數(shù)據(jù)中心冷凍水供水溫度設(shè)計(jì)取值探討

陸瓊文

華東建筑設(shè)計(jì)研究總院

關(guān)鍵字：數(shù)據(jù)中心；冷凍水供水溫度；冷水機(jī)組；冷卻塔供冷

0 引言

數(shù)據(jù)中心機(jī)房是包含計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及配套的數(shù)據(jù)連接系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、監(jiān)控設(shè)備系和安全裝置等，是對(duì)一個(gè)企業(yè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)資源進(jìn)行集中、集成、共享和分析的場(chǎng)所。

近年來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和待處理數(shù)據(jù)信息量的激增，我國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)房，尤其是大型和超大型的數(shù)據(jù)中心機(jī)房在未來數(shù)年內(nèi)將呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)。

由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的高性能服務(wù)器機(jī)柜發(fā)熱密度急劇增加，因此，數(shù)據(jù)中心機(jī)房較其他功能建筑，其建筑冷負(fù)荷需求大幅增加、空調(diào)能耗巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心的能耗約占我國(guó)全社會(huì)總能耗的2%，占總建筑能耗的10%。數(shù)據(jù)中心機(jī)房巨大的能耗需求，對(duì)我國(guó)當(dāng)前的能源形勢(shì)造成了一定程度的挑戰(zhàn)。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的負(fù)荷特點(diǎn)，合理選取數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水供水溫度，不僅能合理選取設(shè)備容量、降低工程設(shè)備造價(jià)，而且能有效降低數(shù)據(jù)中心電能利用率PUE值和數(shù)據(jù)中心能耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益兼顧的雙重目標(biāo)。

1 冷凍水供水溫度對(duì)冷水機(jī)組的影響

數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷主要是服務(wù)器、UPS等用電設(shè)備的散熱形成的顯熱負(fù)荷，潛熱負(fù)荷占比很小，因此可用較高的冷凍水供冷溫度來滿足冷負(fù)荷需求。提高冷水機(jī)組蒸發(fā)溫度和提高冷凍水供水溫度，可以顯著提高機(jī)組的運(yùn)行效率。制冷機(jī)運(yùn)行性能可以用性能系數(shù)COP（Coefficient of Performance）值加以評(píng)價(jià)。影響制冷機(jī)性能系數(shù)的因素有：蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和機(jī)組負(fù)荷率。

圖1是蒸汽壓縮式制冷循環(huán)壓-焓圖，1-2為絕熱壓縮過程，2-3為等壓冷凝過程，3-4為絕熱節(jié)流過程，4-1為等壓蒸發(fā)過程。當(dāng)蒸發(fā)溫度升高，制冷循環(huán)由1-2-3-4-1變?yōu)?’-2’-3-4’-1’。對(duì)制冷循環(huán)產(chǎn)生如下影響：

圖1 蒸發(fā)溫度升高對(duì)制冷循環(huán)的影響

制冷劑的單位質(zhì)量制冷量由q0增大為q0’；

制冷劑的單位質(zhì)量壓縮功由w減小為w’，壓縮機(jī)COP值增大；

制冷劑排氣溫度由t2下降至t2’。排氣溫度過高會(huì)使?jié)櫥宛ざ冉档蜕踔撂炕绊憴C(jī)件的潤(rùn)滑和機(jī)組的正常運(yùn)行；

制冷劑節(jié)流后的干度由χ4下降到χ4’，制冷循環(huán)節(jié)流損失減小。

根據(jù)上述分析，當(dāng)冷水機(jī)組的冷凍水供水溫度提高時(shí)，機(jī)組的性能系數(shù)COP會(huì)相應(yīng)增大。此外，由于冷凍水供水溫度提高，機(jī)組供冷量會(huì)相應(yīng)增加，意味著對(duì)應(yīng)同樣的冷量需求，機(jī)組容量的選型可相應(yīng)減小，單位供冷量的造價(jià)會(huì)相應(yīng)降低。表1是某品牌冷水機(jī)組的不同冷凍水供水溫度情況下機(jī)組的COP值。

表1 冷凍水供水溫度對(duì)制冷機(jī)組運(yùn)行性能的影響

由表1可知，隨著冷凍水供水溫度的提高，冷水機(jī)組COP增大。當(dāng)冷凍水供水溫度為15℃時(shí)，較7℃時(shí)的COP提高26．3%，每提高1℃冷凍水供水溫度，冷水機(jī)組COP約提高3．3%。

