淺析自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用

李雙磊

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司）

淺析自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用

李雙磊

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司）

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心作為能耗大戶，其能耗指標(biāo)越來越被重視。為達(dá)到最佳的PUE值，數(shù)據(jù)中心暖通設(shè)計(jì)時(shí)也引入了多種措施，以期降低機(jī)房的PUE值。本文就自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用闡述了作者的一些觀點(diǎn)。

風(fēng)冷冷水機(jī)組；互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心；暖通設(shè)計(jì)；節(jié)能減排

隨著近幾年電商大戰(zhàn)日趨激烈，正式宣告互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入云時(shí)代。阿里、百度、騰訊等均在各地部署其區(qū)域核心網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)浪潮也達(dá)到了前所未有的高度。隨之而來的問題是如何建設(shè)一個(gè)高效節(jié)能的綠色數(shù)據(jù)中心，最大限度降低機(jī)房的能效指標(biāo)，在滿足安全生產(chǎn)的前提下，節(jié)省數(shù)據(jù)中心的能耗。

本文就自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用做了一些對(duì)比，旨在探討如何因地制宜地選擇暖通設(shè)計(jì)方案，以其在保證機(jī)房的安全的前提下，更好地降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，希望能對(duì)降低機(jī)房整體的PUE值有所幫助。

1　風(fēng)冷冷水系統(tǒng)簡介

風(fēng)冷冷水機(jī)組（air-cooled chiller）：利用外界空氣直接冷卻冷凝器中冷媒的冷凍水機(jī)組。相較于傳統(tǒng)意義上的水冷式冷水機(jī)組，其冷卻系統(tǒng)少了冷卻塔和對(duì)應(yīng)的循環(huán)冷卻水泵。

風(fēng)冷冷水機(jī)組的工作原理：利用殼管蒸發(fā)器使水與冷媒進(jìn)行熱交換，低溫冷媒系統(tǒng)在吸收水中的熱負(fù)荷后，使水降溫產(chǎn)生冷水后；高溫的冷媒通過壓縮機(jī)的作用，將其帶至翅片式冷凝器，由散熱風(fēng)扇散失到外界的空氣中。其工作原理示意圖如圖1。

圖1　風(fēng)冷冷水機(jī)組工作原理示意圖

自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的工作原理：相比傳統(tǒng)意義上的風(fēng)冷冷水機(jī)組，其多出一套風(fēng)冷自然冷卻換熱器。在過渡季節(jié)及冬季時(shí)，直接利用此換熱器與外界冷風(fēng)進(jìn)行熱交換生產(chǎn)冷凍水，壓縮機(jī)基本處于待機(jī)或停開狀態(tài)，大大節(jié)省了空調(diào)系統(tǒng)的能耗。其過渡季節(jié)的工作原理示意圖如圖2。

2　風(fēng)冷冷水系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)分析

風(fēng)冷冷水機(jī)組相比較于其他的冷水機(jī)組，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

2.1體積小巧，節(jié)省用地空間

風(fēng)冷冷水機(jī)組采用的冷凝器為翅片式冷凝器，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等特點(diǎn)。在同樣換熱量的條件下，其占地面積及重量要遠(yuǎn)小于冷卻塔。

圖2　自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組工作原理示意圖

2.2冷卻系統(tǒng)簡單

相比于傳統(tǒng)的水冷冷水機(jī)組，其省卻了冷卻系統(tǒng)的冷卻塔及冷卻循環(huán)水泵，對(duì)于用地及用水比較緊張的地區(qū)，此特點(diǎn)相當(dāng)有用。

2.3節(jié)省能耗

自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組在氣溫合適時(shí)，可直接利用外界的空氣冷卻循環(huán)冷凍水，可以不用開啟壓縮機(jī)，能大大節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

2.4COP值較低

鑒于其換熱方式的問題，其性能參數(shù)值也處于較低水平。《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005）中規(guī)定，風(fēng)冷活塞式及渦旋式冷水機(jī)組的COP值的下限為2.6；風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組的下限為2.8。此數(shù)值相較于傳統(tǒng)水冷機(jī)組最低3.8的數(shù)值，有較大差距（如表1）。

2.5使用地域受限

自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組因其制冷性能參數(shù)較低，因此在年平均氣溫較高的南方地區(qū)并不適用。在年平均氣溫較高的地區(qū)無法發(fā)揮自然冷卻的優(yōu)勢。另外，對(duì)于溫度過低的北方地區(qū)，冬季時(shí)，翅片式冷凝器容易結(jié)霜、水管易凍裂等問題，因此冬季運(yùn)行時(shí)需考慮加熱或加防凍液等措施。

