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數據中心空調系統節能策略研究
  • 數據中心空調系統的能耗是數據中心PUE最大的影響因素之一,空調系統節能是數據中心節能的核心。本文以上海某在建大型數據中心空調系統與設備為分析對象,研究分析了數據中心空調系統的節能方法,提出了相關節能運行策略,為今后數據中心的節能運行提供技術參考。
  • 一、前言
      
      近年來,隨著我國經濟發展和科技進步的需求,數據中心行業步入快速發展期,同時數據中心的能源消耗也逐年遞增,詳見圖1。近3年內年用電量占比增速在10-12%之間,年耗電量增加非常迅猛。數據中心已經成為重大的耗能產業。如何有效的控制數據中心的能耗,已經成為數據中心建設和運行管理的最重要挑戰之一。2021年7月國家發布了《新型數據中心發展三年行動計劃(2021-2023年)》,其中要求“新建大型及以上數據中心PUE降低到1.3以下,嚴寒和寒冷地區力爭降低到1.25以下?!边@也對數據中心能耗提出了更嚴格的要求。事實上,多年來人們一直都在研究和討論數據中心如何降低能耗。
      
      戴新強等人以水冷冷凍水系統為例,分析了數據中心空調系統的節能潛力和節能技術,認為空調系統的節能潛力巨大,是數據中心節能的重點,提出了合理提高冷凍水供回水溫度、提高送風溫度,增加自然冷源利用時間;選擇高效節能空調設備;制定低負載運行方案,利用蓄冷罐儲存的冷水,避免主機頻繁啟停;優化、空調系統設計,合理設計空調管路與閥門等運行策略。陳娟[2]對北京某數據中心空調系統進行詳細調研,全面分析了空調系統用能情況及存在的問題,提出在設計階段,應充分考慮實際用能和實際情況,結合未來發展選擇空調制冷設備,應避免選型過大等浪費現象。在設備投入運行后,要以設備安全運行和高能效運行為指導思想,將設備節能運行和末端控制結合起來,提高數據中心的HVAC系統能效。
      
      折建利等人則通過對傳統數據中心常規空調系統存在的問題進行了總結進而提出了新型自然冷卻的幾種形式,對風側自然冷卻和水側自然冷卻的幾個典型應用形式進行了分析介紹,總結出自然冷卻技術將是數據中心空調系統未來的發展趨勢。
      
      康南等人在中國聯通呼和浩特云數據中心,基于氣候條件,通過自然冷卻技術,利用板式換熱器、冷卻塔等為數據機房提供冷源,并與冷水機組供冷模式進行節能對比分析。他們的實踐結果表明,在滿足機房的供冷需求的同時,自然冷卻具有良好的節能效果。
      
      以上這些研究和實踐都在數據中心暖通系統的一個部分和實踐層面進行了探討,對實現綠色數據中心的設計、運行策略等給出了優化建議與策略。
      
      孫海峰[5]提出對數據中心冷凍水制冷系統采用“基于功率的轉速控制”和“基于功率時序控制”來實現高效安全節能優化。他提出的“基于功率的轉速控制”是采用一種被稱作“等邊際原則”的控制方法來計算和確定冷凍機、冷卻泵和冷卻塔風機之間的最佳功率關系,并在三個系統之間進行負載與效率的平衡,從而獲得最佳的系統凈效率。他認為傳統的控制方法,即“基于容量的電動設備時序控制方法”,是為滿足數據中心不斷變化的負荷,使工作中的設備全速運轉,直至按時序加載或卸載一臺設備。而按“基于功率的時序控制”方法,在非滿負荷條件下,組成設備將始終按其自然曲線在效率峰值狀態下工作。通過確定系統最佳效率并在所有系統組成設備之間進行功率-效率的平衡,讓所有工作負載的制冷需求得到滿足。在某數據中心實踐了該種控制方法,啟用了數據中心的制冷系統的冗余設備,將全部冷機投入使用,使原始的制冷系統效率從0.83kW/t提高到了0.52kW/t,年運行成本也從$804K降低到了$493K,取得了良好的節能效果。
      