2 冷凍水供水溫度對(duì)冷卻塔供冷的影響[1]

冷卻塔供冷是指建筑物需要供應(yīng)空調(diào)冷水時(shí)，停止運(yùn)行或部分運(yùn)行冷水機(jī)組，利用為冷水機(jī)組配置的冷卻水系統(tǒng)，通過冷卻塔與室外低溫空氣進(jìn)行熱交換，獲取低溫冷卻水，為空調(diào)系統(tǒng)提供冷量的技術(shù)。

一般情況下，板式換熱器與冷水機(jī)組為并聯(lián)連接。濕球溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，冷水機(jī)組停止運(yùn)行，系統(tǒng)冷量全部由冷卻塔提供。圖2為典型的冷卻塔供冷系統(tǒng)。

圖2 典型冷卻塔供冷系統(tǒng)

2.1 冷水系統(tǒng)綜合性能系數(shù)

冷水系統(tǒng)綜合性能系數(shù)WSCOP定義為：空調(diào)冷水系統(tǒng)供冷量與冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻塔及冷卻水泵凈輸入能量之比。

WSCOP用于評(píng)價(jià)冷水系統(tǒng)在一定供冷量工況下的系統(tǒng)運(yùn)行能效。

2.2 分析模型

按圖2所示原理，建立分析模型，各設(shè)備參數(shù)如表2所示：

2.3 冷水機(jī)組供冷模式

當(dāng)系統(tǒng)按冷水機(jī)組在供冷模式運(yùn)行時(shí)，圖2中各設(shè)備及閥門運(yùn)行工況如表3所示：

假定冷水機(jī)組負(fù)荷率為100%，此時(shí)機(jī)組COP僅與冷卻水進(jìn)水溫度有關(guān)，而冷卻水進(jìn)水溫度與濕球溫度ts有關(guān)，可以通過計(jì)算獲得WSCOP與ts的關(guān)系式，即：

隨著室外濕球溫度的降低，WSCOP線性上升。當(dāng)濕球溫度為t1時(shí)，冷卻塔出口溫度達(dá)到冷水機(jī)組最低冷卻水允許溫度，此時(shí)圖2中冷卻水系統(tǒng)旁通管V7進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，保證進(jìn)入機(jī)組的冷卻水溫度等于t1，自此WSCOP值不隨濕球溫度而變化。t1與機(jī)組性能、冷凍水供水溫度有關(guān)，同樣的機(jī)型隨著冷凍水供水溫度的提高，其最低冷卻水允許溫度相應(yīng)升高。

表2 主要設(shè)備參數(shù)

表3 冷水機(jī)組供冷模式設(shè)備及閥門狀態(tài)

2.4 免費(fèi)供冷模式

隨著濕球溫度的進(jìn)一步降低，當(dāng)板式換熱器的供冷量可全部滿足系統(tǒng)供冷量需求時(shí)，系統(tǒng)便可轉(zhuǎn)換為冷卻塔免費(fèi)供冷模式。各設(shè)備及閥門工況見表4。

此時(shí)，冷水機(jī)組停止運(yùn)行，系統(tǒng)僅依靠冷卻塔冷卻就可獲得所需供冷量，V5進(jìn)行旁通調(diào)節(jié)，控制冷凍水供水溫度。此時(shí)WSCOP為一定值。切換溫度t2與冷凍水供水溫度成正比，冷凍水水溫越高，相應(yīng)的切換溫度也越高，見表5。

2.5 全年運(yùn)行曲線

根據(jù)上述分析及計(jì)算，可以獲得全工況運(yùn)行曲線，如圖3所示：

圖3 冷卻塔供冷WSCOP值與濕球溫度關(guān)系

切換溫度t1與機(jī)組性能、冷凍水供水溫度有關(guān)，同樣的機(jī)型隨著冷凍水供水溫度的提高，其最低冷卻水允許溫度相應(yīng)升高；切換溫度t2與冷凍水供水溫度、冷卻塔性能有關(guān)。在同樣的冷卻塔選型情況下，較高的冷凍水供水溫度意味著系統(tǒng)可以有較高的切換溫度；濕球溫度的分布近似于正態(tài)分布，如圖4所示，這意味著冷卻塔免費(fèi)冷卻供冷的時(shí)長(zhǎng)會(huì)明顯增加，系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用會(huì)有相應(yīng)的減少。

