廣州某數(shù)據(jù)中心水蓄冷系統(tǒng)優(yōu)化配置分析研究

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 張先提 王 琳

0 引言

近年來(lái)，隨著世界及我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)量和云計(jì)算爆發(fā)式增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心(IDC)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。其用電規(guī)模越來(lái)越大，周期性沖擊電網(wǎng)負(fù)荷供需平衡，水蓄冷技術(shù)既響應(yīng)了錯(cuò)峰用電需求，減輕了電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，又能為IDC企業(yè)節(jié)約空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用[1-2]。

本文通過(guò)分析某數(shù)據(jù)中心水蓄冷系統(tǒng)采用不同蓄冷主機(jī)數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)中心IT機(jī)柜數(shù)、蓄冷運(yùn)行策略、系統(tǒng)初投資和靜態(tài)投資回收期的影響，綜合比選得出項(xiàng)目最優(yōu)蓄冷配置，確定了1臺(tái)蓄冷主機(jī)夜間蓄冷方案。提供了一種數(shù)據(jù)中心蓄冷系統(tǒng)優(yōu)化配比的分析方法，供廣大數(shù)據(jù)中心暖通設(shè)計(jì)師參考。

1 項(xiàng)目概況

工程位于廣州某園區(qū)內(nèi)，是數(shù)據(jù)中心和分布式能源站綜合體項(xiàng)目。建筑總面積42 605 m2，建筑占地面積5 136 m2；地上8層、地下1層，建筑高46 m。按建筑使用功能劃分：地下1層為對(duì)外區(qū)域分布式能源站和數(shù)據(jù)機(jī)房蓄冷水池，1層為數(shù)據(jù)中心制冷機(jī)房，2層為數(shù)據(jù)中心配電區(qū)，3～8層為IT數(shù)據(jù)機(jī)房，單個(gè)IT機(jī)柜平均功率為4.4 kW。當(dāng)?shù)蒯槍?duì)蓄冷系統(tǒng)有峰谷電價(jià)政策，可將水蓄冷技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)機(jī)房冷源系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)中心按國(guó)標(biāo)劃分為A、B、C三級(jí)，其中A級(jí)要求宜設(shè)置蓄冷設(shè)施，蓄冷裝置供應(yīng)冷水時(shí)間不應(yīng)短于不間斷電源設(shè)備的供電時(shí)間，B、C級(jí)則無(wú)蓄冷要求。該工程要求滿足A級(jí)要求，數(shù)據(jù)中心制冷站設(shè)備按N+1配置。設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷約為21 102 kW，配置6臺(tái)單臺(tái)制冷量為4 220 kW的離心式冷水機(jī)組(五用一備)。系統(tǒng)采用二級(jí)變頻泵系統(tǒng)，設(shè)計(jì)冷水供/回水溫度為12 ℃/18 ℃，冷卻水供/回水溫度為32 ℃/37 ℃。

該工程規(guī)劃總電容量為8路10 000 kV·A(雙路電源，一用一備)，可用于數(shù)據(jù)中心的總電功率約為26 300 kW。該工程設(shè)計(jì)在充分利用規(guī)劃所允許電容量的基礎(chǔ)上，盡可能多布置IT機(jī)柜數(shù)，實(shí)現(xiàn)投資收益最大化。

2 數(shù)據(jù)中心應(yīng)用水蓄冷的功能特征

數(shù)據(jù)中心空調(diào)負(fù)荷有以下特點(diǎn)：1) 熱密度高；2) 冷負(fù)荷波動(dòng)小[2]。與民用建筑領(lǐng)域常規(guī)空調(diào)水蓄冷系統(tǒng)相比，具有移峰填谷、節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的基本特點(diǎn)。同時(shí)數(shù)據(jù)中心的水蓄冷系統(tǒng)具有以下不同功能的特征。

