淺談深圳地區(qū)數(shù)據(jù)機(jī)房制冷系統(tǒng)節(jié)能措施

【摘 ?要】Internet Data Center簡(jiǎn)稱IDC，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備和更多高密度、高功率專業(yè)服務(wù)器的使用也日漸普及，IDC機(jī)房一時(shí)間如雨后春筍般大量涌現(xiàn)，但I(xiàn)DC機(jī)房能耗也是相當(dāng)?shù)捏@人，這嚴(yán)重制約了IDC業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展。針對(duì)主機(jī)中心能耗問題，以深圳某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目為例，采用eQUEST分析軟件模擬計(jì)算建筑負(fù)荷特點(diǎn)，據(jù)此分析研究IDC建筑節(jié)能措施，分析冷卻塔免費(fèi)制冷在夏熱冬暖地區(qū)的適用性。

【關(guān)鍵詞】IDC;eQuest;分析模擬;免費(fèi)制冷1.建筑概況

本項(xiàng)目為深圳某信息產(chǎn)業(yè)園廠房改造數(shù)據(jù)中心建設(shè)，建筑占地面積3115㎡，總建筑面積18615㎡，廠房共有層數(shù)6層，每層約3115㎡，主體高度28.35m。一層預(yù)留面積1500㎡為后期三聯(lián)供規(guī)劃設(shè)計(jì)，二層～六層為主要數(shù)據(jù)機(jī)房功能，實(shí)際可用機(jī)柜最大總功率15220KW，按建設(shè)投運(yùn)分期規(guī)劃考慮部分負(fù)載（25%/50%/75%）時(shí)的設(shè)計(jì)需求，配置離心式水冷機(jī)組8087KW兩臺(tái)，4044KW兩臺(tái)，配套兩大兩小冷水泵、冷卻泵及冷卻塔。

1.建筑能耗模擬計(jì)算模型的建立

采用全年8760h的逐時(shí)能耗模擬軟件eQUEST對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行模擬計(jì)算。該軟件以DOE-2的算法為內(nèi)核，DOE-2可以提供整棟建筑物每小時(shí)的能量消耗分析，用于計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能效和總費(fèi)用，也可以用來(lái)分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)（包括屋頂、外墻、外窗、地面、樓板、內(nèi)墻等）、空調(diào)系統(tǒng)、電器設(shè)備和照明對(duì)能耗的影響，進(jìn)而得出方案比選結(jié)果。

1.1建筑幾何模型

根據(jù)項(xiàng)目的平面設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行幾何建模，同時(shí)對(duì)建筑外立面及內(nèi)部建筑細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化，分析模型如圖所示。

由于是改造項(xiàng)目，原始設(shè)計(jì)資料缺失，圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)按《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范值要求選取，與模擬軟件中的材料庫(kù)進(jìn)行匹配，具體參數(shù)見表1。

由于本項(xiàng)目外立面幾乎沒有外窗，暫不考慮遮陽(yáng)影響。

1.2內(nèi)部負(fù)荷

IDC機(jī)房能耗主要分為以下4部分：1.設(shè)備（IT設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備）用電;2.變壓器以及供電系統(tǒng)（低壓配電系統(tǒng)以及UPS系統(tǒng)）;3.空調(diào)制冷系統(tǒng);4.其他部分：辦公設(shè)備、照明等。

將整棟樓進(jìn)行典型區(qū)域劃分，由于數(shù)據(jù)機(jī)房運(yùn)行特點(diǎn)，辦公監(jiān)控室及主要機(jī)房空間為全年24小時(shí)運(yùn)行，按設(shè)計(jì)計(jì)算及規(guī)范取值對(duì)模擬軟件輸入建筑的人員密度、照明負(fù)荷及設(shè)備負(fù)荷。建筑典型區(qū)域劃分如圖2、3，各區(qū)域內(nèi)部負(fù)荷見表2。

1.3空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定

模擬的主要內(nèi)容為空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)定空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如表4。

2.分析模擬計(jì)算

本實(shí)例中主要模擬計(jì)算的是全年范圍內(nèi)逐時(shí)、逐月建筑的冷、熱、電負(fù)荷變化情況，模擬計(jì)算負(fù)荷量覆蓋全年8760h，根據(jù)深圳市夏熱冬暖氣候條件，由建筑物仿真模型，利用廣州典型氣象年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)建筑全年負(fù)荷計(jì)算，如圖4出示了本項(xiàng)目全年8760h的建筑能耗計(jì)算的結(jié)果。

