數(shù)據(jù)中心水蓄冷削峰填谷應(yīng)用研究

陸翔，王占軍，侯艷亮，丁 昊（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

0 前言

由于目前電能無法有效地大規(guī)模儲存，為了平衡供電側(cè)與用電側(cè)的能力差，各地發(fā)改委普遍制定了峰谷電價。用電側(cè)采取削峰填谷措施，可平衡電網(wǎng)負荷，提高發(fā)電設(shè)備的使用效率，從宏觀上實現(xiàn)節(jié)能減碳。近年來隨著云計算、5G、虛擬貨幣等技術(shù)迅猛發(fā)展，國家新基建、東數(shù)西算等戰(zhàn)略的落地實施，數(shù)據(jù)中心的用電規(guī)模急劇攀升，并朝著大型化、集中化的方向發(fā)展。結(jié)合國家峰谷電價政策，在大型數(shù)據(jù)中心項目推廣采用削峰填谷措施具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益，而目前蓄冷技術(shù)是削峰填谷主要技術(shù)措施之一，且已在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域有應(yīng)用案例。

1 蓄冷技術(shù)形式及原理

1.1 蓄冷技術(shù)形式

空調(diào)蓄冷技術(shù)主要有冰蓄冷及水蓄冷等2種。通過制冰方式，以相變潛熱儲存冷量，并在需要時融冰釋放出冷量的空調(diào)系統(tǒng)為冰蓄冷系統(tǒng)；利用水的顯熱儲存冷量的系統(tǒng)為水蓄冷系統(tǒng)。目前數(shù)據(jù)中心常用的為水蓄冷系統(tǒng)，其優(yōu)勢主要有以下幾個方面。

a）水蓄冷系統(tǒng)可與原空調(diào)系統(tǒng)“無縫”連接，無需再額外配置蓄冷冷源，可利用備用機組蓄冷，節(jié)省初投資。

b）水蓄冷系統(tǒng)的冷水溫度與原系統(tǒng)的空調(diào)冷水溫度相近，可考慮直接使用，不需設(shè)額外的設(shè)備對冷水溫度進行調(diào)整。

c）水蓄冷系統(tǒng)控制簡單，運行安全可靠，如出現(xiàn)緊急狀況可及時投入使用，滿足數(shù)據(jù)中心應(yīng)急供冷的要求。

d）數(shù)據(jù)中心設(shè)備負荷的加載是一個漸進的過程，在數(shù)據(jù)中心運行的初期，負荷率較低，制冷主機效率很低?？梢岳盟罾湎到y(tǒng)夜間滿負荷蓄冷（同時帶末端負荷），白天放冷，避免主機喘振（負載率30%以下時）的同時降低運行能耗。

1.2 水蓄冷系統(tǒng)原理

1.2.1 水蓄冷系統(tǒng)組成

采用低溫蓄冷（蓄冷溫度低于制冷溫度）時，水蓄冷系統(tǒng)主要由冷卻塔、冷卻水泵、冷水主機、冷凍水泵、蓄冷裝置、板式換熱器、蓄冷水泵和放冷水泵組成。采用常溫蓄冷（蓄冷工況與制冷工況相同）時，水蓄冷系統(tǒng)主要由冷卻塔、冷卻水泵、冷水主機、冷凍水泵、蓄冷裝置組成。

1.2.2 水蓄冷系統(tǒng)運行模式

蓄冷系統(tǒng)運行模式為蓄冷模式和放冷模式。

蓄冷模式：制冷機制取低溫冷水，通過蓄冷泵或冷凍泵，將冷水儲存到蓄冷裝置內(nèi)。

低溫蓄冷放冷模式：蓄冷裝置中的低溫冷水通過放冷水泵、板換與用戶側(cè)的高溫冷凍回水進行熱交換，完成放冷。

常溫蓄冷放冷模式：蓄冷裝置中的常溫冷水通過冷凍泵到用戶側(cè)，完成放冷。

水蓄冷低溫蓄冷原理圖如圖1所示。

圖1 水蓄冷低溫蓄冷原理圖

水蓄冷常溫蓄冷原理圖如圖2所示。

圖2 水蓄冷常溫蓄冷原理圖

由數(shù)據(jù)中心集中式水冷空調(diào)系統(tǒng)的特點及水蓄冷系統(tǒng)原理可知：

a）數(shù)據(jù)中心集中式水冷空調(diào)系統(tǒng)中，冷源設(shè)備一般按N+1 設(shè)置，水蓄冷系統(tǒng)的冷卻塔、冷卻水泵、冷水主機、冷凍水泵可與數(shù)據(jù)中心冷源的備用機組共用，采用低溫蓄冷時，備用制冷機需采用雙工況機組（蓄冷工況和制冷工況）。