      趙磊、肖武[6]分析了間接蒸發冷卻技術在數據中心中應用的背景,對間接蒸發冷卻技術原理進行了介紹,通過實際案例對間接蒸發冷卻技術在項目中的應用進行了初投資和運行費用的分析比較。他們的研究表明間接蒸發冷卻技術在我國絕大部分地區都有著不小的節能潛力,且更適用于高緯度寒冷干燥地區。隨著緯度的升高,空氣的干燥度越大,間接蒸發冷卻設備的節能效果越顯著,但是在嚴寒地區例如哈爾濱,其溫度在冰點以下時間太多,造成噴淋時間減小,不能充分利用高效的蒸發冷卻,故比更干燥的地區需要更多的電能進行制冷。間接蒸發冷卻機組的初投資相對較高,但電費可以有很大的節省,一般2~4年內相對普通的冷凍水型精密空調機組可以達到盈虧平衡點,且能降低數據中心配電成本。這些研究和分析或者基于獨立設備,如間接蒸發冷卻空調,或基于控制策略概念性敘述,或是對數據中心系統優化方法做概念性描述,很難用于指導數據中心節能運行策略實踐。
      
      本文將依據上海某大型數據中心空調制冷系統各主要設備的實測性能數據與理論分析,詳細探討數據中心空調制冷系統各設備的節能運行策略,為未來數據中心的節能運行與設計優化提供理論與實踐依據。
      
      二、上海某大型數據中心空調系統介紹
      
      該數據中心位于上海,1期總建筑面積約6萬平方,總規劃機架數約為5000架。其主供冷系統采用的是6套節能型水冷冷凍水系統,每套系統均采用磁懸浮變頻冷水機組,2+1模式配制,并對應配置冷凍水泵、冷卻水泵、開式冷卻水塔、水處理及補水裝置。同時為每臺冷機配板式換熱器,用于過度季節和冬季采用自然空氣冷源。機房內采用冷凍水型列間或房間級精密空調。系統設2臺250m3儲冷罐,可保證系統最長20分鐘的不間斷供冷需求。
      
      系統中冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機、各型精密空調風機都采用變頻控制系統。冷凍水和冷卻水主干網、每層空調水系統都采用環網布置,避免發生單點故障影響整個管網系統。
      
      三、數據中心供冷系統節能原理與策略分析
      
      1.機房精密空調節能原理與策略
      
      該數據中心機房精密空調皆采用EC變頻風機水冷精密空調。該項目所選精密空調購自國內某知名品牌,產品技術具有一定的代表意義。所采用的水冷精密空調主要為水冷房間級空調和列間空調。房間級空調的主要參數為:顯冷量150kW,額定風量39000m3/h,余壓150Pa,送風20,60%rh,回風32℃,30%rh,額定制冷功率9.45kW,EC風機,下送風上回風;列間空調主要參數為:顯冷量44kW,額定風量11050m3/h,余壓20Pa,送風20℃,60%rh,回風32℃,30%rh,額定制冷功率.05kW,EC風機,前送風后回風。
      
      我們采用標準焓差室對該品牌的房間級空調和列間空調的樣機,在設定工況不同空調負荷下的功耗進行了測試。主要對100%、80%、60%和40%冷負載下的功耗進行了測量,具體結果見圖3。
      
      從測試結果可以發現,隨著冷負荷下降,這2種精密空調的能耗都大幅下降,例如對房間級精密空調,當負荷從100%下降到80%時,功耗從約9.5kW下降至不足4.5kW,降幅約50%;對于列間空調,從圖3中可以看到類似的規律,在負荷下降20%的情況下,功耗下降了約50%。
      
      從變頻精密空調測試結果得出,隨變頻精密空調負載率下降,空調能耗有較大下降,效率提升約160%。這提示我們,保持變頻精密空調在較低負載下運行,是一個有效的降低數據中心能耗的途徑,具體措施則是在正常負載下,除正常運行的空調外,同時開啟部分或全部備機,用于降低各機的負載率,總供冷量保持不變的情況下,能效得到極大提示。需要注意,我們的測試表明,EC變頻空調在負載率低于60%時,空調送風余壓會有大幅降低,降低約40%。為保證送風壓力,建議保持空調負載率在60%及以上。
      