2.1 應(yīng)急容災(zāi)功能

IDC機(jī)房是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心，要求其有一個(gè)安全、可靠的空調(diào)系統(tǒng)來(lái)保證機(jī)房?jī)?nèi)所有計(jì)算機(jī)及配套設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。制冷設(shè)備意外故障或數(shù)據(jù)中心意外斷電會(huì)引起數(shù)據(jù)中心空氣干球溫度上升，可能導(dǎo)致其內(nèi)的服務(wù)器因高溫?fù)p壞而停機(jī)。研究表明，當(dāng)機(jī)房的熱密度達(dá)到3.0～4.5 kW/m2時(shí)，機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度在5 min內(nèi)將升高15～28 ℃，在短時(shí)間內(nèi)就可能引起服務(wù)器故障[3-4]。因此需設(shè)置蓄冷系統(tǒng)作為空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)急備用冷源，提供由市電切換至柴油發(fā)電機(jī)這段時(shí)間內(nèi)所有系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行所需要的冷量。一般要求蓄冷系統(tǒng)能保證數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)15 min的冷水供應(yīng)，保障數(shù)據(jù)中心供冷安全。

2.2 降低運(yùn)行費(fèi)用

IDC機(jī)房耗電量極大，電負(fù)荷全年每天24 h基本恒定。電費(fèi)約占機(jī)房日常運(yùn)行成本的95%，主要由服務(wù)器、空調(diào)、其他(照明、門(mén)禁、安防、視頻等)用電費(fèi)用組成，其中服務(wù)器用電約占2/3，空調(diào)用電約占1/3[2]。對(duì)于數(shù)據(jù)中心這樣的耗電大戶，水蓄冷技術(shù)既可以緩解電網(wǎng)高峰時(shí)段用電緊張，又可以降低運(yùn)行費(fèi)用。尤其在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行初期，IT機(jī)柜投入運(yùn)行的數(shù)量較少，系統(tǒng)總負(fù)荷較低，此時(shí)可最大限度發(fā)揮蓄冷系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，降低運(yùn)行費(fèi)用。

2.3 避免喘振

數(shù)據(jù)中心在運(yùn)行初期系統(tǒng)總負(fù)荷較低，可利用離心機(jī)夜間蓄冷、白天蓄冷罐釋冷，避免離心機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行工況下發(fā)生喘振。

2.4 備用主機(jī)高效利用

為保證系統(tǒng)的安全性，數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備采用N+1配置，可利用備用主機(jī)作為蓄冷主機(jī)，提高備用主機(jī)使用率。

2.5 設(shè)備裝機(jī)容量不減反增

在常規(guī)民用建筑中，典型設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷波動(dòng)明顯，蓄冷系統(tǒng)移峰填谷具備雙重功能：1) 電負(fù)荷的移峰填谷，利用峰谷電價(jià)政策降低運(yùn)行費(fèi)用；2) 冷負(fù)荷的移峰填谷，減少白天峰值冷負(fù)荷，降低冷水機(jī)組裝機(jī)容量。

反觀在數(shù)據(jù)中心采用蓄冷系統(tǒng)，除了利用峰谷電價(jià)政策降低運(yùn)行費(fèi)用外，由于全天逐時(shí)冷負(fù)荷波動(dòng)小，冷負(fù)荷不僅無(wú)法移峰填谷，反而因夜間采用蓄冷主機(jī)，增加了制冷設(shè)備總裝機(jī)容量。

2.6 提高電能利用效率

電能利用效率PUE(power usage effectiveness)是數(shù)據(jù)中心能效評(píng)價(jià)最常使用的指標(biāo)，即數(shù)據(jù)中心總功耗與計(jì)算機(jī)服務(wù)器功耗之比。PUE接近1，說(shuō)明輸入到數(shù)據(jù)中心的電能幾乎全部用于IT設(shè)備本身。

數(shù)據(jù)中心的蓄冷系統(tǒng)降低運(yùn)行費(fèi)用但不節(jié)電，必然導(dǎo)致PUE隨著蓄冷量的增大而增大。

Step 4：Learning the future subjunctive mood based on Situation 3:Michael’s gains情景三主要學(xué)習(xí)關(guān)于將來(lái)時(shí)的虛擬語(yǔ)氣。教師用ppt呈現(xiàn)電影圖片，假設(shè)主人公Michael再次得到遙控器，他會(huì)怎么做？Motty假如再次遇見(jiàn)Michael又會(huì)怎么做？學(xué)生被要求根據(jù)給出的例子來(lái)編寫(xiě)一段小對(duì)話。

3 水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 數(shù)據(jù)中心分時(shí)電價(jià)政策

