數(shù)據(jù)中心水蓄冷削峰填谷的經(jīng)濟性分析

文_張新昌 郭世鵬 王亞澤 盛永亮 北京環(huán)渤高科能源技術(shù)有限公司

數(shù)據(jù)中心是為集中放置的電子信息設(shè)備提供運行環(huán)境的建筑場所，其建筑耗能巨大，對應(yīng)的建筑發(fā)熱量也特別大。隨著云計算的迅速發(fā)展，全社會對數(shù)據(jù)中心的需求量增加特別迅速，數(shù)據(jù)中心朝著大型化、集中化的方向發(fā)展。由于水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)對建筑形式的適應(yīng)性，目前國內(nèi)大中型數(shù)據(jù)中心普遍采用水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)。

由于數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的特殊性，其對應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)削峰填谷的設(shè)計理論和經(jīng)濟性的計算分析，與其他行業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)削峰填谷相比有很大的不同。本文結(jié)合數(shù)據(jù)中心的特點，針對大型數(shù)據(jù)中心水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的常用工況，計算在全年運行工況下，北京地區(qū)、上海地區(qū)和廣州地區(qū)數(shù)據(jù)中心削峰填谷的投資回收期，分析其經(jīng)濟性是否合理。

1 數(shù)據(jù)中心常用的水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)

1.1 數(shù)據(jù)中心常用水蓄冷系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)采用的蓄冷罐一般分為閉式承壓蓄冷罐和開式蓄冷罐，由于閉式蓄冷罐的成本比較高，一般應(yīng)用于規(guī)模比較小的空調(diào)系統(tǒng)；規(guī)模比較大的空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)用開式蓄冷罐。

為了保證數(shù)據(jù)中心的持續(xù)供冷，一次泵空調(diào)系統(tǒng)常采用閉式蓄冷罐；二次泵系統(tǒng)常采用開式蓄冷罐。由于二次泵系統(tǒng)配置開式蓄冷罐，可以實現(xiàn)在線無切換模式的持續(xù)供冷，同時成本比較低，是目前大型數(shù)據(jù)中心冷凍水空調(diào)系統(tǒng)持續(xù)供冷的常用配置。

本文主要討論在原有持續(xù)供冷蓄冷罐的基礎(chǔ)上，增大了蓄冷罐用于削峰填谷的容積，利用峰谷電價差來降低數(shù)據(jù)中心運行費用。

1.2 數(shù)據(jù)中心常用削峰填谷系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范規(guī)定，A級數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)主設(shè)備（含冷卻塔、水泵、冷水機組、板式換熱器）需要冗余備份，其主要的制冷設(shè)備設(shè)置為N+1，其中有1組設(shè)備備用。目前數(shù)據(jù)中心一般采用3+1或者4+1的冗余設(shè)置。制冷單元采用4+1系統(tǒng)冗余，制冷單元彼此獨立；二次泵和末端形成一個獨立循環(huán)單元；蓄冷罐、制冷單元、末端系統(tǒng)彼此連接形成完整的空調(diào)系統(tǒng)。

由于數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置了一定的冗余，另外考慮到安全因素，數(shù)據(jù)中心實際運行負荷一般低于設(shè)計負荷。考慮利用冗余設(shè)備，在夜間電價谷值時，為蓄冷罐進行蓄冷；在白天電價峰值時，利用蓄冷罐的蓄水來為機房供冷，節(jié)省運行費用。在這種運行策略下，僅僅只需要增加蓄冷罐的水容積，而主要制冷設(shè)備數(shù)量和參數(shù)基本保持不變。因此在增加最小投資的基礎(chǔ)上，分析數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)采用水蓄冷削峰填谷措施后，是否具有良好的經(jīng)濟性。

2 數(shù)據(jù)中心削峰填谷的應(yīng)用工況分析

2.1 典型城市的電價分析

本節(jié)重點分析中國三大城市（北京、上海、廣州）的峰谷電價差，以10kV工業(yè)用電為電價為典型參考值，來分析數(shù)據(jù)中心采用水蓄冷削峰填谷措施的經(jīng)濟性。表1為中國三大典型地區(qū)的峰谷電價差，可以看出，峰值的電費約為谷段電費的4倍。數(shù)據(jù)中心全年運行，良好的峰谷電價差可以提高數(shù)據(jù)中心削峰填谷應(yīng)用的經(jīng)濟性。

2.2 數(shù)據(jù)中心水蓄冷削峰填谷運行策略

從表1可以看出，上海地區(qū)非夏季工況下，每天高峰時間為6h；廣州地區(qū)每天高峰時間也為6h。為了達到最佳的投資回收比，利用峰谷電價差實際最長的情況，本文設(shè)置蓄冷罐所增加的蓄冷量為空調(diào)系統(tǒng)白天放冷時間6h所需要的冷量。

表1 三大城市不同季節(jié)和時段的電價表

在數(shù)據(jù)中心實際運行過程中，具體運行策略如表2所示。一般數(shù)據(jù)中心的平均負載率均低于設(shè)計滿負載的70%。本文計算過程中，進行如下假定：空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計滿負載流量為Q，系統(tǒng)平均負載率為設(shè)計滿負載的70%。制冷單元為4+1配置，制冷單元的最大運行流量為1.25Q。平段時間，蓄冷罐為定壓旁通設(shè)備，旁通流量為系統(tǒng)運行所需流量的10%。

系統(tǒng)全天運行流量與時間關(guān)系如表2所示。

表2 空調(diào)系統(tǒng)不同時段流量表

從表2可以得出，在不增加制冷單元設(shè)備容量情況下，系統(tǒng)平均負載率為70%時，蓄冷罐通過夜間7.6h的蓄冷，能保證系統(tǒng)白天峰段時間6h的放冷需求。

