夏熱冬冷地區(qū)數(shù)據(jù)中心冷/電負荷分析

韓海燕，梁 晶，趙大周，柯冬冬

(1．華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2. 浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術重點實驗室，浙江 杭州 310030)

1 引言

我國天然氣消費比重不斷增加，天然氣供需形勢相對緩和，氣價形成機制逐步市場化，冷熱需求快速增長，為天然氣分布式能源的發(fā)展提供了有利的市場環(huán)境。國家能源產業(yè)政策、節(jié)能環(huán)保政策、電力體制改革政策均鼓勵在經濟發(fā)達地區(qū)發(fā)展天然氣分布式能源。隨著政策和機制的逐步完善，我國天然氣分布式能源已經進入新一輪布局窗口期，預計未來幾年我國天然氣分布式能源將進入快速發(fā)展期。

數(shù)據(jù)中心機房是實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息集中處理、儲存、傳輸、交換、管理等功能的服務平臺。隨著各行業(yè)網絡化、信息化的不斷推進，我國數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和信息服務量快速增長，能耗成倍也日益增長。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)在各類數(shù)據(jù)中心數(shù)量約占全球總量的13%，年耗電量已占到我國社會總用電量的1.5%左右[1，2]。由于數(shù)據(jù)中心機房設備發(fā)熱量大，制冷系統(tǒng)裝機容量大且需全年不間斷運行，是天然氣分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)質用戶。然而，目前數(shù)據(jù)中心為降低PUE(電源使用效率，是數(shù)據(jù)中心總能耗與關鍵設備能耗之比。評價數(shù)據(jù)中心能源利用效率的關鍵指標)大力推進空調系統(tǒng)節(jié)能，充分利用環(huán)境冷源對數(shù)據(jù)中心自然冷卻。本文對山東地區(qū)某一數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)及其運行方式進行設計，計算其冷/電負荷。并為以燃氣分布式能源系統(tǒng)替代電制冷設備和市電為夏熱冬冷地區(qū)數(shù)據(jù)中心供能提出建議。

2 研究對象

位于濟南章丘區(qū)的某數(shù)據(jù)園區(qū)為“十三五”山東省服務業(yè)重點項目及2017年濟南市重點項目。園區(qū)總體規(guī)劃1405畝，總建筑面積120萬m2，總投資80億元。主要建設互聯(lián)網大數(shù)據(jù)中心、山東省互聯(lián)網支付結算中心、多媒體電子商務呼叫運營中心等“一院五中心”及其配套服務設施。其中，互聯(lián)網大數(shù)據(jù)中心一期建筑面積10萬m2，包含#1～#3數(shù)據(jù)中心，可容納10000個機柜，總投資20億元。為滿足該數(shù)據(jù)園區(qū)冷熱電負荷的需求，促進區(qū)域能源結構調整，改善區(qū)域環(huán)境質量，擬建設燃氣分布式能源項目為園區(qū)數(shù)據(jù)中心及辦公、商業(yè)、公寓、住宅等建筑供應暖通空調使用的冷水和熱水，其中冷水供回水水溫6 ℃/13 ℃，熱水供回水溫度75 ℃/50 ℃。項目規(guī)劃建設3×30 MW級，先期建設2×30 MW級機組。

3 項目暖通空調設計參數(shù)

3.1 濟南市氣象參數(shù)

濟南市位于北緯36°40′，東經117°00′，屬暖溫帶大陸性季風氣候。其主要氣候特征是：季風明顯，四季分明；冬冷夏熱，雨量集中。濟南市冬季長達136～157 d，一般在11月上旬至次年3月下旬；夏季為105～120 d，一般在5月下旬至9月上旬；春、秋季最短，都不足兩個月。

濟南年平均氣溫14.7 ℃，年平均降水量671.1 mm，年日照時數(shù)2616.8 h。最冷月為1月，月平均氣溫為-0.4 ℃，最熱月為7月，月平均氣溫為27.5 ℃。根據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》(GB50019-2015)[3]，本項目所在地濟南市空調設計所采用的室外氣象計算參數(shù)見表1。

