數(shù)據(jù)中心自然冷源新風(fēng)系統(tǒng)的“降碳”應(yīng)用

徐 燊

（中國(guó)鐵塔股份有限公司湖州市分公司，浙江 湖州 313000）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算規(guī)模和計(jì)算密度日趨增加，造成機(jī)房熱負(fù)荷居高不下，數(shù)據(jù)中心的機(jī)房空調(diào)成為了不可或缺的安全保障。然而，數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)運(yùn)行電費(fèi)高、能耗大，與當(dāng)前國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略大力倡導(dǎo)的降低碳排放，發(fā)展綠色技術(shù)創(chuàng)新思路相差甚遠(yuǎn)。為了降低機(jī)房能耗，需要引入更加經(jīng)濟(jì)、“綠色”的冷卻技術(shù)，由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房一般不開設(shè)窗戶，并且保溫性能良好，正常情況下華東地區(qū)即使在冬季數(shù)據(jù)中心的空調(diào)也需要制冷。根據(jù)以上情況，實(shí)施機(jī)房改造引入室外自然新風(fēng)，通過新風(fēng)與空調(diào)聯(lián)動(dòng)工作，不僅可以節(jié)約電能同時(shí)也延長(zhǎng)了機(jī)房空調(diào)運(yùn)行壽命，這一思路正好也與國(guó)家“降碳”戰(zhàn)略不謀而合。

自然冷源新風(fēng)系統(tǒng)是利用室外自然冷源為機(jī)房提供降溫的設(shè)備，當(dāng)室內(nèi)外焓差滿足一定程度時(shí)，自然冷源新風(fēng)系統(tǒng)將室外冷空氣引入室內(nèi)，并帶走熱量。華東地區(qū)自然冷源新風(fēng)系統(tǒng)平均可投入時(shí)間長(zhǎng)，從10月起至次年6月，春、秋、冬3個(gè)季節(jié)均可以部分或全部替代專用空調(diào)為機(jī)房提供冷源。由于其成本低在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)際在我國(guó)不同省份區(qū)域?qū)嵤?，需根?jù)本地氣象條件和機(jī)房熱負(fù)荷特點(diǎn)，制定詳細(xì)的新風(fēng)節(jié)能改造方案，通過空調(diào)聯(lián)動(dòng)控制，確保溫度控制在合理范圍，保障數(shù)據(jù)中心空氣環(huán)境要求。

1 機(jī)房運(yùn)行狀況

本文涉及的研究對(duì)象位于華東地區(qū)浙江湖州市某數(shù)據(jù)中心，布局如圖1所示。該機(jī)房實(shí)際使用面積為324 m2，送風(fēng)方式采用下送風(fēng)上回風(fēng)方式，利用機(jī)房靜電地板形成靜壓箱和冷風(fēng)通道，將冷空氣經(jīng)地板通風(fēng)口送到設(shè)備區(qū)域，在設(shè)備機(jī)柜上方吊頂處回風(fēng)。該數(shù)據(jù)機(jī)房發(fā)熱量約為75 kW，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備365天不間斷工作，機(jī)房散熱量中95%以上為顯熱，熱濕比近似無窮大。改造前機(jī)房配置有3臺(tái)佳力圖機(jī)房專用空調(diào)，每臺(tái)最大功率為42.7 kW，制冷功率為18.7 kW，最大顯冷量67.5 kW，在夏季高溫季節(jié)需要3臺(tái)機(jī)房空調(diào)全部運(yùn)行，過渡季節(jié)也需要二臺(tái)空調(diào)同時(shí)運(yùn)行。機(jī)房空調(diào)運(yùn)行能耗很大，約占數(shù)據(jù)中心總能耗的42.3%，數(shù)據(jù)中心年平均PUE值約為1.78，屬于高能耗場(chǎng)景。通過改造，新增4套新風(fēng)機(jī)組與機(jī)房原有的3套機(jī)房空調(diào)以聯(lián)動(dòng)方式運(yùn)行，從而降低機(jī)房運(yùn)行能耗。

圖1 數(shù)據(jù)機(jī)房平面布置圖

2 新風(fēng)系統(tǒng)原理及聯(lián)動(dòng)控制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察的情況和機(jī)房負(fù)載運(yùn)行分析制定了本地化新風(fēng)改造方案，結(jié)合運(yùn)營(yíng)商對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房實(shí)際節(jié)能指標(biāo)要求，對(duì)該機(jī)房實(shí)施安裝4套新風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)配置如表1所示。

