數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷冷水機(jī)組機(jī)房節(jié)能運(yùn)行策略

穆為先，程亨達(dá)，陳煥新，袁彭宋

（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

數(shù)據(jù)中心擁有大量IT 設(shè)備，全年24 h 不間斷運(yùn)行，其用電量很高。隨著我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，大量新數(shù)據(jù)中心建成，我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)的用電量也明顯增大。此外，數(shù)據(jù)中心有相對于其他用電設(shè)施外的獨(dú)特特點(diǎn)，即由于其運(yùn)行規(guī)律和產(chǎn)熱量大，其在全年所有季節(jié)都需要進(jìn)行制冷，無需制熱，因此其冷卻系統(tǒng)耗電量巨大。如圖1 所示，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)占據(jù)了數(shù)據(jù)中心能耗的40%左右[1]，其節(jié)能的潛力和研究價(jià)值都很高。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗分布

隨著數(shù)據(jù)中心能耗問題越來越引起重視，我國很多大城市，如北京、上海等也對數(shù)據(jù)中心的電能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）指標(biāo)開始有硬性要求，有足夠低PUE 的數(shù)據(jù)中心才被允許建立。國內(nèi)大型互聯(lián)網(wǎng)廠商的數(shù)據(jù)中心也都體現(xiàn)出特殊（定制化）程度高、追求低成本等特點(diǎn)[2]。這也使細(xì)化到每一個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能策略的研究比較重要。

文獻(xiàn)[3]指出增大供回水溫差，即相對于傳統(tǒng)空調(diào)的7 ℃/12 ℃而言，供回水溫差大于5 ℃時(shí)，即為大溫差系統(tǒng)，文章中對某品牌3 000 kW 的水冷離心制冷機(jī)組進(jìn)行工況模擬，得出結(jié)論如11 ℃/20 ℃的供回水溫度對于某些數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)能效的提升具有積極意義，這同時(shí)也指出了提高溫差來降低能耗是對于部分制冷機(jī)組是可行的。

鄭邦鑫等[4]也提出在我國的夏熱冬暖的地區(qū)采用高溫冷水機(jī)組替代常規(guī)的制冷機(jī)組，并且使用冷凝熱回收系統(tǒng)進(jìn)行采暖來進(jìn)行節(jié)能。

由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房本身沒有濕度產(chǎn)出，所以文獻(xiàn)[5-6]分別討論了在不同的冷凍水溫差下，數(shù)據(jù)中心冷水機(jī)組分別采用較高溫度和較低溫度的冷凍水而產(chǎn)生的節(jié)能效果及對機(jī)組性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）的影響。

YADAV 等[7]提出改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)，建立了一個(gè)大型商業(yè)中心的模型，測試了各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)對能耗模擬的影響。雖然沒有應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，也不失為一種節(jié)能的措施。馬昕宇等[8]采用CFD 模擬數(shù)據(jù)中心瞬態(tài)熱環(huán)境，研究了在不同幾種工況下影響溫度變化的重要因素。

本文根據(jù)已有建筑圖紙，在OpenStudio 軟件中建立了建筑模型，錄入人員、燈光、設(shè)備等負(fù)荷及建筑熱工性能參數(shù)等，根據(jù)已有節(jié)能思路設(shè)計(jì)方案，對比找出適用于該建筑最節(jié)能的運(yùn)行策略。利用PUE、COPdc等評價(jià)指標(biāo)完成對該方案的評價(jià)和對比的同時(shí)，給新指標(biāo)COPdc的評價(jià)性能進(jìn)行測試，最后給出該節(jié)能策略的全年運(yùn)行表現(xiàn)。

1 數(shù)據(jù)中心節(jié)能策略研究準(zhǔn)備

開始數(shù)據(jù)中心節(jié)能策略研究前，需進(jìn)行部分準(zhǔn)備工作，即了解該項(xiàng)目的地理環(huán)境背景、樣式構(gòu)造和其具體房間構(gòu)成，簡單選擇制冷循環(huán)設(shè)備（風(fēng)冷冷水機(jī)組），確定數(shù)據(jù)中心能耗的評價(jià)指標(biāo)。

1.1 項(xiàng)目背景信息

目標(biāo)項(xiàng)目為研發(fā)樓，總建筑面積35 866.6 m2，地上29 996.62 m2，其中辦公樓19 381.6 m2，數(shù)據(jù)中心樓10 615 m2，地下58 702 m2。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)合理使用年限為50 年。該項(xiàng)目地上12 層，地下1 層，位于華北地區(qū)天津市。

天津市屬于三類地區(qū)類型，緯度39.08，經(jīng)度117.07，海拔2.5 m，屬于8 號氣候帶，毗鄰渤海灣，受到海洋的氣候影響，為半濕潤季風(fēng)性氣候，季風(fēng)性氣候特點(diǎn)是四季分明，春季多風(fēng)，夏季多雨且溫度較高，秋季涼爽多風(fēng)、冬季則比較干燥寒冷[9]。

