水冷式冷媒直冷空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應用及分析

劉永彬，林武雋，張 淵

（中國電信股份有限公司北京分公司，北京 100032）

0 引 言

近年來，我國數(shù)據(jù)中心市場保持高速增長態(tài)勢，用電規(guī)模也保持高速增長，這導致了數(shù)據(jù)中心成為了高耗能的行業(yè)之一，年用電量已占全社會用電的2%左右。在“碳中和”背景下，數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排壓力較大，只有對降低機房能耗的新技術(shù)與新方法進行研究，采用新的制冷技術(shù)或制冷方式，降低互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Cente，IDC）機房的整體能耗，才能達到節(jié)能減排的目標[1]。

1 冷媒直冷空調(diào)系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理

冷媒直冷空調(diào)制冷系統(tǒng)與常規(guī)的蒸氣壓縮制冷原理類似（見圖1），只是將傳統(tǒng)的機房風冷空調(diào)做成了集中化的模式，蒸發(fā)器與空調(diào)主機之間由氟泵來提供驅(qū)動動能。整個制冷系統(tǒng)通過磁懸浮離心式壓縮機將空調(diào)制冷劑壓縮成液態(tài)后送入冷凝器中，冷凝器中的冷媒通過電子膨脹閥節(jié)流后進入儲液器，儲液器中的冷媒直接通過冷媒泵將液態(tài)冷媒送入室內(nèi)換熱器盤管中與空氣進行熱交換。機房內(nèi)的空氣吸收液態(tài)冷媒的冷量后變?yōu)槔淇諝?，進而給機房設備降溫。液態(tài)冷媒吸收機房內(nèi)熱量后變?yōu)闅鈶B(tài)，又回到壓縮機，經(jīng)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，被冷凝器冷卻，冷凝器連接冷卻塔，經(jīng)冷卻水系統(tǒng)進行冷卻降溫。冬季時，冷卻水直接與循環(huán)冷媒進行換熱冷凝進入自然冷卻模式。

圖1 冷媒直冷空調(diào)系統(tǒng)原理

1.2 運行模式

冷媒直冷空調(diào)系統(tǒng)可在3種模式下運行，分別是機械制冷模式、混合制冷模式以及自然冷卻模式。夏季室外空氣溫度較高時，機組在機械制冷模式下運行，蒸發(fā)后的冷媒氣體經(jīng)由Free Cooling冷凝器直接回到壓縮機，然后經(jīng)壓縮、冷凝、節(jié)流后回到Free Cooling冷凝器，再由冷媒泵送入室內(nèi)換熱器中，完成制冷循環(huán)。此時，F(xiàn)ree Cooling冷凝器作為儲液器使用，不參與制冷循環(huán)。機械制冷示意如圖2所示。

圖2 機械制冷示意

環(huán)境溫度降低后，機組進入混合制冷模式（見圖3），即部分自然冷卻制冷+部分壓縮制冷。冷卻水先進入Free Cooling冷凝器對冷媒回氣進行預冷卻，不足的部分由壓縮制冷進行二次補充制冷。室外環(huán)境溫度越低，自然冷卻部分提供的冷量越大，壓縮制冷系統(tǒng)需要補充的越小，壓縮機降頻運行可以大幅減少壓縮機功率，降低系統(tǒng)能耗。

圖3 混合制冷示意

隨著環(huán)境溫度的進一步降低，自然冷卻部分提供的冷量能夠完全滿足供冷需求，機組進入完全自然冷卻模式（見圖4），壓縮機制冷系統(tǒng)停止運行。經(jīng)過冷卻塔冷卻的水給機組Free Cooling冷凝器降溫，進而給冷媒降溫，冷媒再經(jīng)過氟泵輸送至各機房內(nèi)部，吸收機房熱量后變?yōu)闅怏w重新回到Free Cooling冷凝器，這樣來回循環(huán)達到給機房降溫的目的。

圖4 自然冷卻示意

1.3 冷媒直冷技術(shù)與冷凍水技術(shù)對比

（1）冷媒直冷空調(diào)系統(tǒng)采用磁懸浮變頻離心式壓縮機制冷，磁懸浮軸承無任何接觸摩擦，且不需要潤滑油，該方法可以提高蒸發(fā)器、冷凝器的換熱效率。據(jù)估算，相比傳統(tǒng)的水冷式離心機組，大約可提高15%。由于不需要考慮壓縮機的回油問題，管路系統(tǒng)更加簡單，機組冷凝端采用冷卻塔給冷凝器降溫，排熱效率高、耗水量低[2]。

（2）冷媒直接進入機房，減少了冷凍水系統(tǒng)冷凍泵的能源消耗，冷媒的流動直接由氟泵驅(qū)動。由于機房內(nèi)末端采用相變換熱，潛熱容量大，氟泵流量小，輸送功率可降低80%～90%，節(jié)能效果明顯。

（3）傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)末端精密空調(diào)內(nèi)部為顯熱換熱，機組蒸發(fā)溫度為8 ℃左右；冷媒直冷空調(diào)系統(tǒng)末端精密空調(diào)內(nèi)部為相變換熱，換熱溫差小，機組冷媒蒸發(fā)溫度可控制為15 ℃左右。研究表明，蒸發(fā)溫度每增加1 ℃，機組能效提高3%，通過提高機組的蒸發(fā)溫度可有效降低制冷機組能耗水平。

