某數(shù)據(jù)中心蓄冷方式經(jīng)濟性分析

楊輝青 王新軻 趙 乾 楊靜潔 沙 沙

（1、中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都610005 2、西安交通大學(xué)，陜西 西安710049）

1 概述

《中國數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)年度發(fā)展研究報告（2017）》[1]指出，互聯(lián)網(wǎng)信息時代的飛速發(fā)展，帶動了數(shù)據(jù)中心井噴式的發(fā)展。從我國數(shù)據(jù)機房節(jié)能潛力的結(jié)果來看，IT 設(shè)施系統(tǒng)的綜合節(jié)能潛力區(qū)間為11%～39%，平均為29%；空調(diào)系統(tǒng)的綜合節(jié)能潛力區(qū)間為4%～69%，平均為36%；而供配電系統(tǒng)的綜合節(jié)能潛力區(qū)間為8%～27%，平均為18%。因此，數(shù)據(jù)中心配備蓄冷裝置是數(shù)據(jù)中心避免供冷出現(xiàn)故障所帶來的巨大損失的一種必不可少的重要舉措。

吳冬青[2]等人對于上海某數(shù)據(jù)中心拿出了2 種蓄冷方法，經(jīng)過分析水蓄冷的運行控制策略、經(jīng)濟性指標(biāo)對比、蓄冷時所用主機的數(shù)量和靜態(tài)回收期，確定了該工程合適的水蓄冷方案，并為類似數(shù)據(jù)機房水蓄冷方案的設(shè)計提供案例支持。張文湊[3]根據(jù)一個工程實例，采用模擬計算與分析，在主機優(yōu)先的模式下，計算出冰蓄冷空調(diào)的投資回收期，能夠得出影響冰蓄冷空調(diào)經(jīng)濟性的主要因素是國家電價政策，特別是峰谷電價之間差值的大小，如果能夠從財政上對冰蓄冷空調(diào)加大扶持力度，則可以獲取更大的經(jīng)濟效益。林庚[4]對于我國網(wǎng)絡(luò)通信高速發(fā)展趨勢和每年的能耗不斷增加，采用了一種全新的空調(diào)系統(tǒng)形式設(shè)計和降低能耗概念，即運用相變材料的能源儲存特點，合理運用戶外自然清潔冷源，在滿足數(shù)據(jù)機房和戶外型數(shù)據(jù)機柜內(nèi)部溫度調(diào)控的同時，大幅減少空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備能源損耗，確保數(shù)據(jù)機房節(jié)能效果。

通過上述文獻可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究仍存有一些不足，如蓄冷時采用備用主機進行蓄冷，會增加制冷主機的啟停次數(shù)，減少主機的使用壽命的同時，也會降低主機的能效等等。因此本文提出一種具有更高能源效率的蓄冷策略，并針對某示范項目數(shù)據(jù)中心的蓄冷冷源選擇通過經(jīng)濟性模型進行評價。

2 研究內(nèi)容

如圖1 所示為某示范數(shù)據(jù)中心設(shè)計日冷負(fù)荷曲線圖，按峰谷電價時段劃分，夜間谷時總冷負(fù)荷為18727kW，白天峰時和平時總冷負(fù)荷為37543kW，可以看出，由于數(shù)據(jù)中心機房的產(chǎn)熱主要來自于數(shù)據(jù)中心機房中的機柜散熱，因此其冷負(fù)荷隨時間變化時波動較小。

圖2 三種蓄冷方式主機COP 隨蓄冷率變化

在數(shù)據(jù)機房的空調(diào)系統(tǒng)中，為保證數(shù)據(jù)機房的不間斷供冷，常采用蓄冷技術(shù)作為應(yīng)急冷源使用，除此之外，蓄冷能源作削峰填谷使用的模式將會在今后的數(shù)據(jù)機房冷卻系統(tǒng)中占據(jù)主流，來降低數(shù)據(jù)中心的運行費用。

因此，對于該數(shù)據(jù)中心，結(jié)合蓄冷形式，對比低溫水蓄冷、高溫水蓄冷、冰蓄冷和PC24 型相變蓄冷這四種蓄冷冷源分別在作為應(yīng)急冷源和作為削峰填谷時的優(yōu)劣，如表1 所示，在保障安全的前提下，從經(jīng)濟性方面進行對比。