b）采用低溫蓄冷時，水蓄冷技術(shù)較普通制冷過程多一次能量轉(zhuǎn)換，必然產(chǎn)生更多能耗，經(jīng)測算采用水蓄冷技術(shù)會使數(shù)據(jù)中心PUE 增加約0.01。此外，如數(shù)據(jù)中心冬季可采用板換自然冷模式，不開啟制冷主機，夜間采用低溫蓄冷相比白天制冷將增加制冷主機功率、蓄冷泵及放冷泵功率，蓄冷用電功率遠大于白天制冷功率，經(jīng)濟性較差，則冬季自然冷時一般不考慮水蓄冷削峰填谷。

c）采用常溫蓄冷時，蓄冷過程僅增加冷凍泵能耗，但蓄冷溫差一般較小，蓄冷裝置容積較大。如冬季采用板換自然冷模式，可利用夜間谷電價進行常溫蓄冷，白天放冷，經(jīng)濟性需根據(jù)項目具體情況進行測算。

2 數(shù)據(jù)中心應(yīng)用建議

2.1 蓄冷裝置設(shè)計

關(guān)于蓄冷裝置的選擇，表1 所示是數(shù)據(jù)中心中常用的3種蓄冷裝置方案的對比。

表1 3種蓄冷裝置的對比

通過對比可知，針對大型數(shù)據(jù)中心水蓄冷削峰填谷，目前采用閉式蓄冷罐時經(jīng)濟性較差，且蓄冷容積較小，一般優(yōu)先考慮地上開式蓄冷罐或地下蓄冷水池方案。地上開式蓄冷罐方案的優(yōu)勢是經(jīng)濟性較好，且可采用常溫蓄冷，但對室外場地條件要求較高，蓄冷容積受限；地下蓄冷水池方案施工工藝相對較復(fù)雜，但對室外地上空間和園區(qū)整體規(guī)劃效果無影響，蓄冷容積一般較大，經(jīng)濟性相對較好，通用性更強。項目中具體應(yīng)用時可根據(jù)自身特點進行選擇。

2.2 蓄冷系統(tǒng)設(shè)計

蓄冷裝置確定以后，數(shù)據(jù)中心蓄冷系統(tǒng)設(shè)計主要從以下幾個方面考慮。

2.2.1 蓄冷工況

根據(jù)蓄冷裝置方案，可選擇常溫蓄冷或低溫蓄冷工況。采用低溫蓄冷工況時，目前常用蓄冷溫度為：4～14 ℃，蓄冷溫差為6～10 ℃。蓄冷溫度應(yīng)根據(jù)制冷工況確定，越接近制冷溫度，則蓄冷機組效率越高，越有利于降低運行費用；蓄冷溫差越大，蓄冷容積越小，越有利于降低蓄冷成本，需根據(jù)機組選型確定。

2.2.2 蓄冷容積

蓄冷容積和蓄冷冷源型號、項目場地條件有關(guān)。綜合各種因素，最優(yōu)方案是按照單臺備用機組谷價蓄冷時長來確定蓄冷容積，在場地條件允許的情況下一般最長蓄冷時間為當?shù)匾归g谷價時長，不用額外增加蓄冷冷源投資，且節(jié)省占地面積，經(jīng)濟性較好。具體項目應(yīng)根據(jù)場地條件具體分析。