      2.冷水機組的節能原理與策略
      
      此數據中心采用某國際知名品牌的變頻磁懸浮離心式冷水機組,采用2+1配置,單機制冷量為1300rt,冷凍水供、回水溫度分別為15℃、21℃。同時,冷水機組配合板式換熱器共同工作,以便在過度季和冬季,實現部分和全部自然供冷。整套制冷系統中,冷凍水泵采用二次泵系統,其中一次泵與冷水機組一一對應,同時板式換熱器也與冷水機組一一對應。冷水機組的供、回水主管采用環網結構,具體流程可見圖2。二次泵從冷水機組的供回主管環網中吸取冷凍水,送往末端,其供水干網同樣采用環網型式,提升供水可靠性。二次泵與冷水機組不存在一一對應關系。
      
      圖4顯示了該磁懸浮離心式冷水機組在冷供、回水溫度為15℃、21℃下,對應不同冷卻水進口溫度時,其COP在不同負載率下的變化規律。從圖4中可以看出,在各冷卻水進口溫度下,該型變頻冷水機組COP的變化規劃存在共性:
      
      1)冷水機組COP效率最高的區間出現在負荷30%-60%之間;
      
      2)冷卻水進口溫度越低,COP效率越高,且隨水溫下降,COP增長率變大,圖5中可以明顯的看出這樣的變化,隨冷卻水進口溫度下降曲線斜率在增加;
      
      3)冷水機組滿負荷運行時,COP效率偏低;
      
      4)同一冷卻水進口溫度下,冷水機組COP隨負載率的降低,呈現先增加,在40%負載左右達到最大后,逐步下降的趨勢;
      
      5)冷水進口溫度較低時,低負載區間的機組COP要遠大于滿載時的COP,典型表現見圖4中18℃和22℃的曲線。
      
      圖6顯示了冷卻水進口為26℃時冷水機組COP及功耗變化趨勢。從圖中可以看出,在30%以上負荷時,隨著冷水機組負荷率下降,功耗變化都為負值,即功耗一直在降低,當負荷率低于30%以后,隨負荷進一步下降,功耗反而呈增加趨勢,且增加較大。
      
      綜合上述對變頻磁懸浮離心式冷水機組性能數據的分析可以得出以下分析結論:
      
      1)在冷凍水溫一定的情況下,冷卻水溫越低,冷水機組的效率越高,機組能耗越低;
      
      2)在同一冷卻水進口溫度下,冷水機組在負載率高于30%時,隨著負載率下降,機組效率提升,能耗下降;
      
      3)對變頻冷水機組,負載率30%-50%是能效表現最佳區間,滿載時能效較差。
      
      這提示我們,在數據中心供冷系統運行時,應盡量避免冷水機組滿載運行,根據總體負載情況,讓冷水機組個體多工作在最佳運行工況附近,如40%-50%區間內。且當冷卻水進口溫度較低時,在保持冷水機組正常運行的前提下,讓機組低負荷運行比滿載運行更有利于節能降耗。
      
      3.冷卻塔運行策略分析
      
      本項目采用某國際知名品牌的橫流開式冷卻水塔,配合冷水機組工作,同樣采用2+1配置,單機選型流量750m3/h,供、回水溫差6℃,選用變頻風機,風機采用變頻電機,功率60kW。
      
      依據冷水機組的節能原理,冷卻水溫度的高低在很大程度上影響著冷水機組的效率和能耗。因此,認識清楚冷卻水塔在不同工況下的出水溫度規律,對制定相關的節能策略是非常關鍵的。根據冷卻水塔廠家提供的性能數據,我們研究了不同環境濕球溫度下,不同負載情況下,冷卻水塔出水溫度的變化規律,具體見圖7。圖7顯示了冷卻水塔6℃供、回水溫差工況情況下,60%、80%和100%負載情況下,冷卻水塔出水溫度隨環境濕球溫度的變化情況。從圖中可以看出,在濕球溫度高于22℃時,不同負載率下冷卻水塔的出水溫度基本一致。再當濕球溫度更低時,出水溫度差異逐漸變大,且負載率越低,冷卻水塔出水溫度也越低。以濕球溫度14℃時為例,60%負載下出水溫度約17℃,100%負載的約20℃,約有3℃溫差。同時,隨著負載率降低,出水溫度持續降低的幅度約小。
      