圖4 上海地區(qū)濕球溫度時(shí)間分布頻數(shù)

根據(jù)上海地區(qū)濕球溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算不同冷凍水供水溫度下的冷源側(cè)單位冷量年耗電量值，結(jié)果如圖5所示。隨著冷凍水供水溫度提高，冷源側(cè)電量消耗逐步降低。當(dāng)冷凍水供水溫度為7℃時(shí)，冷源側(cè)電量為1 617kWh/kW；冷凍水供水溫度為11℃時(shí)，冷源側(cè)電量為1 483kWh/kW，降幅為8．3%；冷凍水供水溫度提高至15℃時(shí)，冷源側(cè)電量為1 263kWh/kW，降幅為21．9%。

圖5 不同冷凍水供水溫度下冷源側(cè)單位冷量年耗電量

3 冷凍水供水溫度對(duì)機(jī)房空調(diào)的影響

機(jī)房空調(diào)是數(shù)據(jù)機(jī)房類建筑常用的末端換熱設(shè)備，其熱工性能主要受到以下4個(gè)因素影響：進(jìn)口空氣參數(shù)、處理風(fēng)量、冷凍水供水溫度和冷凍水流量。

選取JW20-4型表冷器，按照文獻(xiàn)[2]介紹的基于熱交換效率的熱工計(jì)算方法，計(jì)算不同工況條件下的表冷器供冷量，可以獲得供冷量與供水溫度之間的關(guān)系。

假設(shè)表冷器進(jìn)口空氣干球溫度24℃，相對(duì)濕度50%，迎風(fēng)速度2．5m/s，水流速1．5m/s，計(jì)算不同冷凍水供水溫度下的供冷量，計(jì)算結(jié)果見表6。

表4 免費(fèi)冷卻模式設(shè)備及閥門狀態(tài)

表5 冷凍水供水溫度與冷卻塔免費(fèi)供冷切換溫度的關(guān)系

表6 不同冷凍水供水溫度下的表冷器供冷量

假定供水溫度7℃時(shí)的供冷量為100%，圖6為不同供水溫度對(duì)供冷量的影響情況。根據(jù)圖6可以得到以下結(jié)論：（1）供水溫度與全熱供冷量分階段呈線形關(guān)系；（2）濕工況下，冷凍水供水溫度每提高1℃，全熱供冷量降低約8%，顯熱供冷量降低5%；（3）干工況下，供冷量下降約6%。

圖6 供水溫度對(duì)供冷量的影響

由于提高冷凍水供水溫度，表冷器供冷量會(huì)線性減少，因此對(duì)于固定的冷量需求，不同的冷凍水供水溫度工況需對(duì)應(yīng)不同的機(jī)組選型，表7是某品牌機(jī)房空調(diào)的選型結(jié)果。

對(duì)應(yīng)相同的制冷量（顯熱），隨著冷凍水供水溫度的提升，機(jī)組選型不斷加大，對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率以及設(shè)備造價(jià)隨之增大。圖7是不同冷凍水供水溫度下，對(duì)應(yīng)單位供冷量的機(jī)房空調(diào)年耗電量。根據(jù)前述分析，冷凍水供水溫度的提高對(duì)于冷凍機(jī)的造價(jià)、冷凍機(jī)和冷卻塔供冷系統(tǒng)的能耗是有正向作用，但對(duì)于末端換熱設(shè)備的造價(jià)和運(yùn)行能耗有反向影響，因此，必須綜合分析系統(tǒng)的全年運(yùn)行能耗和生命周期費(fèi)用，見圖8和圖9。

圖7 供水溫度對(duì)機(jī)房空調(diào)能耗的影響

圖8 供水溫度對(duì)系統(tǒng)耗電量的影響

表7 不同冷凍水供水溫度下的機(jī)房空調(diào)性能

圖9 供水溫度對(duì)系統(tǒng)生命周期費(fèi)用的影響

冷凍水供水溫度在11℃以下，機(jī)房空調(diào)表冷器處于濕工況，系統(tǒng)的耗電量以及生命周期費(fèi)用隨溫度增加緩慢增長(zhǎng)，差異不顯著。當(dāng)冷凍水供水溫度升高至11℃以上后，機(jī)房空調(diào)表冷器處于干工況，相關(guān)數(shù)值顯著增大。