該項(xiàng)目執(zhí)行的峰谷電價(jià)政策如表1所示。

3.2 蓄冷主機(jī)數(shù)量對(duì)IT機(jī)柜數(shù)量的影響

當(dāng)不采用蓄冷系統(tǒng)時(shí)，數(shù)據(jù)中心全天電負(fù)荷波動(dòng)較??；當(dāng)采用蓄冷系統(tǒng)時(shí)，夜間蓄冷主機(jī)增加了設(shè)備裝機(jī)容量，導(dǎo)致夜間出現(xiàn)電負(fù)荷峰值。由于可用于數(shù)據(jù)中心的總電功率為定值，隨著蓄冷主機(jī)數(shù)量增加，空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)容量增加，IT機(jī)柜數(shù)量隨之減少，如圖1所示。

圖1 蓄冷主機(jī)數(shù)量對(duì)IT機(jī)柜數(shù)量的影響

3.3 典型日逐時(shí)冷負(fù)荷

當(dāng)該數(shù)據(jù)中心僅考慮應(yīng)急容災(zāi)的蓄冷量時(shí)，典型日逐時(shí)冷負(fù)荷如圖2所示，系統(tǒng)最大冷負(fù)荷為21.1 MW。

圖2 數(shù)據(jù)中心典型日逐時(shí)冷負(fù)荷

考慮數(shù)據(jù)中心總耗電量為定值，蓄冷主機(jī)數(shù)量增加，IT機(jī)柜數(shù)量隨之減少，整個(gè)數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷隨之降低。不同蓄冷主機(jī)數(shù)量對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)總冷負(fù)荷如表2所示。

表2 不同蓄冷主機(jī)數(shù)量對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)總冷負(fù)荷

3.4 最小應(yīng)急蓄冷量

為了保證系統(tǒng)在任何情況下都不會(huì)因冷源不足而導(dǎo)致機(jī)房設(shè)備中斷，需要設(shè)置應(yīng)急蓄冷罐來(lái)確保在市電切換至柴油機(jī)發(fā)電過(guò)程中IT機(jī)房的冷源連續(xù)穩(wěn)定。數(shù)據(jù)中心最小應(yīng)急蓄冷量應(yīng)滿足全部負(fù)荷在線連續(xù)運(yùn)行15 min所需冷量，設(shè)計(jì)最小蓄冷量為5 274 kW·h。

3.5 不同蓄冷主機(jī)數(shù)量的運(yùn)行策略分析

3.5.11臺(tái)蓄冷主機(jī)蓄冷

設(shè)置1臺(tái)蓄冷主機(jī)，總IT機(jī)柜數(shù)量相應(yīng)減少，系統(tǒng)最大冷負(fù)荷為20.2 MW。將1臺(tái)備用主機(jī)作為蓄冷主機(jī)，運(yùn)行策略如圖3所示。00:00—08：00低谷時(shí)段，開(kāi)啟1臺(tái)蓄冷主機(jī)，連續(xù)蓄冷8 h，最大蓄冷量約為32 400 kW·h；14:00—17:00、19:00—22:00高峰時(shí)段部分釋冷。

圖3 1臺(tái)蓄冷主機(jī)運(yùn)行策略

系統(tǒng)最大冷負(fù)荷為19.6 MW，設(shè)置2臺(tái)蓄冷主機(jī)(其中1臺(tái)為原備用主機(jī))，運(yùn)行策略如圖4所示。00:00—08：00低谷時(shí)段，開(kāi)啟2臺(tái)蓄冷主機(jī)，連續(xù)蓄冷8 h，最大蓄冷量約為62 800 kW·h；14:00—17:00、19:00—22:00高峰時(shí)段部分釋冷。

圖4 2臺(tái)蓄冷主機(jī)運(yùn)行策略

3.5.33臺(tái)蓄冷主機(jī)蓄冷

系統(tǒng)最大冷負(fù)荷為19 MW，設(shè)置3臺(tái)蓄冷主機(jī)(其中1臺(tái)為原備用主機(jī))，運(yùn)行策略如圖5所示。00:00—08：00低谷時(shí)段，開(kāi)啟3臺(tái)蓄冷主機(jī)，連續(xù)蓄冷8 h，最大蓄冷量約為91 100 kW·h；14:00—17:00、19:00—22:00高峰時(shí)段部分釋冷。