表1 機(jī)房新風(fēng)系統(tǒng)配置

2.1 新風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)造原理

新風(fēng)系統(tǒng)由設(shè)備箱體、進(jìn)風(fēng)單元、排風(fēng)單元和控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)單元和排風(fēng)單元需要在墻體開孔后安裝，因此在機(jī)房?jī)?nèi)需要預(yù)先選擇合適的安裝位置，如機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)條件允許進(jìn)、排風(fēng)單元應(yīng)盡量分別安裝于機(jī)房的兩端，避免冷風(fēng)短路，進(jìn)、排風(fēng)單元結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)管道內(nèi)的防火風(fēng)門有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，在自動(dòng)模式下可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況由控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)門開度。控制系統(tǒng)通過對(duì)比新風(fēng)和機(jī)房?jī)煞轀?、濕度?shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)管防火風(fēng)門和回風(fēng)管防火風(fēng)門開度大小控制進(jìn)風(fēng)量。新風(fēng)引入時(shí)首先利用灰塵顆粒傳感器探測(cè)灰塵顆粒度直徑，設(shè)計(jì)濾網(wǎng)灰塵顆粒滿足5 μm初級(jí)過濾后通過率低于15%；通過5 μm中級(jí)過濾后通過率低于1%；灰塵顆粒直徑在0.5 μm的過濾通過率可低于4%。當(dāng)室外灰塵顆粒直徑超標(biāo)且濃度較大時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)，同時(shí)啟動(dòng)機(jī)房空調(diào)。當(dāng)室外灰塵顆粒滿足潔凈度要求，此時(shí)溫濕度傳感器檢測(cè)到室外環(huán)境溫度低于23 ℃時(shí)（設(shè)定值可設(shè)置），自動(dòng)啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行，打開進(jìn)風(fēng)門、關(guān)閉回風(fēng)門，同時(shí)關(guān)閉機(jī)房空調(diào)。利用送風(fēng)風(fēng)機(jī)將機(jī)房外灰塵濃度較低的冷空氣吸入新風(fēng)主機(jī)，經(jīng)過系統(tǒng)過濾裝置（初效、中效、高效）的處理，使引入的空氣潔凈度在滿足相關(guān)環(huán)境要求后送入數(shù)據(jù)機(jī)房。冷、熱空氣在機(jī)房?jī)?nèi)經(jīng)過熱交換以后控制系統(tǒng)會(huì)開啟排風(fēng)裝置的風(fēng)門，將機(jī)房?jī)?nèi)的熱空氣排出?？紤]到室外空氣溫度波動(dòng)較大，為滿足室內(nèi)的環(huán)境溫度要求，通過設(shè)定室內(nèi)溫度下限來控制新風(fēng)開停狀態(tài)，無論室外氣溫如何變化，使室內(nèi)溫度始終保持在合理的范圍之內(nèi)。另外，新風(fēng)系統(tǒng)具有濕膜加濕及混合除濕功能，在室外空氣濕度低于機(jī)房環(huán)境要求時(shí)，開啟加濕功能進(jìn)行加濕，在室外空氣濕度超過機(jī)房環(huán)境要求時(shí)，通過與回風(fēng)的混合進(jìn)行降濕。

圖2 新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)單元剖面圖

圖3 新風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)單元剖面圖

2.2 新風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)聯(lián)動(dòng)控制

系統(tǒng)具有與空調(diào)聯(lián)動(dòng)功能，新風(fēng)運(yùn)行時(shí)可通過繼電器方式或串口控制方式自動(dòng)關(guān)斷機(jī)房空調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)溫度的聯(lián)動(dòng)控制，系統(tǒng)電氣聯(lián)動(dòng)控制如圖4所示。根據(jù)機(jī)房環(huán)境要求，新風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)聯(lián)動(dòng)參數(shù)設(shè)置如下。

