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中国约有数据中心50万个,空调系统耗能极大,如何设计才更节能?

山东同圆设计集团有限公司 宫晔

随着网络、信息技术的不断推进,当今社会已经全面进入信息化阶段。信息化的发展对“数据中心”的建设产生了巨大的需求,当前中国约有数据中心 50 万个(以中小型数据中心为主), 2007 年至 2012 年间,国内数据中心市场投资额的年增长率约为 20%,而数据中心业务销售额的平均年增长率更是达到了 35%。

据中心的能耗是指数据中心中各种用能设备消耗的能源总和。根据目前数据中心的能效水平,能耗构成中 IT 设备能耗约占总能耗的 50%,空调系统能耗约占 40%,配电系统能耗约占 10%。对于数据中心的空调系统,主要作用就是带走 IT 和配电设备的发热量,维持温湿度的恒定。因为 IT 与配电设备的绝大部分功耗都转变成了发热量,所以数据中心空调系统的能效指标( COP)大体为 IT 设备能耗与空调能耗的比值。即 50% 比 40%,约为 1.25 左右,最大不高于 1.5。这样的能效水平可以算低下,具有较大的提升空间。树上鸟教育暖通设计在线教学杜老师。

数据中心

一、设计中存在的问题

数据中心空调的能效为何如此之低?通过对当前数据中心的研究发现,大多数数据中心的空调系统都存在着如下一系列的设计问题。

( 1)为了服务器工作人为营造低温环境,完全采用人工制冷,没有利用自然冷源自然冷却。改进冷源形式往往是最为经济有效的节能方法,制冷机在空调系统中耗电最大,以冷却塔免费供冷代替制冷机,依靠自然冷源提供冷量,会使空调系统的整体运行能耗大幅下降,是效果显著的节能途径。而在实际应用中,采用自然冷源存在系统整合难、切换难、维护难的特点,所以目前国内只有少部分的大型数据中心成功有效的使用了该技术。

( 2)没有充分利用空调系统的诸多节能技术。空调系统中节能效果突出的余热回收、蓄冷、变风量、变频等技术,在数据中心中很少采用。因为数据中心所其提供服务的特殊性,数据安全是首要因素,宕机是不允许出现的情况。空调系统作为服务器正常工作的保障,管理者更关注其制冷能力是否有足够的冗余量,某台空调发生故障时能否及时开启备用设备,对设计的要求必然保守。而节能技术需要积少成多、其效果需日积月累才能体现,如果担心某技术对空调的稳定性可能产生影响,往往倾向于不采用。

( 3)空调设备制冷量与实际负荷的匹配存在问题。机房内的机架通常是逐步投入、不断扩容的,而空调负荷与气流组织则是建设阶段对机房整体考虑设计的。运行初期投入使用的机架数少,空调系统部分负荷下运行,效率不高。而后期投入使用的新型的机架,往往功率更大,发热密度更高,却受制于机房现有格局,不能被摆放在气流组织有利的位置。这样,随着机架不断进场,机房内始终冷热不均,管理者只能调低空调机的温度设定值,造成过度制冷,导致空调能耗居高不下。

数据中心

( 4)设计选用的空调机型参数与机房运行时的真实热工况存在偏差。据调查发现,目前约 85%的数据中心空调机组耗能比设计工况高 50% 以上。现行数据中心设计均参照的是国标《电子信息系统机房设计规范》及美国 TIA-942 标准,精密空调机组的设计运行温 / 湿度为 23℃±1℃/50%,加之现有精密空调生产厂家所提供的室内机回风工况参数多为 24℃/50%。

故空调设计时多按照此工况点进行选型。而服务器机架的发展趋势是高度集成化,单个机架的功率越来越大,机柜出风口温度很高,实际运行中很容易出现局部温控点温度超标的现象,应对办法就是将空调机组设定的回风温度 24℃ 调低。

假如调低空调机组设定温度 2℃, 那么按回风参数24℃ 选型出来的空调机组对应 22℃ 的工况点,直接膨胀式空调压缩机 COP 值会下降约 7%,显冷量会下降 8%~19%,冷冻水式空调机组的显冷量会下降 13%~16%。因机房负荷全部是显热负荷,则能耗增加了大约 15%~25%。若继续调低空调机运行工况参数设定点,对应的能耗会呈现非线性的增长。

( 5)精密空调机组温湿度一起控制的模式,造成了先除湿再加湿的能耗浪费。在干球温度 23℃,相对湿度 50% 的室内状态点,露点温度为 11.9℃,空气经过表冷器时降温除湿。而机房运行过程中基本无散湿量,所以空气湿度降低,超过设定下限后空调自动开启加湿功能,此时加湿器给空气等温加湿,增加了空调潜热冷负荷,空调能耗显著上升。

二、实施方案

以大连地区一个 2500 个机架的数据中心为例,针对发现的问题,综合采用多种节能技术,寻求一套解决数据中心高能耗的有效方法,在不影响可靠性的前提下实现空调能耗的降低。采用如下措施进行节能设计:

选用 800RT 离心式冷水机组三台(输入功率466kW), 400RT 螺杆式冷水机组两台(输入功率265kW),总制冷量 3200RT,另根据机房级别设置备用。运营初期负荷极小的情况下,利用螺杆机调节范围的优势,避免部分负荷的低能效和系统喘振。根据气象参数、工程设计条件确定系统供回水温度,计算免费供冷的切换温度并结合实际情况适当降低确定实际切换温度,以避免频繁切换,获得合理的免费供冷期。

期内对应制冷机设计匹配的冷却塔、板式换热器,用于自然冷却免费间接供冷。当季节过渡,室外湿球温度超过切换温度时开启制冷机,制冷机配变频器可实现冷却水的低温运行,最低运行温度可低至 13℃。更低的冷凝侧温度使机组在小压缩比工况下工作,性能系数 COP 值大幅提高,相当于间接利用了自然冷源免费供冷。

数据中心

配合以上技术措施,冷冻水侧采用 12℃/18℃的高水温,一方面进一步降低压缩比,另一方面高于室内空气 11.9℃ 的露点温度,实现了空调末端干工况运行。干工况不仅简化了系统,更适用于机房的工作环境,更是杜绝了不必要的除湿再加湿过程抵消的制冷量。与提高的冷冻水温相对应,空调器回风温度提高至 30℃,既加大了送风温差降低能耗,又使末端设定工况更接近实际情况,有利于运行的控制。

本工程采用的各项技术措施之间关系密切,不可相互孤立使用,需结合实际情况整体性灵活运用。

三、经济指标

按照该数据中心节能设计,冷却水夏季 30/36,冬季 10/16 经板换至 12/18 冷冻水 12/18。夏季冷却塔冷幅 5℃,湿球温度 25℃。冬季冷却塔冷幅 8℃,切换湿球温度 2℃。根据设计温度可确定空调系统免费供冷期约为 100 天,过渡期约为 120 天,夏季标准运行工况约为 145 天。

(1)免费供冷期

单台制冷机压缩机运行功率 413kW,全部自然冷却,相当于可节约电量 413kW,考虑管道电伴热、积水盘电加热等因素,节能效果按 75% 计算,则 4 台机组共节能 413×75%×4=1239kW,年节约电量 297 万 kW·h。

(2)过渡季

制冷机配变频器可实现冷却水低温运行,最低温度可达 13℃。整个过渡季按冷却水平均水温22/28℃ 考虑,冷冻水按 7/12℃ 考虑,同一制冷机组较标准工况下输入功率降低, 800RT 的制冷机在过渡季实际运行功率为 413kW,则 4 台机组共节能99×4=396kW,年节约电量 114 万 kW·h。

(3)夏季

提高冷冻水温,制冷机 COP 提升带来的能耗节约:

节能

合计年节约电量 81 万 kW·h。

湿空气焓湿图(大气压力: 99453Pa)

(4)常规冷冻水供回水温度

7/12℃ 工况下,整个数据中心机房部分选用空调器 54 台,空调器单 台 制 冷 量 170kW, 风 量 41400m3/h, 输 入 功 率8.0kW。其送风状态点 A(见下页焓湿图):干球温度 12.1℃,湿球温度 11.3℃, d=8.2g/kg。机房内基本无湿负荷,空气吸收机架散热后升温到新建状态点 B: 干 球 温 度 23℃, d=8.2g/kg,i=44.1kj/kg; 再通过而电极式蒸汽加湿器等温加湿,到达室内状态点 C:干球温度 23℃, d=8.9g/kg , i=45.9kj/kg。从B 到 C 过程的⊿ i=1.8 kj/kg,即为除湿又加湿过程增加的潜热冷负荷:1.8kj/kg×41400m3/h×1.2kg/m3×54=1341kW。

按冷水机组 COP 值 6.0 计算,此部分耗电功率223.5kw,即为可节约能耗。全年可以节约电量为196 万 kW·h。

(5)提高冷冻水温带来了空调器末端制冷能力的降低

整个数据中心机房部分选用空调器 54 台,空调器单台制冷量 170kW,风量 41400m3/h,输入功率 11.2kW。常规冷冻水供回水温度 7/12℃ 工况下,单台空调器输入功率只需要 8.0kW。故单台能耗增加 3.2kW, 54 台机组共增加 172.8kW。全年增加耗电量 151 万 kW·h。

各项措施综合累计节能效果:297+114+81+196-151=537kW。

本数据中心设计年耗电量为 7737 万 kW·h,其中空调系统耗电约为 3100 万 kW·h。采用本技术措施节能约 17.32%。

四、小结

本项目采用的节能技术抓住了数据中心空调能耗过高的根本原因,有针对性的解决了空调设计中节能技术不敢用无法用的问题,通过多种技术措施的配合使用,在保证系统可靠性的前提下,起到了显著地节能效果。

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