數(shù)據(jù)中心暖通系統(tǒng)蓄冷罐改造方案研究及應(yīng)用

許 敏，曹 燦，徐 遲，蔡 榮，王 超，李 宇

（1.中國(guó)聯(lián)通 無錫分公司，江蘇 無錫 214142；2.中國(guó)聯(lián)通 江蘇省分公司，江蘇 南京 210029）

0 引 言

目前數(shù)據(jù)中心的電能還無法有效地進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)存，存在著用電峰值和用電谷值。電力部門通過需求側(cè)管理，利用削峰、填谷、移峰填谷以及改善設(shè)備的供電方案等手段對(duì)國(guó)家電網(wǎng)負(fù)荷曲線加以微調(diào)，減少單日供電的峰谷差等。而蓄冷空調(diào)技術(shù)則是在供電低谷期通過蓄能設(shè)備將制冷機(jī)制得的冷量貯存于熱水蓄冷罐內(nèi)，待供電高峰期時(shí)再將貯存的冷卻設(shè)備投放到中央空調(diào)末端使用[1]。通過合理利用夜間低谷供電條件，不但使數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用大幅下降，而且對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了很大的移峰填谷作用，提升了設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于用戶而言，蓄冷中央空調(diào)發(fā)揮了調(diào)整電能峰值的功能并均衡了供電壓力，大大提高了對(duì)水力發(fā)電設(shè)施的利用效果[2]。

1 水蓄冷系統(tǒng)的工作原理

水蓄冷以水作為主要蓄冷介質(zhì)，所蓄存的冷量決定了蓄冷槽貯存冷水的總量與蓄冷溫度差。熱水蓄冷適用于大溫差下供水的中央空調(diào)系統(tǒng)，可以大大提高蓄冷量。水在4 ℃時(shí)的密度最高，而且可以自動(dòng)分層，通常利用常規(guī)的冷水機(jī)組直接制造4 ℃的冷水來儲(chǔ)存。此外，可以將2個(gè)常規(guī)冷水機(jī)組并聯(lián)，再分成2次將冷水溫度降低至4 ℃，以此來提升機(jī)組的冷卻效果[3]。數(shù)據(jù)中心機(jī)房水蓄冷罐空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房水蓄冷罐空調(diào)系統(tǒng)

水蓄冷量的計(jì)算公式為

式中：ρ為蓄冷水密度，取1 000 kg/m3；V為水的體積，m3；cp為水的定壓比熱，取4.18 kJ/（kg·℃）；Δt為蓄冷水池進(jìn)出水溫差，℃。

蓄冷水罐有很多種類型，如水平串聯(lián)式、水平并聯(lián)式，通常以重力自動(dòng)分級(jí)的方式使用較多[4]。在一般民用建筑中大多使用消防水池作為水蓄冷池，不需要再追加過多投入，通常使用部分水冷機(jī)組來承受夜間負(fù)載，使用剩余水冷機(jī)組在夜晚低谷電價(jià)時(shí)來進(jìn)行儲(chǔ)冷。使用消防水池作為水蓄冷池要在工程設(shè)計(jì)之初與供水專業(yè)技術(shù)人員充分交流，確保滅火水池的造型、容積在符合消防相關(guān)規(guī)定的同時(shí)，有利于水蓄冷的利用。蓄冷最有利的方法是利用自然溫差分層，但多水池高低層次的串聯(lián)法、迷宮法和折流法需要加強(qiáng)水池內(nèi)部隔離等保護(hù)措施，提高了施工的費(fèi)用和復(fù)雜度，在新建工程項(xiàng)目中也不建議使用。

采取自然分層式水蓄冷要求水池的覆蓋面和體量比越小越好，池內(nèi)的水域凈高要超過5 m。消防水池盡量安裝在冷水機(jī)組的最上一級(jí)，這樣蓄冷時(shí)冷水機(jī)組的蒸汽發(fā)生器一直為滿水狀況，就構(gòu)成一種由水池內(nèi)定壓產(chǎn)生的蓄冷密閉式循環(huán)系統(tǒng)。在游泳池內(nèi)，可以通過設(shè)有上、下大致相同的布水器來調(diào)節(jié)流速，以減少冷熱水的摻混量。在池底的冷水和上層的暖水之間，由溫度差異傳導(dǎo)性傳熱而產(chǎn)生的過渡層（斜溫層）一般為0.3～0.5 m。通過保持斜溫層的熱平衡，可以避免冷溫水的熱融合。

在蓄冷時(shí)，由冷水機(jī)組將制取的冷水直接送入水池，冷水機(jī)組的出流水溫通常為4 ℃。蓄冷后，低壓水由底部的布水器進(jìn)入水池，而高溫水由上層的布水器直接排出入水池。釋冷后，低壓水從底部的布水器流出游泳池，高溫水從上層的布水器流入游泳池[5]。蓄冷罐系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 蓄冷罐系統(tǒng)原理