圖4 新風(fēng)系統(tǒng)電氣聯(lián)動(dòng)控制

新風(fēng)啟動(dòng)溫度設(shè)定為室內(nèi)溫度23 ℃，停止運(yùn)行溫度設(shè)定為26 ℃；空調(diào)啟動(dòng)溫度設(shè)定為26 ℃；當(dāng)室內(nèi)溫度低于23 ℃以下時(shí)新風(fēng)系統(tǒng)停止工作。系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同地域情況、不同氣象條件、不同節(jié)能指標(biāo)的要求，對(duì)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行溫度參數(shù)進(jìn)行修正，從而盡量增加新風(fēng)系統(tǒng)在聯(lián)動(dòng)方式下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，提高新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低機(jī)房綜合能耗。

3 自然冷源新風(fēng)技術(shù)的使用優(yōu)勢(shì)

浙江地理位置優(yōu)越氣候總的特點(diǎn)是冬夏季風(fēng)交替顯著，年溫適中四季分明，年平均氣溫在15～18 ℃。據(jù)氣象部門資料顯示：浙江湖州平均年度氣溫低于18 ℃的天數(shù)為170～200天，保守估計(jì)至少可使用180天，系統(tǒng)全年投入使用效率實(shí)際可達(dá)80%，并且由于華東地區(qū)相對(duì)環(huán)境濕度適中、空氣質(zhì)量好，適合將室外新風(fēng)直接引入室內(nèi)使用，無需通過換熱器與室內(nèi)空氣間接換熱后再被利用，故轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。如果在我國(guó)北方地區(qū)或南方地區(qū)應(yīng)用則因環(huán)境溫度、濕度和空氣質(zhì)量差異大，在改造應(yīng)用前需要詳細(xì)評(píng)估當(dāng)?shù)貧庀髼l件后實(shí)施，應(yīng)用中需對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況。

4 啟用新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能對(duì)比

通過提取該數(shù)據(jù)中心2021年1～6月半年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，方式一為：關(guān)閉新風(fēng)只開啟空調(diào)，方式二為：?jiǎn)⒂眯嘛L(fēng)與空調(diào)聯(lián)動(dòng)。通過兩種運(yùn)行方式對(duì)比，聯(lián)動(dòng)方式下節(jié)電效果更明顯，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2，新風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行曲線見圖5、圖6。

圖5 新風(fēng)系統(tǒng)1～6月運(yùn)行曲線

圖6 空調(diào)系統(tǒng)1～6月運(yùn)行曲線

表2 新風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉和聯(lián)動(dòng)兩種方式下能耗對(duì)比

根據(jù)上表數(shù)據(jù)對(duì)比，新風(fēng)與空調(diào)聯(lián)動(dòng)時(shí)機(jī)房總用電量比關(guān)閉新風(fēng)啟用空調(diào)時(shí)總用電量可節(jié)約22%～30%，適合小面積、高能耗數(shù)據(jù)中心使用。1～6月節(jié)約用電量124 160 kW·h，按電價(jià)0.94元/kW·h實(shí)際節(jié)電產(chǎn)生效益116 710.3元。與改造前該數(shù)據(jù)中心節(jié)能評(píng)估（按機(jī)房發(fā)熱量為75 kW，機(jī)房空調(diào)正常運(yùn)行兩臺(tái)開啟，一臺(tái)備用時(shí)計(jì)算，新風(fēng)系統(tǒng)按使用180天），推算得出可節(jié)約電費(fèi)116 138.8元，節(jié)電經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié) 論

由于數(shù)據(jù)中心普遍發(fā)熱量大、空調(diào)設(shè)備運(yùn)行能耗高，在滿足當(dāng)?shù)貧庀髼l件的基礎(chǔ)上可通過實(shí)施機(jī)房改造引入自然冷源新風(fēng)，作為機(jī)房單一空調(diào)降溫方式的補(bǔ)充，既滿足了數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排要求，同時(shí)也符合國(guó)家“降碳”應(yīng)用的要求，應(yīng)用前景非常廣泛。數(shù)據(jù)中心在當(dāng)今信息化社會(huì)中扮演著不可缺少的角色，實(shí)施數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排技術(shù)對(duì)于控制成本、提高運(yùn)行效率具有非常關(guān)鍵的意義。自然冷源新風(fēng)系統(tǒng)能夠?yàn)楦吣芎臄?shù)據(jù)中心落實(shí)節(jié)能降耗提供一種改造思路，通過合理配置結(jié)構(gòu)，結(jié)合優(yōu)化運(yùn)行策略可降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本。在國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”整體戰(zhàn)略下，自然冷源新風(fēng)系統(tǒng)將會(huì)走入更多數(shù)據(jù)中心。