表1 濟南地區(qū)室外氣象參數(shù)

圖1是空調設計通用的濟南全年逐時氣象資料[4]，該資料包括濟南室外全年8760逐時干球溫度、濕球溫度等參數(shù)(表2)。

圖1 濟南室外全年干球溫度和濕球溫度表2 濟南地區(qū)設計供暖期天數(shù)及其平均溫度

項目數(shù)值日平均溫度≤+5 ℃的天數(shù)99日平均溫度≤+5 ℃的天數(shù)的起止日期11.22～03.03平均溫度≤+5 ℃的期間內的平均溫度(℃)1.4日平均溫度≤+8 ℃的天數(shù)122日平均溫度≤+8 ℃的天數(shù)的起止日期11.13～03.14平均溫度≤+8 ℃的期間內的平均溫度(℃)2.1

3.2 數(shù)據(jù)中心室內設計參數(shù)

根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》(GB50174-2008)[5]數(shù)據(jù)中心主機房劃分A、B、C三級，按等級規(guī)定了電子計算機房空調設計參數(shù)，如表3、表4所示。

表3 數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫濕度要求

表4 輔助區(qū)室內空氣設計參數(shù)

4 數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)設計及熱負荷

#1數(shù)據(jù)中心位于A地塊，設計裝設3168臺機柜，已于2016年5月開工，將于2018年底完工并交付使用。其具體規(guī)模如表5所示。

表5 #1數(shù)據(jù)中心規(guī)模

根據(jù)室內空氣設計參數(shù)的不同，將數(shù)據(jù)中心分為機房區(qū)和輔助區(qū)部分，分別設計空調方式并計算空調負荷。

4.1 機房區(qū)空調方式

本數(shù)據(jù)中心為A級數(shù)據(jù)中心。機房區(qū)采用冷凍水型機房空調+獨立機房專用濕膜恒濕，變配電區(qū)及UPS配電區(qū)僅配置冷凍水型機房空調。每個房間內空調機組采用為N+X備用。機房專用冷凍水型空調機組包括風機段、表冷段和過濾段，不設置加熱段和加濕段，設備選型及布置按工藝要求模塊設計，并滿足冷媒為12～18 ℃冷水工況運行，全部承擔顯熱負荷。

濕膜恒濕機為等焓加濕，機房回風區(qū)溫度一般較高，采用濕膜加濕不需要額外加熱，而且濕膜加濕后空氣溫度能降低3～4 ℃。所以，濕膜加濕不僅能耗低，而且對于同時需要制冷和加濕的場所有很好的節(jié)能效果。

機房區(qū)采用冷、熱通道分隔模式，以利節(jié)能。機房空調機組和電腦機架的行列成垂直式擺布。機房空調機組輸送冷空氣進入活動地板靜壓箱空間，通過開放格柵空氣地板吹向計算機設備，空調將通過熱通道及大空間進行集中回風，氣流組織采用下送上回。

為保持機房等微正壓和滿足新風要求，各機房區(qū)分設獨立的新風系統(tǒng)，新風系統(tǒng)設有溫度處理(表冷器、加熱器)及亞高效過濾器。新風取自室外，經過過濾表冷加熱等處理達到機房露點溫度后送入機房吊頂內，與機房空調機組回風混合后，再送入室內所需區(qū)域。由于新風系統(tǒng)制冷、制熱量較低，暫不考慮由燃氣分布式項目供冷/熱。

4.2 機房區(qū)空調設計負荷

數(shù)據(jù)中心主機房空調設計負荷見表6。

表6 #1數(shù)據(jù)中心主機房空調設計負荷

4.3 機房區(qū)全年供冷負荷曲線

數(shù)據(jù)機房自備制冷機房設于地下一層，共設計5臺10 kV變頻離心冷水機組，4用1備，每臺冷水機組額定制冷量為3900 kW，冷凍水設計供回水溫度：12 ℃/18 ℃，供主機房區(qū)、UPS配電室、變配電區(qū)等區(qū)域機房專用空調使用。單臺機組的能量調節(jié)范圍 20%～100%，機組可以根據(jù)不同時段負荷的變化調節(jié)機組的出力。制冷機房設有蓄冷裝置(15 min蓄冷量)，以保證數(shù)據(jù)中心對連續(xù)制冷的要求。