圖5 3臺(tái)蓄冷主機(jī)運(yùn)行策略

3.5.44臺(tái)蓄冷主機(jī)蓄冷

系統(tǒng)最大冷負(fù)荷為18.4 MW，設(shè)置4臺(tái)蓄冷主機(jī)(其中1臺(tái)為原備用主機(jī))，運(yùn)行策略如圖6所示。00:00—08：00低谷時(shí)段，開(kāi)啟4臺(tái)蓄冷主機(jī)，連續(xù)蓄冷8 h，最大蓄冷量約為117 500 kW·h；14:00—17:00、19:00—22:00高峰時(shí)段釋冷和17:00—19:00平時(shí)段部分釋冷。

圖6 4臺(tái)蓄冷主機(jī)運(yùn)行策略

3.5.55臺(tái)蓄冷主機(jī)蓄冷

系統(tǒng)最大冷負(fù)荷為17.7 MW，設(shè)置5臺(tái)蓄冷主機(jī)(其中1臺(tái)為原備用主機(jī))，運(yùn)行策略如圖7所示。00:00—08：00低谷時(shí)段，開(kāi)啟5臺(tái)蓄冷主機(jī)，連續(xù)蓄冷8 h，最大蓄冷量約為141 800 kW·h；14:00—17:00、19:00—22:00高峰時(shí)段和17:00—19:00平時(shí)段釋冷。

圖7 5臺(tái)蓄冷主機(jī)運(yùn)行策略

通過(guò)以上分析可以看出：當(dāng)設(shè)置1、2臺(tái)蓄冷主機(jī)時(shí)，其夜間總蓄冷量小于14:00—17:00、19:00—22:00高峰時(shí)段總冷負(fù)荷；當(dāng)蓄冷主機(jī)為3臺(tái)時(shí)，夜間總蓄冷量與高峰時(shí)段總冷負(fù)荷基本持平；當(dāng)蓄冷主機(jī)為4、5臺(tái)時(shí)，夜間蓄冷量大于高峰時(shí)段總冷負(fù)荷，多余的蓄冷量可在平時(shí)段釋冷。

4 綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

4.1 系統(tǒng)總初投資

隨著蓄冷主機(jī)數(shù)量的變化，蓄冷系統(tǒng)的蓄冷裝置、主機(jī)、水泵、冷卻塔等設(shè)備的數(shù)量均相應(yīng)調(diào)整，不同蓄冷主機(jī)數(shù)量的蓄冷系統(tǒng)主要初投資如表3所示。

表3 不同蓄冷主機(jī)數(shù)量對(duì)應(yīng)的蓄冷系統(tǒng)初投資 萬(wàn)元

同時(shí)，隨著蓄冷主機(jī)數(shù)量的變化，IT機(jī)柜數(shù)量相應(yīng)調(diào)整，不同蓄冷主機(jī)數(shù)量對(duì)應(yīng)的IT機(jī)柜初投資減少額如表4所示。

表4 不同蓄冷主機(jī)數(shù)量對(duì)應(yīng)的機(jī)柜初投資減少額

蓄冷主機(jī)數(shù)量增加，蓄冷系統(tǒng)初投資隨之增加，而IT機(jī)柜數(shù)量及其初投資隨之減少。經(jīng)過(guò)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，IT機(jī)柜初投資減少額較蓄冷系統(tǒng)初投資增加額更大，因此數(shù)據(jù)中心總投資額隨蓄冷主機(jī)數(shù)量增加而減少，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)初投資

4.2 年綜合收益

結(jié)合峰谷電價(jià)、典型日系統(tǒng)冷負(fù)荷，按全天24 h計(jì)算逐時(shí)運(yùn)行電量、運(yùn)行電費(fèi)，累加計(jì)算得到蓄冷系統(tǒng)年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。每個(gè)IT機(jī)柜年運(yùn)行電費(fèi)、運(yùn)維費(fèi)用、水費(fèi)、折舊費(fèi)等約5.5萬(wàn)～6.5萬(wàn)元，每個(gè)IT機(jī)柜的年出租收入約7萬(wàn)～8萬(wàn)元，以此原則計(jì)算IT機(jī)柜年收益。