截至目前[10]，國家和天津市并未有出臺(tái)過強(qiáng)制性的數(shù)據(jù)中心的能耗限額標(biāo)準(zhǔn)。國家出臺(tái)的《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》中有如“到2022 年，數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的電能使用效率達(dá)到1.4以下”的意見，但僅是指導(dǎo)性意見。

1.2 冷源方案選擇

本文選擇的機(jī)房制冷設(shè)備為風(fēng)冷冷水機(jī)組。相比于水冷機(jī)組，風(fēng)冷機(jī)組沒有冷卻塔、冷卻水管道、冷卻水泵等一系列組件，擁有以下優(yōu)點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)緊湊，無需專門機(jī)房，在冷源選擇方面有非常廣泛的應(yīng)用；2）可以在市政停水期間保證正常的供冷；3）以空氣作為自然冷卻介質(zhì)，可以大量節(jié)省水資源，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、安裝十分方便。

目前已經(jīng)應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷冷水機(jī)組的技術(shù)很多，如采用自然冷卻或自然冷卻+機(jī)械冷卻的混合冷卻的模式降低能耗、或采用直接噴霧或者蒸發(fā)冷凝器或是淋水填料預(yù)冷器等措施進(jìn)行直接蒸發(fā)冷卻[11]。也有研究全年供冷的風(fēng)冷螺桿機(jī)組的控制策略，以保證其在冬天也可正常制冷[12]，該研究即可應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心機(jī)房供冷。目前風(fēng)冷冷水機(jī)組的應(yīng)用前景和研究價(jià)值都很大，且風(fēng)冷機(jī)組在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用并不多，所以本文決定選用風(fēng)冷機(jī)組。

1.3 評價(jià)指標(biāo)選擇

美國綠色網(wǎng)格組織定義出許多評價(jià)指標(biāo)，如制冷負(fù)載系數(shù)、IT 設(shè)備熱一致性，IT 設(shè)備容錯(cuò)性等，他們的含義都不盡相同[13]。最通用的是PUE，是數(shù)據(jù)中心的全年耗電量與IT 設(shè)備的全年耗電量之比。PUE 的理論極限最小值是1，但由于制冷、照明和輔助等設(shè)備存在，實(shí)際PUE 的值一定大于1。2015年，我國《關(guān)于印發(fā)國家數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案的通知》中指出，我國的數(shù)據(jù)中心PUE 值大多數(shù)可能大于2.2。PUE 作為評價(jià)指標(biāo)，已經(jīng)在節(jié)能方面起到了實(shí)際作用，并取得了效果[14]。

近幾年，PUE 指標(biāo)開始被嚴(yán)重商業(yè)化，雖然目前我國很多數(shù)據(jù)中心聲稱自己的PUE 只有1.2 左右，其具體測量方式和計(jì)算細(xì)節(jié)都未公布，甚至在關(guān)閉照明、冗余制冷系統(tǒng)等耗電設(shè)備的情況下進(jìn)行測量[15]。此外，PUE 指標(biāo)也存在部分問題：如果使用舊的處理器，使其功耗很高，會(huì)使PUE 變小，但這種犧牲數(shù)據(jù)中心本身計(jì)算能力的減小在實(shí)際的數(shù)據(jù)中心運(yùn)行方面并沒有實(shí)際意義和價(jià)值[16]。PUE的計(jì)算公式如(1)所示：

式中，Ptotal為全年數(shù)據(jù)中心總耗電量，GJ；PIT為全年的數(shù)據(jù)中心機(jī)房部分耗電量，GJ。

能耗評價(jià)指標(biāo)還有很多，除PUE 外，還有一種指標(biāo)成為了最近較為熱門的研究對象，就是原用于評價(jià)傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)能效的指標(biāo)，即性能系數(shù)（COP）。使用類COP 的計(jì)算方法評價(jià)數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)效率也成為一種可行方案。已有學(xué)者對數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，論述了用COP 進(jìn)行數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能效評價(jià)時(shí)該指標(biāo)的具體含義，同時(shí)也建議可以將COP 用于數(shù)據(jù)中心的能耗評價(jià)[17]。式(2)為傳統(tǒng)空調(diào)的COP 計(jì)算公式，即提供冷量與消耗功率的比值。對數(shù)據(jù)中心，我們可以采用相近的思路，選擇表達(dá)式不同的“COP”評價(jià)數(shù)據(jù)中心的能效。

