數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)冷源選擇及能效分析

康健

摘要：本文針對我國不同氣候區(qū)的氣候特點，以某中等規(guī)模數(shù)據(jù)中心為例，對風冷式直接蒸發(fā)系統(tǒng)和水冷式冷水機組系統(tǒng)兩種常用的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)進行了能效分析，量化給出了季節(jié)性和區(qū)域性氣候差異對數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能效影響，分析了風冷式和水冷式系統(tǒng)在不同氣候區(qū)的應(yīng)用優(yōu)勢。對一種將熱管循環(huán)與蒸氣壓縮制冷循環(huán)相結(jié)合的復(fù)合型自然冷源系統(tǒng)進行了運行測試，計算給出了不同氣候區(qū)自然冷源的可用時間和節(jié)能潛力，分析結(jié)果可用于數(shù)據(jù)中心選址以及其制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；制冷系統(tǒng)；自然冷源；氣候類型；能效分析

1、前言

本文針對不同類型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的冷源特點，建立了數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能效模型，結(jié)合我國不同氣候區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，計算給出了不同類型制冷系統(tǒng)在各氣候區(qū)域的能效水平及波動范圍，分析給出了不同類型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)隨季節(jié)和氣候特點的變化規(guī)律，并歸納給出了不同類型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的適用地域范圍，計算結(jié)果可為數(shù)據(jù)中心的因地制宜規(guī)劃設(shè)計提供參考。

2、建筑氣候區(qū)劃圖及區(qū)劃標準

近年來，我國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心等基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施的需求量急劇增大。與傳統(tǒng)建筑空間相比，數(shù)據(jù)中心散熱密度大，單位面積散熱量可達傳統(tǒng)辦公區(qū)域的40倍以上，IT設(shè)備的散熱特點導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心熱點分布不均勻，同時，設(shè)備的安全性需求提高了對內(nèi)部空間溫濕度和潔凈度的要求。數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境特點需要數(shù)據(jù)中心設(shè)計成全封閉的結(jié)構(gòu)，依靠制冷系統(tǒng)的全年運行來達到控溫控濕的目的，這使得制冷系統(tǒng)能耗成為數(shù)據(jù)中心能耗比例不合理的一個重要原因。 目前我國數(shù)據(jù)中心常用的制冷系統(tǒng)包括風冷式直接蒸發(fā)系統(tǒng)和水冷式冷水機組系統(tǒng)兩種，不同類型制冷系統(tǒng)能耗隨所處氣候類型差別較大，在評價數(shù)據(jù)中心能效水平時，需綜合考慮數(shù)據(jù)中心所處地區(qū)氣候特點等因素，使能效指標具有更加實際的指導(dǎo)意義。我國數(shù)據(jù)中心標準組在2015年公布了國家標準《數(shù)據(jù)中心資源利用與測量方法》征求意見版，該標準草稿給出了考慮氣候類型和制冷形式等因素的數(shù)據(jù)中心能效評價指標，意在引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心因地制宜選擇合適的制冷方案，充分發(fā)揮相應(yīng)地區(qū)的氣候優(yōu)勢。

我國地域遼闊，不同地區(qū)的全年氣溫、濕度差別很大，按照GB 50178-1993《建筑氣候區(qū)劃標準》l31我國可分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和五個氣候區(qū)。

3、某數(shù)據(jù)中心案例能耗分析

本文以某中等規(guī)模數(shù)據(jù)中心為例進行能耗分析，該數(shù)據(jù)中心位于我國夏熱冬冷地區(qū)，IT設(shè)備發(fā)熱密度約為1.4 kW/m2，測試分為兩日進行，分別對夏季典型日機房模塊、獵頭柜（UPS電池配電柜）、水冷機組、水泵、冷卻塔和機房精密空調(diào)等的用電狀況及輸配系統(tǒng)相關(guān)溫度進行了測試叫，得到了該數(shù)據(jù)中心內(nèi)部模塊和制冷系統(tǒng)的單日用能特點、運行效率和冷卻效果。

為分析數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能效，需計算給出數(shù)據(jù)中心內(nèi)部環(huán)境熱負荷，包括IT設(shè)備、UPS、配電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等，根據(jù)2003年可計算得出該數(shù)據(jù)中心測試模塊總發(fā)熱量與IT設(shè)備耗電量之比約為0.21，在后續(xù)的制冷系統(tǒng)模型計算中也將采用該數(shù)值進行整體能效計算。

4、數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗模型

常用的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)主要包括風冷式直接蒸發(fā)冷卻方案和水冷式冷水機組方案兩種，兩種方案采用不同的冷源形式，在實際運行效果以及電力資源和水資源消耗上各有優(yōu)劣。雙冷源復(fù)合式制冷方案充分引入自然冷源，可在保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)部各項熱環(huán)境指標的同時有效降低數(shù)據(jù)中心能耗。

水冷式冷水機組采用冷凍水機組或帶自然冷源的冷水機組提供的冷凍水作為冷源，實現(xiàn)熱量由室內(nèi)到室外的搬運。該系統(tǒng)一般由機房空調(diào)末端、冷水機組、冷卻塔、水泵、管路及其他附件組成，可實現(xiàn)冷量的遠距離輸送，并有效節(jié)省安裝空間。國家標準GB/T 19413-2010給出了水冷式機房空調(diào)的試驗測試工況，如表3所示，水冷式系統(tǒng)五個工況包括了四個壓縮機驅(qū)動的冷水機組運行工況和一個利用冷卻塔自然冷源的工況。