（4）冷媒直冷系統(tǒng)具有自然冷卻運行模式，冬季及過渡季節(jié)采用氟泵技術(shù)進行換熱。由于蒸發(fā)溫度的提高，可大幅延長自然冷源的利用時間，以北京為例，傳統(tǒng)冷凍水空調(diào)系統(tǒng)自然冷卻時間約2 700 h左右，而采用冷媒直冷技術(shù)后的完全自然冷卻時間約4 200 h左右，提升約55%，可大幅降低系統(tǒng)能耗。

（5）傳統(tǒng)冷凍水空調(diào)機組由于壓縮機回油問題導致調(diào)節(jié)范圍變窄，一般在30%～100%調(diào)節(jié)，冷媒直冷空調(diào)機組由于采用的是變頻無油磁懸浮壓縮機，調(diào)節(jié)范圍廣，可在10%～100%調(diào)節(jié)。另外，系統(tǒng)通過智能控制保持在最優(yōu)模式下運行，最大限度地降低系統(tǒng)能耗，遠程實時監(jiān)測運行狀態(tài)，做到故障可預警并及時應對[3]。

2 冷媒直冷空調(diào)系統(tǒng)應用案例及分析

2.1 案例概況

北京電信某數(shù)據(jù)中心2011年投入使用，該樓建筑面積約1.8萬m2，機樓地上5層，地下1層。大樓采用冷凍水型空調(diào)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)機房內(nèi)采用地板下送風模式進行送風，機柜側(cè)設置封閉冷通道。空調(diào)系統(tǒng)年用電量約為1118萬kW·h，電費約783萬元，年平均電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）約為1.45，節(jié)能改造潛力較大。

2.2 節(jié)能改造方案

根據(jù)現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，形成整體的改造方案如下文所述。

（1）增設水冷式冷媒直冷空調(diào)機組。通過水冷冷卻配合冷媒直冷技術(shù)，可有效降低制冷機組冷凝溫度，提升蒸發(fā)溫度，降低壓縮比，提高主機機組能效，充分利用自然冷源進行自然冷卻運行，降低整體能耗。

（2）增設頂置式回風冷卻器。安裝于風冷精密空調(diào)室內(nèi)機的回風口處，對室內(nèi)回風進行優(yōu)先處理，并借用精密空調(diào)風機將處理后的冷空氣送入冷通道，改造過程不改變原有空調(diào)送風形式，并采用逐臺改造的形式進行冷卻器的加裝，施工過程不影響空調(diào)的正常運行[4]。

（3）增設橫流式冷卻塔、冷卻水循環(huán)泵、補水設備、水處理等設備。改變現(xiàn)有風冷冷凝的形式，集中散熱，提高冷凝效率。

（4）增設中央集控系統(tǒng)及精密空調(diào)智能控制終端。通過優(yōu)化溫濕度控制，將新增制冷系統(tǒng)與原風冷空調(diào)系統(tǒng)運行無縫銜接，確保機房運行安全，通過對室內(nèi)溫度的監(jiān)測，優(yōu)化室內(nèi)風機運行效果，降低風機功率。

新增兩套水冷式冷媒直冷空調(diào)機組（單套制冷量1 934 kW）以及101臺頂置式回風冷卻器（含備份機），替代現(xiàn)有風冷精密空調(diào)進行制冷，通過冷媒泵將低溫液體制冷劑輸送到機房頂置式回風冷卻器內(nèi)，蒸發(fā)吸熱，再由壓縮機壓縮后通過冷卻塔將熱量排放到室外。機房內(nèi)空氣通過頂置式回風冷卻器降溫后，送入機房冷通道內(nèi)，整套系統(tǒng)可大幅提高制冷效率，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。

現(xiàn)有精密空調(diào)回風口頂部安裝有回風管道，擬拆除精密空調(diào)連接部分的管道，加裝頂置式回風冷卻器，然后重新與上端回風箱連接。原空調(diào)系統(tǒng)處于熱備份狀態(tài)，通過對回風溫度的監(jiān)測，可與新增空調(diào)系統(tǒng)無縫對接，保證機房運行安全[5]。

2.3 系統(tǒng)實際應用效果分析

通過對2022年冷媒直冷空調(diào)系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Technology，IT）設備總負荷、室內(nèi)機房空調(diào)負荷、機組運行功率及配套的水泵和冷媒泵運行功率進行統(tǒng)計，得到如表1所示的系統(tǒng)節(jié)能量統(tǒng)計表。

表1 冷媒直冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能量統(tǒng)計

從表1可以看出，水冷式冷媒直冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，平均PUE值為1.25，節(jié)能率為44.7%，預計年度PUE值為1.27，每年節(jié)電量約為493萬kW·h，減少CO2排放量4 915 t，節(jié)約了標準煤1 972 t。

3 結(jié) 論

節(jié)能減排是我國的基本國策，也是當前我國經(jīng)濟社會發(fā)展的一項緊迫任務，在全國“雙碳”政策背景下，北京電信啟動了“碳中和”相關(guān)節(jié)能規(guī)劃，推動和踐行節(jié)能舉措，落實國家節(jié)能減排政策。

本文通過介紹冷媒直冷空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的原理及運行模式，分析了該系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢，并結(jié)合實際應用案例分析了老舊機房綠色節(jié)能改造的可行性及經(jīng)濟性，為其他省公司落實中國電信“雙碳”行動計劃相關(guān)工作要求以及其他數(shù)據(jù)中心運營商的設計建設與節(jié)能改造提供了相應的技術(shù)參考。