        
      T0——蒸發溫度
      
      Tk——冷凝溫度
      
      按逆卡諾循環效率公式(1)分析,蒸發溫度不變,冷凝溫度下降3度,效率約提升25%,耗功減少約20%,節能效果明顯。
      
      圖8顯示了100%工況下,冷卻水供、回水對冷卻塔出水溫度的影響??梢钥闯?與負載率的影響類似,隨著環境濕球溫度降低,供回水溫差越小的工況,冷卻水塔的出水溫度顯示更低。但在高濕球溫度情況下,出水溫度沒有明顯差異。
      
      此外,冷卻水溫度降低后,除了可以提升冷水機組制冷效率,降低冷水機組功耗外,也有利于制冷系統更快的進入全部自然冷供冷模式,從而大大降低數據中心全年PUE。
      
      綜合上述分析,我們可以得出以下結論:
      
      1)在制冷系統正常工作時,在環境濕球溫度低于24℃時,可采取措施,如打開備機等方法,避免冷卻水塔工作在滿載工況,以得到更低的出水溫度,從而提高冷水機組的效率,達到降低制冷系統整體功耗的目的;
      
      2)在冷卻水泵運行工況允許的情況下,當環境濕球溫度較低時,可提高冷卻水流量,降低供回水溫差,達到降低冷卻水出水溫度的目的;
      
      3)避免開啟不必要的冷卻水塔,如冷卻水塔已經工作在60%負載及以下時,不必開啟新的冷卻水塔,以得到更低的負載工況。因為更低負載工況下,冷卻水塔出水溫度變化不大,冷卻水塔的功耗反而增加了,對總體能效表現不利。
      
      四、總結
      
      數據中心已經成為高耗能行業,國家對數據中心的能耗要求也越來越嚴格,而數據中心主要能耗系統除IT設備外,主要是空調系統,如何有效的控制、降低數據中心空調系統的能耗已經成為數據中心管理和運營的核心目標之一。
      
      本文以上海某在建大型數據中心空調系統與核心耗能設備為分析對象,依據設備廠驗測試數據與廠家提供的設備性能數據,重點研究、分析了數據中心空調制冷系統中精密空調、冷水機組和冷卻水塔等設備的節能運行策略,總結如下:
      
      1)空調系統中各設備應盡可能采用變頻控制;
      
      2)變頻精密空調應避免滿負荷運行,通過啟用備機等手段,保持各空調負載率在60%-80%,能達到非常好的節能效果,但應避免負載率低于50%;
      
      3)同工況下,變頻磁懸浮冷水機組最佳的運行工況區間在負載率30%-50%之間,負載率越高,效率在下降,應根據總體負荷情況,通過啟停機策略避免冷水機組工作在高負債區間,以提升制冷系統總體能效;
      
      4)冷卻水溫度對冷水機組的效率有較大影響,冷卻水溫度越低,冷水機組效率越高,應盡可能降低冷水機組冷卻水進口溫度,且冷卻水溫度越低,制冷系統也能更快進入全自然冷供冷工況,有效提升空調系統全年的能效;
      
      5)同樣環境溫度情況下,冷卻水塔的負荷率和供回水溫度對冷卻水塔的出水溫度有較大影響,在條件許可的情況下,在室外濕球溫度低于24℃時及以下時,可以通過增開冷卻水塔,降低冷卻水塔負載率,以及增加冷卻水流量降低供回水溫差的策略,提前降低冷卻水出水溫度,從而提升制冷系統全年能效。需要注意當冷卻水塔負荷低于60%及以下時,不建議繼續通過增開冷卻水塔的方式減少其負荷,此時冷卻水塔功耗增加較大,反而降低整體系統的能效。
      
      參考文獻
      
      [1]戴新強,丁衛科,黃建如,etal.數據中心空調系統能耗與節能應用研究[J].中國設備工程,2020,No.440(04):19-21.
      
      [2]陳娟.北京某數據中心空調制冷系統用能分析[J].節能,2015,034(003):46-8.
      
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      [5]孫海峰.數據中心冷凍水系統高效安全與節能優化[J].上海節能,2018,(12):978-81.
      
      [6]趙磊,肖武.間接蒸發冷卻技術在數據中心應用的經濟性分析[J].制冷與空調,2020:68-73.
      
      作者簡介
      
      陳東升,畢業于上海交通大學,工學博士,目前研究方向數據中心節能運行及優化,新能源技術及其應用,節能減排等,現就職上海達卯科技有限公司。
      
      編輯:Harris

     

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