從模擬計(jì)算分析結(jié)果可以看出其中設(shè)備用電、變壓器以及供電系統(tǒng)、空調(diào)制冷系統(tǒng)這三部分能耗占了IDC機(jī)房能耗95%以上，數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷常年穩(wěn)定，主要由服務(wù)器、UPS等散熱轉(zhuǎn)化而成的潛熱負(fù)荷，幾乎沒有潛熱負(fù)荷，冬夏季冷負(fù)荷相差不大。通過(guò)模擬計(jì)算可以得到該建筑的一系列能耗指標(biāo)，100%負(fù)載時(shí)年總耗電量為113Kwh，由此推算電能利用率。電能利用率（PUE）是國(guó)內(nèi)外IDC普遍采用的一種衡量IDC能效水平的綜合指標(biāo)。電能利用率（PUE）=數(shù)據(jù)中心總用電量/IT設(shè)備總用電量本項(xiàng)目100%負(fù)載時(shí)全年總PUE為1.35，見圖5：

通過(guò)模擬得出75%、50%及25%負(fù)載時(shí)PUE值分別為1.37、1.38、1.41。

3.節(jié)能措施

降低數(shù)據(jù)中心PUE值是現(xiàn)在行業(yè)的一大課題，根據(jù)上述模擬分析并結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行情況，提出以下幾項(xiàng)節(jié)能措施。

1.根據(jù)項(xiàng)目分階段投運(yùn)需求，冷源采用大小兩種規(guī)格的高效離心式冷水機(jī)組，可根據(jù)分期安裝特點(diǎn)以及設(shè)備負(fù)荷變化組合出多種供冷運(yùn)行模式，合理開啟或關(guān)閉主機(jī)，避免機(jī)房冷凍水空調(diào)系統(tǒng)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。在初裝時(shí)就考慮各種負(fù)載開啟下的備用設(shè)備問題，確保安全運(yùn)行的通知減免后期加載擴(kuò)容改造換機(jī)浪費(fèi)。

2.采用變頻控制技術(shù)，冷水機(jī)組、水泵均采用變頻控制，實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷時(shí)段的節(jié)能運(yùn)行。

3.提高送回風(fēng)溫度與溫差，提升設(shè)備運(yùn)行效率。

4.采用冬季冷卻塔供冷自然冷卻“免費(fèi)供冷”，此項(xiàng)措施將在下一章節(jié)詳述。

經(jīng)模擬分析比對(duì)，建筑全年能耗由原來(lái)的165MKwh下降到152.97MKwh，節(jié)能效果明顯（未采用冷卻塔供冷，在下章詳述），分析結(jié)果如下圖。

4.免費(fèi)制冷

4.1冷卻塔制冷的原理

冷卻塔供冷，是一種不使用制冷機(jī)的供冷手段（國(guó)外稱為“免費(fèi)制冷”free cooling），是指在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)部分管路和設(shè)備，當(dāng)室外氣象參數(shù)達(dá)到某些特定值，，特別是室外濕球溫度低于某個(gè)值以下時(shí)，關(guān)閉制冷機(jī)組，將流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷，提供空調(diào)需要的冷負(fù)荷。

4.2冷卻塔供冷的可行性及經(jīng)濟(jì)性分析

IDC數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備一年四季均需提供冷源，全年機(jī)房?jī)?nèi)冷負(fù)荷變化無(wú)季節(jié)特點(diǎn)，這一特點(diǎn)為冷卻塔供冷提供較大潛力。但本項(xiàng)目位于深圳，屬于夏熱冬暖型氣候，日平均濕球溫度小于等于切換溫度的理論累計(jì)小時(shí)數(shù)很少，理論供冷天數(shù)節(jié)能潛力又相對(duì)較弱，參考《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)及》，可得到在三中冷水供回水溫度組合下，冷卻塔供冷兩種工況在典型措施的供冷時(shí)數(shù)1、表2，用于數(shù)據(jù)中心節(jié)能分析。筆者在此簡(jiǎn)單談一下夏熱冬暖地區(qū)IDC數(shù)據(jù)機(jī)房免費(fèi)制冷的適用性。