2.2.3 放冷模式

放冷模式一般有按照單臺機組白天連續(xù)放冷和白天峰段、尖峰段集中放冷2 種。放冷模式和機房上架負荷率有關(guān)，前期負荷率較低時（一般低于20%）可在白天連續(xù)放冷，根據(jù)負荷率確定放冷的天數(shù)。隨著負荷率的上升，推薦在白天峰段，特別是夏季尖峰段集中放冷，提高經(jīng)濟效益。具體放冷時間應(yīng)根據(jù)當?shù)胤骞入妰r政策詳細設(shè)計，應(yīng)扣除滿足應(yīng)急供冷所需的15 min。

2.2.4 蓄冷模式

蓄冷模式一般有只在低谷電價時蓄冷和低谷和平段電價時都蓄冷2 種。蓄冷模式和蓄冷容積、放冷模式有關(guān)，前期負荷率較低時，可在夜間低谷蓄冷，白天連續(xù)放冷；負荷率上升后，應(yīng)根據(jù)當?shù)胤骞入妰r詳細設(shè)計，可采用平段二次蓄冷、峰段放冷。第1次蓄冷后，后續(xù)可蓄冷時間應(yīng)扣除系統(tǒng)應(yīng)急供冷占用的15 min。

2.2.5 冷損失

蓄冷系統(tǒng)冷損失包括蓄冷裝置布水斜溫層冷損失、蓄冷裝置保溫冷損失和蓄冷、放冷管道冷損失。根據(jù)廠家數(shù)據(jù)及設(shè)計經(jīng)驗，建議斜溫層冷損失按5%～20%考慮，蓄冷裝置保溫冷損失按1%～5%考慮，管道冷損失按1%～5%考慮，應(yīng)根據(jù)項目具體條件選取系數(shù)值。

2.2.6 室外環(huán)境因素

不同季節(jié)室外環(huán)境溫度不同，白天和夜間環(huán)境溫度也不同，對蓄冷機組和制冷機組的能效均有影響，冷源側(cè)能耗建議按季度平均室外濕球溫度進行計算。

2.2.7 靜態(tài)回收期

綜合以上因素，可測算出蓄冷系統(tǒng)初投資和后期節(jié)省的運行費用，計算出靜態(tài)回收期。建議初投資中扣除滿足國A 機房15 min 應(yīng)急供冷所需投資，靜態(tài)回收期6年以上的一般不推薦采用水蓄冷削峰填谷。

3 工程案例

以采用地下蓄冷水池方案的實際工程為例，進行水蓄冷削峰填谷系統(tǒng)設(shè)計和經(jīng)濟性分析。

3.1 工程概況

該工程位于廣州市，規(guī)劃機架數(shù)為3 990 架（平均功率為6.42 kW），建設(shè)標準按照國標GB50174 中A 級數(shù)據(jù)中心，設(shè)計PUE＜1.3，考慮蓄冷因素后，實際計算PUE為1.28。

3.2 蓄冷方案

該工程冷源采用5+1 臺1700RT 的制冷機組，如采用蓄冷罐方案滿足國A 機房15 min 不間斷制冷要求，經(jīng)計算，應(yīng)建設(shè)4 個有效容積約330 m3的蓄冷罐，采用室外立式閉式蓄冷罐，則總投資約為800 萬元。當?shù)卣蟛荒茉诘孛嬖O(shè)置高大設(shè)備，所以蓄冷罐方案不適宜。采用地下蓄冷水池方案，并結(jié)合當?shù)胤骞入妰r進行削峰填谷。

根據(jù)項目場地條件及考慮10 ℃蓄冷溫差，按單臺備用機組夜間蓄冷8 h 計算，蓄冷水池有效容積為：512.3×8=4 098.4 m3，按4 100 m3計。

根據(jù)場地條件，水池設(shè)置在機房下方地下一層，液位約3 m，斜溫層冷損失按15%考慮，保溫冷損失按5%考慮，管道冷損失忽略不計，總冷損失為20%。

由于該工程采用間接蒸發(fā)冷塔+板換自然冷技術(shù)，每年可進行完全自然冷的時長約為94天，按3 個月計，則冬季不考慮水蓄冷削峰填谷。

機柜上架負載率按第1年30%、第2年及以后60%考慮。

3.3 初投資測算

地下一層設(shè)有空調(diào)補水池、消防水池、蓄冷水池，蓄冷水池考慮和空調(diào)冷卻水補水池共用10 h 補水量并按照水量分攤，考慮基坑支護等費用，分攤后蓄冷水池的土建投資約為940萬元。加上水蓄冷設(shè)備及配電投資約780萬元，水蓄冷系統(tǒng)的總投資約為1 720萬元。