4.3自然冷源的復(fù)合式制冷方案

引入白然冷源的復(fù)合式制冷系統(tǒng)將重力驅(qū)動熱管循環(huán)與蒸氣壓縮制冷循環(huán)相結(jié)合，在夏季溫度較高時開啟蒸氣壓縮制冷模式為數(shù)據(jù)中心提供冷量，在冬季室外溫度較低時開啟重力驅(qū)動熱管模式，充分利用室外自然冷源對數(shù)據(jù)中心進行散熱，過渡季節(jié)則由蒸氣壓縮制冷循環(huán)和重力驅(qū)動熱管循環(huán)同時運行提供數(shù)據(jù)中心所需冷量。本研究對如圖2所示的復(fù)合式制冷系統(tǒng)進行了實際運行測試。

5、結(jié)果與分析

5.1季節(jié)性與地域性氣候差異分析

結(jié)合上述能效測試結(jié)果與我國不同地區(qū)逐時氣象數(shù)據(jù)，可對不同氣候區(qū)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗指標CLF進行模擬計算，我國大部分地區(qū)氣候分明，在除溫和地區(qū)之外的其他氣候區(qū)，逐時氣象數(shù)據(jù)存在明顯的季節(jié)性波動，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗在夏季存在明顯的峰值，在冬季呈現(xiàn)明顯的谷值，且波動情況由北到南逐漸變緩。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗總體趨勢表現(xiàn)為由北向南隨緯度的降低逐漸升高，體現(xiàn)在為以哈爾濱為代表的嚴寒地區(qū)制冷系統(tǒng)能耗最低，其次為以北京為代表的寒冷地區(qū)，以廣州為代表的夏熱冬冷地區(qū)制冷系統(tǒng)能耗最高。在進行數(shù)據(jù)中心的具體規(guī)劃選址時，應(yīng)當在滿足數(shù)據(jù)中心功能和市場要求的前提下，優(yōu)先考慮在哈爾濱等嚴寒地區(qū)建立大型數(shù)據(jù)中心，以便充分發(fā)揮區(qū)域性氣候優(yōu)勢，減少制冷系統(tǒng)的整體負荷。

5.2風冷、水冷方案應(yīng)用優(yōu)勢對比

風冷式直接蒸發(fā)方案和水冷式冷水機組方案是目前我國數(shù)據(jù)中心常用的兩種制冷方案，兩種系統(tǒng)分別以室外空氣和冷卻塔制取的冷水作為冷源，實現(xiàn)熱量由數(shù)據(jù)中心內(nèi)部向室外的搬運。給出的制冷系統(tǒng)能效季節(jié)性波動曲線可見，相較風冷式直接蒸發(fā)方案，水冷式冷水機組方案可以更為便捷地利用自然冷源，在冬季和部分過渡季節(jié)具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢，其運行效果整體優(yōu)于風冷式系統(tǒng)，同時，水冷式冷水機組方案的應(yīng)用優(yōu)勢隨數(shù)據(jù)中心所處地理位置有所差別。

由計算結(jié)果可見，相較風冷式系統(tǒng)，水冷式系統(tǒng)的能效優(yōu)勢隨數(shù)據(jù)中心所處緯度的降低逐漸減小，在嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)采用水冷式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心節(jié)能優(yōu)勢更為顯著.這是由于隨著緯度的降低，數(shù)據(jù)中心所處地區(qū)溫度升高，濕度增大，濕球溫度升高，冷卻塔蒸發(fā)冷卻方案的節(jié)能空間越來越小。在本文給出的計算案例中，?？诘貐^(qū)風冷式和水冷式數(shù)據(jù)中心CLF值的計算結(jié)果近似相等，考慮到水冷式系統(tǒng)的水資源消耗，在該類地區(qū)應(yīng)用風冷式直接蒸發(fā)方案更為經(jīng)濟節(jié)能。

6、結(jié)束語

本文以某中等規(guī)模數(shù)據(jù)中心為例，針對我國不同地區(qū)氣候特點，對風冷式直接蒸發(fā)方案、水冷式冷水機組方案和復(fù)合型自然冷源方案等三種數(shù)據(jù)中心制冷方案進行了能效分析。不同類型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗水平存在季節(jié)性和區(qū)域性差異。制冷系統(tǒng)CLF指標呈現(xiàn)“夏峰冬谷”的規(guī)律，且波動程度隨數(shù)據(jù)中心所處緯度的增加而增大。制冷系統(tǒng)能耗總體表現(xiàn)為由北向南隨緯度的降低逐漸升高，在滿足數(shù)據(jù)中心功能和市場要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮在哈爾濱等嚴寒地區(qū)建立大型數(shù)據(jù)中心，以便充分發(fā)揮區(qū)域性氣候優(yōu)勢，減少制冷系統(tǒng)的整體負荷。

參考文獻

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（作者單位：新地能源工程技術(shù)有限公司）