4 冷凍水供水溫度對(duì)于溫度場(chǎng)的影響

冷凍水供水溫度提升，機(jī)房空調(diào)的送風(fēng)量和送風(fēng)溫度會(huì)相應(yīng)增大，對(duì)工藝場(chǎng)所的熱環(huán)境會(huì)產(chǎn)生不同影響。針對(duì)某數(shù)據(jù)中心機(jī)房，利用CFD模擬軟件對(duì)冷凍水供水溫度為7℃、11℃、15℃時(shí)不同的送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)參數(shù)情況下對(duì)機(jī)房的熱環(huán)境進(jìn)行模擬。

設(shè)定機(jī)房面積為640m2，高架地板500mm，層高5m；共228個(gè)IT設(shè)備機(jī)柜，單機(jī)柜4kW；機(jī)房南北側(cè)配置兩組房間級(jí)精密空調(diào)，每組均為8用2備。按照設(shè)計(jì)工況進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)考慮如下影響機(jī)房氣流組織的關(guān)鍵參數(shù)：

①機(jī)柜前后網(wǎng)孔門、空氣通過機(jī)柜安裝導(dǎo)軌及盲板的泄漏率；

②未獲得統(tǒng)一邊界，空調(diào)采用送風(fēng)控制，相應(yīng)供水溫度下的額定風(fēng)量輸出；

③IT設(shè)備輸出風(fēng)量按照EnergyStar流量比曲線設(shè)置，流量隨著IT設(shè)備進(jìn)口溫度變化；

圖10～圖13從左到右依次為冷凍水供水溫度7℃、11℃、15℃的模擬結(jié)果，包括機(jī)柜的最大進(jìn)風(fēng)溫度、距高架地板1m處機(jī)房截面溫度與相對(duì)濕度分布、地板出風(fēng)口風(fēng)量分布等。

圖10 機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度分布

圖11 機(jī)房截面（距高架地板1m）溫度分布

圖12 機(jī)房截面（距高架地板1m）濕度分布

地板出風(fēng)流量分布：

圖13 地板出風(fēng)流量分布

對(duì)于冷凍水供水溫度7℃時(shí)的工況，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度在12℃～22℃，相對(duì)濕度42%～49%之間；11℃工況，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度在15℃～19℃，相對(duì)濕度48%～49%之間；15℃工況，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度在19℃～23℃，相對(duì)濕度48%～49%之間；15℃工況機(jī)房地板送風(fēng)風(fēng)量最大，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的溫度、濕度分布最為均勻。

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-2017）相關(guān)規(guī)定，冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的溫度宜為18℃～27℃，露點(diǎn)溫度宜為5．5℃～15℃，同時(shí)相對(duì)濕度不宜大于60%。根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)機(jī)房空調(diào)表冷器處于干工況時(shí)，能滿足規(guī)范相關(guān)要求。當(dāng)冷凍水供水溫度處于10℃以下，表冷器尚處于濕工況，送風(fēng)參數(shù)處于機(jī)器露點(diǎn)附近，對(duì)于進(jìn)風(fēng)區(qū)域的濕度控制是不利的。冷凍水供水溫度的取值應(yīng)考慮保證機(jī)房空調(diào)表冷器處于干工況。

5 結(jié)論

根據(jù)上述分析，冷凍水供水溫度升高，可減少冷水機(jī)組造價(jià)，降低冷源側(cè)運(yùn)行能耗；但同時(shí)末端機(jī)房空調(diào)表冷器換熱能力減弱，將提高機(jī)房空調(diào)造價(jià)，增大機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行能耗。綜合分析，在冷凍水供水溫度11℃以下區(qū)域系統(tǒng)總造價(jià)和運(yùn)行能耗差異不大，當(dāng)冷凍水供水溫度高于11℃后，造價(jià)和運(yùn)行能耗上升較快；結(jié)合對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的模擬結(jié)果，建議類數(shù)據(jù)中心機(jī)房項(xiàng)目的冷凍水供水溫度設(shè)計(jì)值取值10～11℃，機(jī)房空調(diào)表冷器臨近干濕工況臨界點(diǎn)，可達(dá)到節(jié)能與低設(shè)備投資兼顧的效果。