2.3 數(shù)據(jù)中心削峰填谷冷源系統(tǒng)能耗分析

根據(jù)大量數(shù)據(jù)中心項目配置，建立一個數(shù)據(jù)中心常用模型，分析數(shù)據(jù)中心削峰填谷的能耗情況及經(jīng)濟性。其模型主要設(shè)置條件如下：數(shù)據(jù)中心設(shè)計配置3000個5kW的IT機柜；數(shù)據(jù)中心全部IT設(shè)備的平均負載率為滿負載的70%。

工況一：蓄冷罐僅僅考慮15min的應(yīng)急供冷。

工況二：空調(diào)系統(tǒng)采用削峰填谷兼應(yīng)急供冷設(shè)計，蓄冷罐增加白天峰段時間6h的放冷量。

根據(jù)上述設(shè)定條件，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備配置如表3所示。

表3 常用工況下某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備配置表

在計算數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)全年功耗過程中，由于室外氣象參數(shù)的變化，會造成冷源系統(tǒng)全年的功耗計算比較復(fù)雜。數(shù)據(jù)中心項目進行節(jié)能分析時宜采取簡易方案，把全年制冷系統(tǒng)運行劃分為3個階段，分別為夏季完全機械制冷階段、冬季完全自然冷卻階段、過渡季部分自然冷卻階段。3個階段中冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵的運行功率可都取額定功率，冷水機組的運行功率分別取100%、0%和50%的額定功率測算，三階段功耗指標(biāo)與運行小時占全年權(quán)重乘積相加，即可得到全年的能耗數(shù)據(jù)。另外為了簡易計算，假定某一天內(nèi)，冷卻塔功率和冷水機組功率不受室外氣象參數(shù)的影響，僅受到全年季節(jié)變化的影響。

本文計算工況中，實際系統(tǒng)并不是滿負荷運行，由于系統(tǒng)的制冷單元比較多，且目前數(shù)據(jù)中心設(shè)備配置變頻裝置來節(jié)能運行?？梢院喕J為冷源系統(tǒng)的cop值不隨系統(tǒng)負載率的變化而變化。實際運行過程中，可以通過調(diào)節(jié)制冷單元的組數(shù)和設(shè)備運行的頻率來保證系統(tǒng)運行的節(jié)能性。

冷源系統(tǒng)制冷單元的制冷量、功率及COP如表4所示。

表4 冷源系統(tǒng)制冷單元相關(guān)參數(shù)表

結(jié)合制冷單元不同季節(jié)的COP值，可計算表5中蓄冷罐在全年某一天內(nèi)蓄冷過程中的耗電量，通過累計計算一年內(nèi)白天和夜間的電費差值，即可得出空調(diào)系統(tǒng)采用削峰填谷措施后，全年運行的節(jié)省費用。

表5為上述模型中削峰填谷蓄冷罐的運行參數(shù)，及其在不同季節(jié)每天夜間蓄冷所消耗的電量值。

表5 蓄冷罐能耗相關(guān)參數(shù)表

2.4 數(shù)據(jù)中心水蓄冷削峰填谷的經(jīng)濟性分析

由于不同地區(qū)的氣象差異性，導(dǎo)致不同地區(qū)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)削峰填谷的利用時間不同（見表6）。根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中的年逐時氣象參數(shù)，可以統(tǒng)計得出北京、上海、廣州地區(qū)分別在夏季、過度季節(jié)中削峰填谷的使用天數(shù)，然后乘以每天節(jié)約的電費額，可以計算出使用削峰填谷后，空調(diào)系統(tǒng)全年節(jié)省的費用（見表7）。

表6 不同地區(qū)不同運行模式下的時間表

表7 不同地區(qū)，采用水蓄冷進行削峰填谷節(jié)省費用計算表

備注：1.北京地區(qū)的電價費用對應(yīng)的夏季尖峰為7月和8月，期間每天有3h尖峰，因為此模型一天內(nèi)削峰填谷時長為6h，所以，此模型中尖峰時間為31d，夏季模式高峰時間有99d。上海電費對應(yīng)的夏季為7、8、9月。

2.冷源系統(tǒng)運行模式的夏季模式指冷水機組負荷平均率100%運行模式，過度季節(jié)模式指冷水機組的負荷平均率為50%。

結(jié)合表3中蓄冷罐的參數(shù)及表7運行費用，可以計算不同地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)采用削峰填谷后的靜態(tài)投資回收期，具體的計算值如表8所示。

表8 空調(diào)系統(tǒng)削峰填谷投資分析表

從表8計算結(jié)果可以看出，在北京、上海和廣州地區(qū)，目前大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)采用削峰填谷蓄冷罐，結(jié)合數(shù)據(jù)中心的實際運行工況，利用峰谷電價差，具有良好的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

大型數(shù)據(jù)中心采用冷凍水二次泵空調(diào)系統(tǒng)，可以考慮利用冗余設(shè)備為蓄冷罐進行充放冷，不增加制冷系統(tǒng)的投資，僅增加蓄冷罐的容積即可。

大型數(shù)據(jù)中心采用削峰填谷蓄冷罐，在機房平均負載率不高于設(shè)計滿負載70%的情況下，可以考慮夜間利用冗余冷量蓄冷7.6h，轉(zhuǎn)移白天6h的末端負荷，不用增加制冷系統(tǒng)的投資。

在北京、上海、廣州地區(qū)，大型數(shù)據(jù)中心采用削峰填谷蓄冷罐，結(jié)合數(shù)據(jù)中心的實際運行工況，利用峰谷電價差，具有良好的經(jīng)濟效益。