冷卻塔設于本樓屋頂，共5臺，4用1備，夏季冷卻水設計供回水溫度：32 ℃/37 ℃。冬季冷卻水設計供回水溫度：10.5 ℃/15.5 ℃。冷卻塔的選型滿足濟南地區(qū)夏季最不利工況(進風濕球溫度29.9 ℃)要求。制冷機房內設置5臺自然冷卻用板式換熱器，換熱量、流量與冷水機組一一對應。

本項目采用水冷冷水機組配板換旁通的形式利用環(huán)境冷源，每套制冷單元組的全制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻三種運行模式的轉換控制；由全制冷→部分自然冷卻→完全自然冷卻→部分自然冷卻→全制冷各種模式全年輪轉。

(1)全制冷→部分自然冷卻 模式：冷卻水出水溫度(即換熱器的冷卻水進水溫度)設定在15.5 ℃(可調)，冷卻水出水溫度降到15.5 ℃(可調)以下時，打開通向換熱器的電動閥，冷卻水進入換熱器，此時進入部分自然冷卻(預冷)模式；

(2)部分自然冷卻→完全自然冷卻 模式：當室外濕球溫度到達5 ℃(可調)以下，冷卻塔風機轉速小于等于30 Hz，設定板式換熱器出水溫度在15.5 ℃(可調)，當板式換熱器冷卻水出水溫度低于15.5 ℃時，關閉冷凍機，運行完全自然冷卻模式。

(3)完全自然冷卻→部分自然冷卻 模式：冷凍機冷凍水出口溫度大于等于12 ℃(可調)超過20 min(可調)，此時應聲光報警，冷凍機開啟。

(4)部分自然冷卻→全制冷 模式：板式換熱器冷卻水進水溫度達到15.5 ℃持續(xù)20 min(可調)時，聲光報警，冷卻水進入換熱器的電動閥關閉，通向冷凝器的電動閥打開，進入全制冷模式。

考慮到水側自然冷卻的形式，在冬季和過渡季利用數(shù)據(jù)中心自備的冷卻塔進行制冷。冷卻塔制冷時間的長短和制冷量的多少主要取決于室外濕球溫度、數(shù)據(jù)中心供回水溫度及冷卻塔臺數(shù)。夏季和冬季冷卻塔冷卻水的原理不盡相同，而冷卻效率也不盡相同，冬季效率要小于夏季效率，所以需要根據(jù)冷卻塔型號和當?shù)貧夂颍玫嚼鋮s塔的供冷量(表7)。

表7 冷卻塔設計參數(shù)表

本項目數(shù)據(jù)中心要求的供回水溫度為12/18 ℃，結合水冷冷水機組配板換旁通利用環(huán)境冷源的運行方式，考慮到中間板換換熱溫差， 得到冷卻塔在部分自然冷卻和完全自然冷卻工況轉換時的工作點(假設逼近度t2-τ=5.5 ℃)如表8所示。

表8 工況轉換時冷卻塔的工作點

即在濕球溫度低于10 ℃時，本項目可以采用部分自然冷卻的運行模式。而在濕球溫度低于5 ℃時，本項目可以采用完全自然冷卻的運行方式。

圖2～圖4為典型年濟南濕球溫度時間分布。濟南市全年濕球溫度t2<5 ℃的時間有4149 h，可用完全自然冷卻的運行方式；濟南市全年濕球溫度5≤t2<10 ℃的時間有950 h，可用部分自然冷卻的運行方式；t2>10 ℃的時間有3661 h，可用全制冷運行方式。