表1 四種蓄冷系統(tǒng)形式對比表

蓄冷系統(tǒng)經(jīng)濟性評價的數(shù)學(xué)模型由經(jīng)濟性評價指標(biāo)、設(shè)備費用及運行費用等組成。根據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)的形式、特性及運行狀況，結(jié)合文獻查閱及相關(guān)設(shè)備的市場價格和市電電價對系統(tǒng)的設(shè)備費用和年運行費用進行相關(guān)計算并匯總，用經(jīng)濟性評價指標(biāo)對蓄冷系統(tǒng)進行評估。通常運用的經(jīng)濟評價指標(biāo)包括靜態(tài)和動態(tài)兩種方案。費用模型則包含機房設(shè)備初投資和年運行費用。

3 結(jié)果分析

作應(yīng)急冷源使用時，綜合考慮設(shè)備費用和蓄冷裝置體積兩個因素，采用單位冷負(fù)荷所需的費用與體積的乘積作為評判指標(biāo)，數(shù)值越低則表現(xiàn)越好。從表2 可以看出，PC24 型相變蓄冷系統(tǒng)在設(shè)備投資以及蓄冷裝置占用空間上都有不錯的表現(xiàn)，為最優(yōu)的選擇，其次為冰蓄冷，之后則是水蓄冷。

表2 三種蓄冷方式作為應(yīng)急冷源時對比表

蓄冷冷源在峰谷電價使用時，一般是利用備用制冷主機在谷時段蓄冷，在峰時段向末端供冷。但是這種運行方式會讓制冷機組不斷重復(fù)地進行開啟、關(guān)閉操作，這對于常年運行的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)是非常不利的，且會對制冷機組、空調(diào)系統(tǒng)造成不好的影響，如發(fā)生泄漏、制冷機組能效降低、制冷機組使用壽命下降等。

因此，針對這種情況，本文采用一種全新的蓄冷策略：制冷機組在夜間低谷電價時，在提供末端負(fù)荷的制冷量的同時，也要對蓄冷裝置進行蓄冷；在電價峰時及平時，制冷機組在提供末端負(fù)荷的制冷量的同時，蓄冷裝置也對末端釋冷。采用這種蓄冷策略后，制冷機組全天候不間斷運行，可以避免制冷主機頻繁的啟停操作，減少制冷機組及空調(diào)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的隱患，同時，也能讓制冷機組在高能效的負(fù)荷率下運行。

對于制冷主機，根據(jù)其COP 的大小來確定削峰填谷時對應(yīng)的蓄冷率，如圖2 所示，為三種蓄冷方式主機COP 隨蓄冷率變化的示意圖，根據(jù)COP 大小，可以確定水蓄冷和相變蓄冷的最佳蓄冷率為0.2，冰蓄冷的最佳蓄冷率為0.3。確定好蓄冷率后，便從經(jīng)濟性角度，對三種蓄冷方式進行對比，確定哪種蓄冷方式更好。

如表3 所示為四種蓄冷方式在幾種經(jīng)濟性指標(biāo)及占用空間上的表現(xiàn)。從靜態(tài)回收期、凈現(xiàn)值、總費用指標(biāo)和蓄冷裝置體積等指標(biāo)可以看出，四者的優(yōu)先級為PC24 型相變蓄冷＞高溫水蓄冷＞低溫水蓄冷＞冰蓄冷。

4 結(jié)論及展望

本文以某數(shù)據(jù)中心為例，針對該數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷特征，對比低溫水蓄冷、高溫水蓄冷、冰蓄冷和PC24 型相變蓄冷這四種蓄冷介質(zhì)分別在作為應(yīng)急冷源和作為削峰填谷時的優(yōu)劣；在保障安全的前提下，用經(jīng)濟性模型進行評價。對于夜間利用制冷主機提供末端負(fù)荷的制冷量的同時，利用蓄冷裝置進行蓄冷供白天使用的蓄冷策略來講，當(dāng)蓄冷裝置僅作應(yīng)急冷源使用時，四種蓄冷方式的優(yōu)先級為PC24 型相變蓄冷＞冰蓄冷＞低溫/高溫水蓄冷；而當(dāng)蓄冷技術(shù)作削峰填谷使用時，四種蓄冷方式的優(yōu)先級為PC24 型相變蓄冷＞高溫水蓄冷＞低溫水蓄冷＞冰蓄冷。

表3 三種蓄冷方式經(jīng)濟性指標(biāo)對比表

蓄冷技術(shù)從制冷主機能效層面考慮，本身并不節(jié)能，但其削峰填谷作用不僅能有效改善供電平衡，提高制冷主機的能效，還能兼顧作為應(yīng)急冷源使用，如何從更大層面考慮數(shù)據(jù)中心利用蓄冷技術(shù)所帶來的節(jié)能效益，仍需做進一步研究。