若不設(shè)地下水蓄冷水池，機房樓需考慮不小于15 min 的應(yīng)急制冷需求，仍需設(shè)置蓄冷系統(tǒng)。此時，樞紐樓應(yīng)急制冷所需要的投資約為800萬元。則設(shè)置水蓄冷削峰填谷增加的投資約為920萬元。

3.4 蓄、放冷時間設(shè)計

根據(jù)廣州市分時電價政策及該工程機柜上架負載率，對蓄、放冷時間進詳細設(shè)計。廣州市分時電價如表2所示。

表2 廣州市分時電價表

3.4.1 第1年蓄、放冷時間

蓄冷時間：機柜負載率為30%時，經(jīng)測算，蓄冷機組可承擔20%的IT負荷，小于機柜負載率，則第1年系統(tǒng)即可按照最大蓄冷量運行，單臺蓄冷機組可在夜間滿負荷蓄冷8 h，扣除20%冷損失后，在白天峰段時如按單體機組可放冷時長為8×0.8=6.4 h，按照系統(tǒng)滿負荷單次可放冷6.4×0.2/0.3=4.26 h，扣除系統(tǒng)應(yīng)急供冷15 min 后每天可放冷時間為4 h，第2 天及以后可蓄冷時間為4×0.3/0.2/0.8=7.5 h。

放冷時間：一次放冷時間為10：00—12：00，放冷2 h（夏季含尖峰1 h）；二次蓄冷時間為12：00—14：00，蓄冷2 h；二次放冷時間為14：00—18：00，放冷3.3 h（夏季含尖峰2 h），總放冷時間為5.3 h。

3.4.2 第2年及以后蓄、放冷時間

當機柜負載率為60%時，每天放冷時間為6.4×0.2/0.6-0.25=1.88 h＜3 h，每天蓄冷時間為7 h，夏季可在尖峰段集中放冷。

過渡季（4—6 月、10—12 月）：一次放冷時間為10：00—12：00，放冷1.88 h；二次蓄冷時間為12：00—14：00，蓄冷2 h；二次放冷時間為14：00—15：00，放冷0.66 h，總放冷時間為2.54 h。

夏季（7—9 月）：一次放冷時間為11：00—12：00，放冷1 h；二次蓄冷時間為12：00—14：00，蓄冷2 h；二次放冷時間為15：00—17：00，放冷1.54 h，總放冷時間為2.54 h。

3.5 運行費用和回收期測算

根據(jù)測算，設(shè)計蓄、放冷時間內(nèi)每年有蓄冷空調(diào)和無蓄冷空調(diào)的用電量如表3所示。

表3 用電量測算表

系統(tǒng)的運行費用是根據(jù)24 h 峰谷平電價×對應(yīng)時間段耗電量得到的，則根據(jù)分時電價，每年可節(jié)省運行電費如表4所示。

表4 節(jié)省電費測算表

則該工程水蓄冷系統(tǒng)削峰填谷的靜態(tài)回收期為：1+（920-196.7）/179=5年。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心應(yīng)用水蓄冷削峰填谷技術(shù)可獲得良好的經(jīng)濟效益，特別是在前期機房負荷率較低時不僅可以節(jié)電，還可以節(jié)能，降低機房前期的PUE，同時還可帶來良好的社會效益，有利于宏觀上的節(jié)能減排。

在系統(tǒng)應(yīng)用時，應(yīng)綜合考慮影響初期投資及運行成本的各種因素，根據(jù)項目具體條件選擇合適的水蓄冷方案，并結(jié)合當?shù)胤骞入妰r政策進行全面、詳細的設(shè)計和計算，以便在項目前期客觀地評價蓄冷方案的合理性及經(jīng)濟性。

綜上所述，水蓄冷削峰填谷技術(shù)可在峰谷電價差較高地區(qū)的數(shù)據(jù)中心項目中推廣和應(yīng)用，但項目具體應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)其自身特點在項目前期對蓄冷方案進行全面充分的論證，確保方案的可實施性及經(jīng)濟性。