若采取主機(jī)下游的并聯(lián)形式，則主機(jī)將會(huì)由于進(jìn)水溫度較低而效能下降。若采取主機(jī)上游的并聯(lián)形式，則蓄冷池的冷水溫度就不易保持穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的供水溫度不穩(wěn)。在設(shè)計(jì)中，分別測(cè)算兩個(gè)板式換熱器的總?cè)萘?，取其最大?/p>

2 水蓄冷在數(shù)據(jù)中心的實(shí)踐及應(yīng)用

根據(jù)使用類型的不同，水蓄冷又分成敞開式和全封閉式。由于開式蓄冷技術(shù)工藝成熟、制冷劑的分層作用比較明確、費(fèi)用也相對(duì)較低，因此對(duì)于數(shù)據(jù)中心內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的使用主要選擇該類型。在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常將開式蓄冷罐并聯(lián)在空調(diào)裝置中，由給水裝置定壓，使其自動(dòng)控制高度超過設(shè)計(jì)最高點(diǎn)，而罐體尺寸則按照系統(tǒng)要求設(shè)定。目前，數(shù)據(jù)中心使用的開式蓄冷罐蓄冷效能通常達(dá)到85%以上[6]。閉式蓄冷罐的單體容量普遍較小，蓄冷罐中的冷水不斷流出以滿足隨時(shí)保有設(shè)備蓄冷。閉式蓄冷罐需要同時(shí)具有自承壓水能力，對(duì)材料的需求較高，建造難度也較大。在布水器設(shè)計(jì)不良時(shí)，罐中的冷溫水混合現(xiàn)象十分突出，得不到穩(wěn)定的斜溫層，蓄冷效果較差。

數(shù)據(jù)中心一般使用離心式冷水機(jī)組，當(dāng)冷卻壓力降低至一定水平后，制冷機(jī)會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象，并嚴(yán)重?fù)p害壓縮機(jī)的導(dǎo)葉。配備蓄冷罐后進(jìn)行儲(chǔ)冷，儲(chǔ)冷結(jié)束后冷機(jī)停止工作，通過蓄冷罐進(jìn)行供冷，可以減少冷水機(jī)組的使用時(shí)間，提升設(shè)備工作效能。由于水蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)具備削峰填谷的特點(diǎn)，因此該中央空調(diào)系統(tǒng)也可以按照此方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能。中央空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有一用一備的蓄冷罐，夜間將通過后備冷卻泵所輸送的冷量保存在蓄冷罐內(nèi)，白天則通過蓄冷罐儲(chǔ)存的冷量實(shí)現(xiàn)放冷。在后期負(fù)載增加時(shí)，利用蓄冷罐可以完成部分時(shí)段的供冷。合理利用后備冷水機(jī)組和后備蓄冷系統(tǒng)，從而減少電能的消耗。

對(duì)某大型數(shù)據(jù)中心案例加以分析，將其冷源設(shè)置為三用一備，離心式冷水機(jī)組的滿載電流為4 500 A，設(shè)計(jì)供回水溫度為10 ℃/16 ℃，在夜間低谷電價(jià)時(shí)期開啟備用制冷機(jī)制備的6 ℃冷水貯存于蓄冷罐中，在白天的供電尖峰期將蓄冷水和冷水回水混合形成的10 ℃冷水供應(yīng)至末端中央空調(diào)裝置。結(jié)果表明，實(shí)行中央蓄冷系統(tǒng)夜間蓄冷、白天放冷的策略能夠減少中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)電費(fèi)。

數(shù)據(jù)中心蓄冷量的最大值為一個(gè)空調(diào)設(shè)備滿負(fù)荷工作20 min的冷量，假設(shè)其前期工作中的工作負(fù)荷只有設(shè)備負(fù)荷的10%～20%，則一個(gè)蓄冷罐能夠保障體系200 min的工作供冷。而對(duì)于雙路供水系統(tǒng)和備份蓄冷罐設(shè)計(jì)的中央空調(diào)機(jī)組，蓄冷罐的設(shè)計(jì)容量將能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)中心的7 h供冷，從而縮短了白天制冷機(jī)在部分溫度下的工作時(shí)間，確保冷水機(jī)組一直工作在有效冷卻范圍內(nèi)。若選擇較低溫時(shí)蓄冷，則增加了蓄冷溫差，其應(yīng)用效果更加突出。

3 結(jié) 論

在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)第一階段，由于機(jī)房的負(fù)載工作很少，此時(shí)便可暫停冷水機(jī)組的運(yùn)行，并通過蓄冷罐對(duì)末端空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行供冷，減少了冷水機(jī)組的部分負(fù)載工作，提升了冷水機(jī)組的工作效能。合理利用空閑的冷水機(jī)組和應(yīng)急蓄冷系統(tǒng)，縮短白天制冷機(jī)的工作時(shí)段，能夠明顯減少中央空調(diào)設(shè)備的運(yùn)營(yíng)支出，同時(shí)提升了能源使用效率。