南京某數(shù)據(jù)中心機(jī)房熱管背板空調(diào)系統(tǒng)改造方案研究

黎春鵬 鄭 重 李海峰 劉乾恒 張 江

中通服節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司

0 引言

近年來(lái)，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，未來(lái)5G時(shí)代的到來(lái)將會(huì)導(dǎo)致更快更密集的數(shù)據(jù)流，趨勢(shì)下必然會(huì)推動(dòng)更多的數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求。目前來(lái)看，我國(guó)在數(shù)據(jù)中心的布局建設(shè)上不遺余力，從標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃以及鼓勵(lì)扶持措施等方面提出了相關(guān)政策。黨的十九大報(bào)告中也提出踐行綠色發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境，建設(shè)美麗中國(guó)的發(fā)展理念，數(shù)據(jù)中心作為能耗巨頭，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，成為通信行業(yè)內(nèi)關(guān)注的研究領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)中心全年均需要制冷，空調(diào)制冷能耗約占數(shù)據(jù)中心能耗的40%，而且傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供冷方案存在空調(diào)氣流紊亂、局部過(guò)熱、加濕除濕同時(shí)進(jìn)行、冷凍水供水溫度偏低等多種問(wèn)題。本文結(jié)合南京某數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能改造應(yīng)用的典型案例，分析了熱管背板空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)中的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于江蘇省南京市，屬亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)，年平均溫度15.4℃，年極端氣溫最高為39.7℃，最低為-13.1℃。通信機(jī)房主樓地上五層，其中1～4層為百度機(jī)房，5層為監(jiān)控中心，冷凍站設(shè)計(jì)包含1000RT冷水機(jī)組4臺(tái)，冷凍水供回水溫度為7/12℃。本次節(jié)能改造僅涉及4樓的兩個(gè)原空調(diào)設(shè)計(jì)方案，均為風(fēng)冷精密空調(diào)地板下送風(fēng)供冷的機(jī)房，建筑面積700m2。機(jī)房設(shè)計(jì)參數(shù)為：機(jī)房溫度23±1℃，相對(duì)濕度40%～50%。原機(jī)房空調(diào)配置情況如表1所示。

表1 原機(jī)房空調(diào)配置情況

2 空調(diào)改造方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目機(jī)房制冷系統(tǒng)改造的原則為：充分利用數(shù)據(jù)中心通信樓原冷凍水系統(tǒng)，替換能效較低的風(fēng)冷精密空調(diào)地板下送風(fēng)機(jī)房級(jí)的供冷方案。因此，本項(xiàng)目創(chuàng)新性地使用了熱管背板空調(diào)系統(tǒng)機(jī)柜級(jí)的供冷方案，熱管背板空調(diào)系統(tǒng)原理圖詳見(jiàn)圖1。該方案中配置冷水機(jī)組（含冷卻塔+板式換熱器自然冷源供冷）以及殼管式換熱器、熱管背板空調(diào)，冷水機(jī)組提供的兩路冷凍水為系統(tǒng)冷源；雙蒸發(fā)系統(tǒng)的熱管背板空調(diào)安裝在機(jī)柜的熱風(fēng)側(cè)（熱管背板空調(diào)布置圖詳見(jiàn)圖2），通過(guò)冷媒管與殼管式換熱器相連；熱管背板空調(diào)中冷媒和冷水機(jī)組提供的冷凍水在殼管式換熱器中換熱，冷媒系統(tǒng)通過(guò)自然重力循環(huán)回流熱管背板空調(diào)。熱管背板空調(diào)系統(tǒng)不僅可以充分利用室外自然冷源，還能降低風(fēng)機(jī)能耗，解決局部熱點(diǎn)問(wèn)題。

圖1 熱管背板空調(diào)系統(tǒng)原理圖

圖2 熱管背板空調(diào)布置圖

3 熱管背板空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 熱管背板空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率、PUE值分析

本次節(jié)能改造前后兩種系統(tǒng)同時(shí)并存，通過(guò)實(shí)際掛表測(cè)量，記錄不同測(cè)試階段兩種制冷方案的能耗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 兩種制冷方案的能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

有研究表明，隨著冷凝溫度/蒸發(fā)溫度降低/升高1℃，單位制冷量功耗降低約2%。因此，修正后的風(fēng)冷精密空調(diào)運(yùn)行階段日均能耗如下：

機(jī)房PUE概念由Green Grid首次提出，國(guó)家工業(yè)和信息化部、國(guó)家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國(guó)家能源局關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)中也明確指出新建大型數(shù)據(jù)中心PUE要達(dá)到1.4以下，機(jī)房PUE定義如下：

根據(jù)上述PUE的計(jì)算公式分別計(jì)算風(fēng)冷精密空調(diào)、熱管背板系統(tǒng)的PUE值，數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

圖3 熱管背板空調(diào)系統(tǒng)與風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)PUE值對(duì)比

3.2 熱管背板空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)3.1能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用熱管背板空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行比較如表3所示。

表3 熱管背板空調(diào)系統(tǒng)與風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況表

從表3中可以看出，采用熱管背板空調(diào)系統(tǒng)和風(fēng)冷精密空調(diào)相比，每年可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用46.49萬(wàn)元，節(jié)約標(biāo)煤消耗量186.50噸，CO2減排量488.63噸。此外，熱管背空調(diào)系統(tǒng)初投資約為238萬(wàn)元，17臺(tái)風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)初投資約為119萬(wàn)元，初投資增加的部分靜態(tài)回收期t為：

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)南京某數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)際案例入手，闡述了熱管背板空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的原理、優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用場(chǎng)景，為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造提供了一種可行的參考方案。此外，熱管背板空調(diào)系統(tǒng)方案相比傳統(tǒng)風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)方案節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯，機(jī)房整體PUE滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)綠色數(shù)據(jù)中心PUE的設(shè)計(jì)要求，投資回收期較短，節(jié)能減排潛力較大。