式中，Q為制冷系統(tǒng)提供的冷量，kW；W為制冷系統(tǒng)消耗的總功率，kW。

本中除了選用PUE 作為評價(jià)指標(biāo)來驗(yàn)證方案節(jié)能效果，也會(huì)選擇文獻(xiàn)[18]中已經(jīng)過測試的新評價(jià)指標(biāo)COPdc，該指標(biāo)對于冷卻系統(tǒng)的評價(jià)有更強(qiáng)針對性，COPdc的定義見式(3)：

式中，Ecost,IT為數(shù)據(jù)中心一年內(nèi)IT 設(shè)備的全年耗電量，GJ；Ecost,cs為IT 設(shè)備供冷的冷卻系統(tǒng)的全年耗電，GJ。COPdc的應(yīng)用目前并不廣泛，但也是評價(jià)指標(biāo)中的合理選擇。

2 數(shù)據(jù)中心模型建立

建立模型需要首先獲取并解析建筑圖紙，找出外墻、內(nèi)墻及內(nèi)部房間結(jié)構(gòu)劃分如辦公室、數(shù)據(jù)機(jī)房等。隨后參考文獻(xiàn)[19]將其在軟件中繪制，并錄入設(shè)定人員、燈光和設(shè)備負(fù)荷等參數(shù)。只有模型建立足夠真實(shí)，后續(xù)方案對比工作才有可參考性。

2.1 繪制建筑模型

目標(biāo)建筑一側(cè)呈V 狀弧形，內(nèi)部含有天井，房間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一層內(nèi)配有多種類型房間，建模難度很高。在軟件中1:1 建立模型后，模型過于復(fù)雜導(dǎo)致軟件運(yùn)行不流暢，做出優(yōu)化如下：1）研究目標(biāo)為數(shù)據(jù)中心機(jī)房，原辦公區(qū)只是提供周圍環(huán)境，所以只保數(shù)據(jù)中心部分和其周邊結(jié)構(gòu)；5 樓以上為純辦公區(qū)域，將該部分全部刪減；2）軟件中將圓面建筑部分用割線分成了十幾個(gè)面，運(yùn)算復(fù)雜度很高。手動(dòng)將所有的圓面轉(zhuǎn)換為3～5 個(gè)直面，簡化軟件計(jì)算量，提高運(yùn)算速率；3）原圖紙中，如衛(wèi)生間、貯藏室、配電室等都獨(dú)立標(biāo)注出來，為簡化模型，只保留機(jī)房及周圍房間，將同功能的房間之間打通合并為一個(gè)區(qū)域。

2.2 人員、燈光以及設(shè)備規(guī)劃

本模型依據(jù)人員活動(dòng)頻率劃分主要分為兩個(gè)區(qū)域：數(shù)據(jù)中心機(jī)房的運(yùn)行通常24 h 不關(guān)機(jī)，設(shè)備負(fù)荷大，無需供熱，全年供冷、基本無需除濕；辦公區(qū)人員活動(dòng)密切，負(fù)荷低，負(fù)荷隨時(shí)間變化明顯。對這兩個(gè)分區(qū)設(shè)置兩種不同的時(shí)間規(guī)劃表，以準(zhǔn)確模擬出辦公區(qū)和機(jī)房區(qū)的活動(dòng)所需冷負(fù)荷。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心功能要求，設(shè)定用電設(shè)備為發(fā)熱量300 W/m2，一周七天24 h 不間斷穩(wěn)定滿負(fù)荷運(yùn)行。而考慮維護(hù)工作，人員數(shù)量設(shè)定在周一至周五8:00—16:00 時(shí)為0.1 倍系數(shù)，燈光隨人員的數(shù)量變化。人員活動(dòng)發(fā)熱量參照軟件系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)辦公室活動(dòng)設(shè)定。辦公區(qū)參照實(shí)際辦公樓的運(yùn)行機(jī)制，針對辦公區(qū)，考慮上下班前的維護(hù)工作，午休時(shí)間等，設(shè)計(jì)出了如圖3 所示的簡化模型，只有周一至周五為工作時(shí)間，按照圖3 設(shè)定，周末考慮到可能存在維護(hù)人員，人員燈光都按照機(jī)房區(qū)設(shè)定。

圖2 化簡后的模型

圖3 辦公區(qū)人員、燈光活動(dòng)程度

3 節(jié)能運(yùn)行方案對比

建立模型后，改變機(jī)房設(shè)計(jì)溫度、冷凍水進(jìn)出溫度和溫差、冷水機(jī)組COP 等參數(shù)，研究各參數(shù)對能耗的影響，并給出合理的節(jié)能運(yùn)行方案。隨后給出該方案下的能耗情況和與常規(guī)方案的對比，并計(jì)算出能耗評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行方案評價(jià)。

3.1 機(jī)房設(shè)計(jì)溫度對能耗的影響

本次數(shù)據(jù)中心的機(jī)房要求為C 級，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求[20]，主機(jī)房溫度范圍為18～28 ℃。