3　自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組應(yīng)用案例分析

下面以采用自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的北京某數(shù)據(jù)中心的實(shí)際運(yùn)行案例進(jìn)行分析：

表1　冷水機(jī)組的最低制冷性能參數(shù)COP

系統(tǒng)配置：6臺(tái)制冷量為1050kW的麥克維爾自然冷卻用風(fēng)冷冷水機(jī)組；對(duì)應(yīng)配置8臺(tái)臥式端吸式離心水泵，終期可以提供的冷量為5250kW。冷凍水系統(tǒng)載體為30%乙二醇溶液，冷凍水供回水溫度為10/15℃。

圖3　自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組冷卻流程圖

3.1夏季運(yùn)行工況

當(dāng)室外溫度高于30℃時(shí)，由于室外溫度過高，自然冷卻系統(tǒng)無法滿足正常的換熱需求。此時(shí)編號(hào)為②的三通閥關(guān)閉，冷凍水回水不流經(jīng)自然冷卻盤管，直接流至翅片蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中與制冷劑進(jìn)行換熱。此時(shí)編號(hào)為⑤的壓縮機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行，空調(diào)系統(tǒng)的功耗最大。

3.2過渡季節(jié)運(yùn)行工況（春季及秋季）

當(dāng)室外溫度低于15℃時(shí)，由于室外溫度低于室內(nèi)溫度，采用自然冷卻系統(tǒng)可以滿足機(jī)房一部分的散熱要求，但無法滿足全部的散熱需求，還需壓縮機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)部分負(fù)載。此時(shí)，編號(hào)為②的三通閥打開，冷凍水回水流經(jīng)自然冷卻盤管進(jìn)行預(yù)冷卻，經(jīng)預(yù)冷后再流至翅片蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中與制冷劑進(jìn)行換熱。由于冷凍水回水經(jīng)過了預(yù)冷卻，因此再與制冷劑換熱時(shí)，編號(hào)為⑤的壓縮機(jī)只需部分負(fù)荷運(yùn)行，可以節(jié)省部分的壓縮機(jī)能耗。

3.3冬季運(yùn)行工況

當(dāng)室外溫度低于5℃時(shí)，此時(shí)采用自然冷卻系統(tǒng)已經(jīng)可以完全滿足機(jī)房的散熱要求，壓縮機(jī)不需要開啟。此時(shí)，編號(hào)為②的三通閥打開，冷凍水回水流經(jīng)自然冷卻盤管進(jìn)行預(yù)冷后，水溫已經(jīng)可以達(dá)到空調(diào)末端所需的正常水溫，因此無需再與制冷劑換熱，編號(hào)為⑤的壓縮機(jī)關(guān)閉。空調(diào)系統(tǒng)能耗達(dá)到最低（如圖4～5）。

從圖4～5可以看出，整年不同環(huán)境溫度下，自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組相對(duì)于常規(guī)風(fēng)冷機(jī)組，其平均COP值最高可以達(dá)到常規(guī)機(jī)組的30倍以上，全年空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省的電能約為38%左右，其節(jié)能效果顯著。

圖4　全年不同環(huán)境溫度下COP對(duì)比曲線圖

圖5　全年節(jié)能數(shù)據(jù)對(duì)比曲線圖

4　風(fēng)冷冷水機(jī)組在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用前景

對(duì)于年平均氣溫低于15℃地域的中小型數(shù)據(jù)中心，自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，可以在兼顧投資及場地使用率等情況下，最大限度發(fā)揮其節(jié)能的優(yōu)勢。對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心，由于傳統(tǒng)水冷冷水機(jī)組在COP值方面遠(yuǎn)高于風(fēng)冷機(jī)組，因此，當(dāng)規(guī)模到達(dá)一定程度時(shí)，可以采用常規(guī)水冷冷卻加冷卻塔自然冷卻的方式，最大限度降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

5　總結(jié)

以上是筆者就自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用的探討，其中難免有失偏頗，懇請(qǐng)廣大讀者及專業(yè)技術(shù)人員批評(píng)指正，以其共同提高進(jìn)步。

[1]《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》（暖通·動(dòng)力2009版）.

[2]ASHRAE Datacom Series《數(shù)據(jù)通信設(shè)備中心液體冷卻指南》.

[3]《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）.

[4]《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-2008）.

[5]《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005）.

X55

A

1673-0038（2015）08-0062-02

2015-1-10

李雙磊（1985-），男，中級(jí)工程師，本科，從事暖通空調(diào)設(shè)計(jì)工作。