數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)水泵變頻節(jié)能改造方案的探討

【摘要】隨著近年來數(shù)據(jù)中心蓬勃發(fā)展，其面臨巨大的能耗問題也日益突出，因此在數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)維中更多地考慮高效率、低能耗的問題。本文通過分析當(dāng)前數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗情況，提出空調(diào)水泵變頻改造的方案，并結(jié)合改造實(shí)際情況論證其可行性和經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心；空調(diào)系統(tǒng)；水泵變頻；節(jié)能減排

前言

據(jù)工業(yè)和信息化部于2014年發(fā)布的《關(guān)于2011年以來我國數(shù)據(jù)中心規(guī)劃建設(shè)情況的通報(bào)》：255個(gè)在規(guī)劃建設(shè)的IDC的設(shè)計(jì)PUE平均為1.73，同時(shí)，據(jù)行業(yè)估計(jì)，美國的IDC行業(yè)耗費(fèi)了其國內(nèi)發(fā)電量的2%，中國的IDC行業(yè)耗費(fèi)了本國發(fā)電量的1.5%，是典型的“電老虎”。因此，革新IDC設(shè)計(jì)模式、降低IDC能耗和運(yùn)營成本，已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心行業(yè)相當(dāng)現(xiàn)實(shí)和迫切的課題，同時(shí)也是一個(gè)影響國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實(shí)現(xiàn)國家可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵課題。

中央空調(diào)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的專用制冷設(shè)備，承擔(dān)著調(diào)節(jié)機(jī)房環(huán)境溫濕度，保障IT設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的重任，同時(shí)也是主力耗電設(shè)備之一（約占總體能耗的30%-40%）。因此，開展中央空調(diào)節(jié)能改造，即確保機(jī)房供冷正常，又可減少能耗、壓縮電費(fèi)成本，創(chuàng)造雙贏的局面。

一、中央空調(diào)水泵變頻節(jié)能理論分析

由于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)多以夏季最大冷負(fù)荷設(shè)計(jì)且留有余量，數(shù)據(jù)中心IT負(fù)荷也存在業(yè)務(wù)逐步增加、波峰波谷等影響熱負(fù)荷大小的因素，這造成不同時(shí)期、不同發(fā)展進(jìn)程中，實(shí)際熱負(fù)荷與空調(diào)系統(tǒng)輸出冷量之間存在差值，在空調(diào)傳統(tǒng)配置狀態(tài)下形成電能浪費(fèi)[1]。因此，中央空調(diào)系統(tǒng)均有一定的節(jié)能空間。

目前數(shù)據(jù)中心空調(diào)主機(jī)和末端精密空調(diào)大部分采用智能化設(shè)備，能實(shí)時(shí)根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)整冷量輸出，一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，但水循環(huán)系統(tǒng)（水泵）按初期額定流量、壓力配置下，當(dāng)實(shí)際負(fù)荷低于設(shè)計(jì)預(yù)期時(shí)，絕大部分時(shí)間運(yùn)行在低溫差、大流量情況下，造成空調(diào)主機(jī)和水泵能耗的浪費(fèi)。通過調(diào)節(jié)冷凍水泵的頻率（轉(zhuǎn)速），節(jié)約低負(fù)載時(shí)水系統(tǒng)的輸送能量，可達(dá)到理想的節(jié)能效果。

水循環(huán)系統(tǒng)中重要的耗電設(shè)備為水泵，改變水系統(tǒng)的輸送能量亦主要靠調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，由于水泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的頻率成正比[2]，因此對水泵系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制即可達(dá)到節(jié)能效果，分析如下。

交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：，其中n為轉(zhuǎn)速，f為頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為極對數(shù)。水泵屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即，而電機(jī)軸的輸出功率，由此可見，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速稍有下降時(shí)，電機(jī)功率損耗就會(huì)大幅度地下降，耗電量也就大為減少。

二、中央空調(diào)水泵變頻改造設(shè)計(jì)思路

考慮到投資成本和實(shí)際運(yùn)用效果，本次對南方某數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)的冷凍水泵進(jìn)行變頻改造（圖1、2、3），利用溫度傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、變頻器等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)冷凍水的供回水溫差、壓力，以溫控為主、壓力流量為輔，利用變頻技術(shù)在線調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在滿足機(jī)房制冷的需求下使冷凍水泵做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能目的。

方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)如下：

1）綜合考慮在不同空調(diào)冷負(fù)荷情況下空調(diào)主機(jī)和變（工）頻冷凍水泵開啟情況，控制策略應(yīng)使冷凍水水泵具備自動(dòng)和人工兩種模式下啟動(dòng)、輪換和停止功能，確保空調(diào)系統(tǒng)供冷充足、節(jié)能高效。

2）本次使用變頻節(jié)能裝置的最低頻率應(yīng)滿足每棟機(jī)樓最遠(yuǎn)端機(jī)房空調(diào)（或供水最不利端）揚(yáng)程及流量要求，因此需有效地布放溫度和壓力傳感器，制定控制策略以及設(shè)置相關(guān)閥值，確保整棟機(jī)樓供冷正常。

3）每臺(tái)變頻器控制的裝置可以人工或自動(dòng)選擇在工頻模式和變頻模式下運(yùn)行，即在變頻模式故障時(shí)可自動(dòng)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。

4）變頻器控制系統(tǒng)并聯(lián)在現(xiàn)有啟動(dòng)控制系統(tǒng)上，兩者間有電氣連鎖及機(jī)械連鎖，當(dāng)變頻器啟動(dòng)某一臺(tái)水泵工作的同時(shí)，相應(yīng)的舊啟動(dòng)主電路將被切斷，禁止其啟動(dòng)工作，反之亦然。

三、中央空調(diào)水泵變頻改造效益分析

此數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)配置中央空調(diào)主機(jī)4臺(tái)（1300RT*3+800RT*1），冷凍水泵6臺(tái)（75kw*4+55kw*2），實(shí)際運(yùn)行1300RT主機(jī)1臺(tái)、冷凍水泵1臺(tái)，系統(tǒng)冗余量較大。變頻改造前后節(jié)電情況如表1所示，測試時(shí)間為2015年4月2日。

根據(jù)本期變頻改造完成后的實(shí)測數(shù)據(jù)，在當(dāng)前機(jī)樓負(fù)荷下變頻水泵較原水泵功耗下降約53%，并且機(jī)房末端供冷不受影響，節(jié)能效果理想。按全年將一半時(shí)間2臺(tái)冷凍水泵變頻運(yùn)行，一半時(shí)間3臺(tái)冷凍水泵變頻運(yùn)行，以每臺(tái)冷凍水泵運(yùn)行時(shí)平均頻率可降至45Hz計(jì)算，本次變頻改造每年節(jié)約電費(fèi)約為35萬元，預(yù)計(jì)一年收回投資成本，效益可觀。

四、結(jié)束語

本次數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)水泵變頻改造在不影響空調(diào)系統(tǒng)正常供冷的前提下，通過對冷凍水泵進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)水泵的變頻節(jié)能、高效運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]陳建東.中央空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用分析[J].制冷技術(shù)，2006，4：12-14.

[2]黃建恩.空調(diào)系統(tǒng)冷凍水循環(huán)水泵變頻運(yùn)行的節(jié)能機(jī)理[J].節(jié)能技術(shù)，2005，3（2）：139-142.

作者簡介

何其振，男，1986年10月份，廣東高州，中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司，研究方向：數(shù)據(jù)中心動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)維。