和機(jī)柜內(nèi)部設(shè)計合理的氣流組織，提高冷量的有效利用率，降低數(shù)據(jù)機(jī)房的運行能耗，降低PUE值。

5).設(shè)置有效的群控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)主、備機(jī)定時輪換，控制冷水機(jī)組運行臺數(shù)確保主機(jī)在高負(fù)荷區(qū)域運行；實現(xiàn)末端專用空調(diào)的主、備機(jī)定時輪換、控制運行臺數(shù)、保持多臺機(jī)組協(xié)同運行。

6).在常規(guī)的制冷系統(tǒng)中，增設(shè)自由冷卻系統(tǒng)。在冬季和過渡季節(jié)有效地利用自然冷源進(jìn)行制冷。在不使用自由冷卻系統(tǒng)的季節(jié)，冷卻塔可與主機(jī)配備的冷卻塔一并使用，提高主機(jī)COP值。

7).充分利用空調(diào)冷源系統(tǒng)配置的蓄冷罐、自由冷卻系統(tǒng)及末端配置風(fēng)冷專用空調(diào)實現(xiàn)輕載負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)運行。

本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心水冷空調(diào)冷源系統(tǒng)的節(jié)能運行

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