蓄冷主機(jī)數(shù)量增加，蓄冷系統(tǒng)年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用隨之增加，而IT機(jī)柜數(shù)量隨之減少，導(dǎo)致出租IT機(jī)柜的年收益也相應(yīng)減少。經(jīng)過(guò)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，IT機(jī)柜年收益減少額較蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用減少額更大，因此數(shù)據(jù)中心年綜合收益減少，且隨蓄冷主機(jī)數(shù)量增加，系統(tǒng)年綜合收益減少額也增加，見(jiàn)圖9。

圖9 系統(tǒng)年綜合收益

從圖9可以看出：當(dāng)蓄冷主機(jī)為1、2臺(tái)時(shí)，由于其夜間蓄冷量可在14:00—17:00、19:00—22:00高峰時(shí)段全部釋放，蓄冷系統(tǒng)年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用與出租IT機(jī)柜年減少的收益相抵，系統(tǒng)年綜合收益差距不大；當(dāng)蓄冷主機(jī)為3臺(tái)時(shí)，年綜合收益減少額較2臺(tái)蓄冷主機(jī)時(shí)更少；當(dāng)蓄冷主機(jī)為4、5臺(tái)時(shí)，部分夜間蓄冷量在平時(shí)段釋放，蓄冷系統(tǒng)年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)于出租IT機(jī)柜年減少的收益更小，所以系統(tǒng)年綜合收益減少額顯著增加。

4.3 靜態(tài)投資回收期

隨蓄冷主機(jī)數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)中心總投資額隨之降低，但年綜合收益也隨之減少。經(jīng)計(jì)算比較，系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期如圖10所示。

圖10 靜態(tài)投資回收期

與常規(guī)蓄冷系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期越短越有利相反，該項(xiàng)目總投資額隨蓄冷主機(jī)數(shù)量增加而降低，年綜合收益隨之降低。從圖10可以看出，蓄冷系統(tǒng)選用1臺(tái)和3臺(tái)蓄冷主機(jī)時(shí)，相對(duì)投資效益更優(yōu)。當(dāng)蓄冷量達(dá)到一定比例之后，繼續(xù)增加蓄冷量，靜態(tài)投資回收期縮短，系統(tǒng)綜合效益降低。其原因?yàn)椋寒?dāng)選用1臺(tái)蓄冷主機(jī)時(shí)，由于充分利用1臺(tái)備用蓄冷主機(jī)及其相應(yīng)的配套備用設(shè)備，蓄冷系統(tǒng)的初投資是最有利的，又能發(fā)揮蓄冷系統(tǒng)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)，因此選用1臺(tái)蓄冷主機(jī)投資收益高；而選用3臺(tái)蓄冷主機(jī)設(shè)備，正好將夜間蓄冷量在高峰時(shí)段充分釋放，實(shí)現(xiàn)夜間蓄冷與高峰時(shí)段釋冷量的基本平衡，最大限度實(shí)現(xiàn)峰谷電價(jià)運(yùn)行收益。

4.4 系統(tǒng)方案選擇

從系統(tǒng)初投資、年綜合效益、系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期三方面進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，同時(shí)結(jié)合投運(yùn)初期低負(fù)荷運(yùn)行工況，并考慮蓄冷系統(tǒng)占用面積等綜合因素，該工程選用1臺(tái)備用主機(jī)作為夜間蓄冷主機(jī)，蓄冷水池夜間蓄冷總量32 400 kW·h，其中5 274 kW·h作為數(shù)據(jù)中心應(yīng)急冷源，剩余27 126 kW·h在電價(jià)高峰時(shí)段釋冷。

5 結(jié)論

1) 數(shù)據(jù)中心的蓄冷系統(tǒng)區(qū)別于常規(guī)蓄冷系統(tǒng)，蓄冷系統(tǒng)移峰填谷僅可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，冷源設(shè)備峰值裝機(jī)容量不降反升。

2) 工程規(guī)劃總?cè)萘肯拗艻T總機(jī)柜數(shù)量，業(yè)主一般希望最大限度增加IT機(jī)柜數(shù)量來(lái)增加收益，而蓄冷系統(tǒng)容量增加使IT機(jī)柜數(shù)量減少，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

3) 數(shù)據(jù)中心冷源采用蓄冷集中空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，需同時(shí)考慮蓄冷系統(tǒng)本身投資回收期和IT機(jī)柜投資收益，通過(guò)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較來(lái)確定最優(yōu)蓄冷容量。