對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)冷卻塔供冷最大的問題就是要延長(zhǎng)免費(fèi)制冷或聯(lián)合制冷的時(shí)長(zhǎng)，提高室外濕球溫度的工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)。本項(xiàng)目擬采用水側(cè)免費(fèi)供冷的方式，考慮到直接自然冷卻方式冷水污染造成末端污垢阻塞問題，而閉式冷卻塔價(jià)格在開式冷卻塔的4倍左右，故采用冷卻水和冷凍水分別接入板式換熱器的間接供冷系統(tǒng)。但與冷卻塔直接供冷相比，存在中間換熱損失，效率有所降低，常規(guī)公共民用建筑板式換熱器溫差一般在2～3℃，為減小這部分損失，本項(xiàng)目擬采用1℃溫差的板換，相對(duì)會(huì)增加一定的初投費(fèi)用。系統(tǒng)圖如下：

室外濕球溫度一定的情況下，冷卻塔填料尺寸越大，其出口水溫越低，需進(jìn)一步與甲方協(xié)商屋頂設(shè)備空間，合理選擇冷卻塔，最大限度增加供冷時(shí)數(shù)。在冷卻塔單獨(dú)供冷及聯(lián)合供冷時(shí)，通過(guò)對(duì)電動(dòng)閥的開閉實(shí)現(xiàn)串聯(lián)多臺(tái)冷卻塔的方式來(lái)增加冷卻效果，在部分負(fù)載工況下，串聯(lián)冗余冷卻塔，從而增加供冷時(shí)數(shù)。選擇16℃冷卻水供水溫度作為冷卻塔單獨(dú)供冷工況，16～23℃作為冷水機(jī)組和板式換熱器聯(lián)合供冷工況，既可以滿足室內(nèi)冷負(fù)荷的要求，又能最大限度增加冷卻塔公歷時(shí)間，從而降低運(yùn)行費(fèi)用，達(dá)到節(jié)能效果。

此外在設(shè)計(jì)過(guò)程中注意冷卻水泵的匹配，在直接供冷系統(tǒng)中，冷卻水環(huán)路中冷水泵應(yīng)設(shè)旁通，在冷卻塔供冷時(shí)，冷凍泵關(guān)閉，此時(shí)循環(huán)水泵動(dòng)力由冷卻水泵提供。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮轉(zhuǎn)換供冷模式后，冷卻水泵的流量及揚(yáng)程與管路系統(tǒng)的匹配問題。另冷卻塔在冬季運(yùn)行時(shí)，室外冷卻水管應(yīng)進(jìn)行保溫，集水盤、室外冷卻水管及補(bǔ)水管等需設(shè)置電伴熱設(shè)施，做好防凍措施。

利用eQUST軟件建立冷卻塔免費(fèi)制冷節(jié)能措施模型進(jìn)行分析比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如下圖，分析結(jié)果顯示采用冷卻塔免費(fèi)制冷后對(duì)于本項(xiàng)目全年能耗并沒有明顯降低，從原來(lái)的152.97MKwh變?yōu)?52.14MKwh。

5.結(jié)論

1.采用eQUEST軟件可以進(jìn)行IDC建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷變化規(guī)律模擬，得到全年逐時(shí)PUE，此項(xiàng)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備性能分析及設(shè)備選型提供支持，在空調(diào)系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)、空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施等方面可以提供準(zhǔn)確的分析計(jì)算。

2.針對(duì)IDC建筑能耗特點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能措施分析，通過(guò)采用變頻控制技術(shù)、提高送回風(fēng)溫度與溫差等節(jié)能措施，將PUE值從原來(lái)的1.46下降到1.35，節(jié)能效果顯著。

3.進(jìn)一步探究夏熱冬暖地區(qū)冷卻塔免費(fèi)供冷的適用性，根據(jù)深圳市氣候特點(diǎn)，全年冷卻塔單獨(dú)供冷小時(shí)數(shù)幾乎沒有，聯(lián)合供冷時(shí)間也很少，當(dāng)100%負(fù)載時(shí)，夏季PUE峰值為1.376，而冬季采用免費(fèi)制冷后僅下降到1.35，提高供回水溫差需要進(jìn)一步加大冷卻塔容量，此外開式系統(tǒng)需另配板換，將加大設(shè)備初投費(fèi)用，綜合評(píng)估項(xiàng)目初投資和運(yùn)行費(fèi)用，初步分析夏熱冬暖地區(qū)采用冷卻塔免費(fèi)制冷節(jié)能措施經(jīng)濟(jì)性較差。

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作者簡(jiǎn)介：

丁兆豐 男 1984年4月 漢族 甘肅臨洮 中國(guó)電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司 214028 中級(jí)工程師 本科 數(shù)據(jù)中心

（作者單位：中國(guó)電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司）