圖2 濟南全年濕球溫度小時分布

圖3 #1數(shù)據(jù)中心機房區(qū)全年冷水機組制冷負荷曲線

圖4 #1數(shù)據(jù)中心機房區(qū)全年冷水機組制冷負荷延時曲線

為與一般供冷期對應以方便討論，將數(shù)據(jù)中心機房區(qū)冷負荷劃分為夏季(5月15日～9月15日)、過渡季(3月16日～5月14日，9月16日～11月14日)、冬季(11月15日～3月15日)三個時間段，各段均按照冷水機組供冷和自然冷卻供冷兩部分統(tǒng)計(表9)。

表9 #1數(shù)據(jù)機房分季節(jié)冷負荷統(tǒng)計

由冷水機組制冷的份額可由燃氣分布式能源系統(tǒng)替代。本項目燃氣分布式能源站溴冷機冷凍水系統(tǒng)為環(huán)網設計，與末端制冷機房冷水管網通過換熱器進行隔離，供回水溫度6/13℃，用于替代自備冷水機組的制冷量。

4.4 #1數(shù)據(jù)中心輔助區(qū)空調負荷

柴發(fā)并機室、高壓開閉所、制冷機房控制室、高壓控制室、弱電間、電池室、運營商接入間、監(jiān)控機房、運行監(jiān)控中心、應急指揮中心、客戶辦公區(qū)、消防控制室、門廳、電梯休閑廳及走廊采用VRV(變制冷劑流量多聯(lián)式空調系統(tǒng))空調系統(tǒng)。共分為12個VRV空調系統(tǒng)。其中區(qū)分A、B路的弱電間、運營商接入間、柴發(fā)并機室、高壓開閉所房間內的VRV末端分屬不同VRV系統(tǒng)。監(jiān)控機房、運行監(jiān)控中心、應急指揮中心VRV空調末端采用2N配置，滿足上述房間24小時不間斷使用需求。

由于VRV(變制冷劑流量多聯(lián)式空調系統(tǒng))是通過制冷劑與室內換熱來滿足室內冷、熱負荷要求的直接蒸發(fā)式制冷系統(tǒng)。用溴化鋰冷水機組冷水替代需要設計院配合重新設計管路，變化較大；且裝機容量僅0.68MW，考慮到設備冗余及運行負荷率等因素，實際運行時負荷更小，故告暫不考慮替代。

5 數(shù)據(jù)中心電負荷

若#1數(shù)據(jù)中心的冷源由燃氣分布式能源系統(tǒng)提供時，其用電需求如表10。

表10 #1數(shù)據(jù)中心電負荷設計

數(shù)據(jù)中心電負荷最大18.866 MW，平均16.265 MW。年總耗電量14052.96萬kWh。如采用燃氣分布式能源系統(tǒng)供電，則電負荷比較穩(wěn)定。

6 結論及建議

數(shù)據(jù)中心由冷水機組提供的冷負荷最大16.11 MW；夏季供冷期(5月15日～9月15日)平均冷負荷15.5 MW，供冷量16.34萬GJ；過渡季供冷期(3月16日～5月14日，9月16日～11月14日)平均冷負荷6.7 MW，供冷量7.12萬GJ。該部分冷負荷可由燃氣分布式能源系統(tǒng)提供。

數(shù)據(jù)中心電負荷最大18.866 MW，平均16.265 MW。年總耗電量14052.96萬kWh。如采用燃氣分布式能源系統(tǒng)供電，則電負荷比較穩(wěn)定。

由于夏熱冬冷地區(qū)適合采用板換旁通的形式利用環(huán)境冷源，過渡季和冬季冷負荷較低，故單一的數(shù)據(jù)中心業(yè)態(tài)不宜發(fā)展燃氣分布式，為提高項目經濟性，建議與住宅區(qū)結合，燃氣分布式能源系統(tǒng)夏季/過渡季為數(shù)據(jù)中心供冷，冬季/過渡季為住宅區(qū)供暖，提高能源利用率和設備運行小時數(shù)，提升項目的經濟性。