結(jié)合前文研究并參考文獻(xiàn)[21]，可了解一般數(shù)據(jù)中心的溫度選取。在8 月和12 月取樣，代表夏、冬兩個(gè)季節(jié)，各取出一周（8 月2 日至8 月9 日和12 月6 日至12 月13 日），用以進(jìn)行能耗模擬。

模擬時(shí)取冷凍水溫度為數(shù)據(jù)中心機(jī)房常用的12 ℃/17 ℃，冷水機(jī)組COP 為5.55。取用午夜時(shí)能耗，此時(shí)辦公區(qū)冷水機(jī)組處于關(guān)閉狀態(tài)，建筑內(nèi)無其他負(fù)荷，可直接總能耗近似為機(jī)房區(qū)總能耗，設(shè)置時(shí)間步長為15 min，得到結(jié)果如圖4 所示。

圖4 機(jī)房設(shè)定溫度對機(jī)房區(qū)能耗影響

圖4 繪制了機(jī)房設(shè)定溫度對機(jī)房區(qū)的能耗影響，理論上設(shè)計(jì)溫度越高，需要冷負(fù)荷就越少，空調(diào)系統(tǒng)越節(jié)能。由圖可知模擬結(jié)果與預(yù)測情況一樣。

在圖4 中，并未將機(jī)房溫度設(shè)為極限值28 ℃，因?yàn)樵谀M過程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)為28 ℃會(huì)有部分時(shí)間機(jī)房內(nèi)溫度稍稍超過規(guī)定的安全溫度，為保險(xiǎn)起見沒有將其繪制在圖中。經(jīng)過對比，將機(jī)房區(qū)溫度設(shè)定為27 ℃是在安全保險(xiǎn)的情況下最為節(jié)能的溫度。

取與圖4 相同工況，獲取整個(gè)模型的15 min 能耗，取一周所有數(shù)據(jù)點(diǎn)平均值，該值可代表整體能耗趨勢。得到的圖5 可以反映出總體上能耗隨溫度變化的趨勢。機(jī)房區(qū)被辦公區(qū)包圍，導(dǎo)致機(jī)房區(qū)外部環(huán)境將會(huì)與辦公區(qū)的溫度相近，各個(gè)季節(jié)都幾乎不會(huì)改變，所以冬季機(jī)房區(qū)能耗沒有太大變化，但總能耗有所下降。

圖5 機(jī)房設(shè)定溫度對總能耗影響

圖5 中可近似看出：隨著溫度升高，能耗幾乎以線性關(guān)系降低，但當(dāng)設(shè)定溫度為28 ℃的時(shí)候，無法保證安全溫度，所以本次方案確定最節(jié)能的機(jī)房設(shè)定溫度為27 ℃。比很多常規(guī)機(jī)房設(shè)定為26 ℃可以降低約每小時(shí)8 kW 的能耗。

3.2 冷凍水參數(shù)對能耗的影響

在常規(guī)空調(diào)設(shè)計(jì)中，冷凍水參數(shù)受舒適性、熱濕負(fù)荷等各種條件限制，所以在焓濕圖上可供選擇的區(qū)域很小。但機(jī)房中幾乎沒有濕負(fù)荷，也無需考慮舒適性的影響，溫度波動(dòng)和濕度波動(dòng)在很大范圍內(nèi)不構(gòu)成任何影響，所以采用大溫差冷凍水系統(tǒng)、高溫度冷凍水系統(tǒng)一直是可供選擇的節(jié)能措施。

3.2.1 冷凍水溫度高低對能耗的影響

常規(guī)空調(diào)采用7 ℃/12 ℃的冷凍水進(jìn)出溫度，而數(shù)據(jù)中心的機(jī)房通常采用的是12 ℃/17 ℃的進(jìn)出溫度。本小節(jié)首先固定冷凍水的進(jìn)出溫差為5 ℃，尋找合適的溫度。初步選取四個(gè)方案：7 ℃/12 ℃作對照方案，12 ℃/17 ℃作常規(guī)方案，在兩方案的基礎(chǔ)上分別增加和減少進(jìn)水溫度，產(chǎn)生10 ℃/15 ℃和14 ℃/19 ℃兩個(gè)方案。

依照3.1 節(jié)結(jié)論，設(shè)定機(jī)房溫度為27 ℃。其余工況與前文相同，最終得出的能耗曲線如圖6 所示。

圖6 冷凍水進(jìn)水溫度對總能耗影響

這次模擬結(jié)果使用14 ℃/19 ℃的冷凍水溫方案時(shí)不僅僅能耗升高，甚至機(jī)房溫度也會(huì)超過設(shè)計(jì)要求的最高溫度。但圖中拋物線型是合理的，隨冷凍水溫度升高，能耗先減小后增大，主要原因是冷凍水溫度升高時(shí)，運(yùn)行過程中的換熱損失會(huì)減少，但是同樣會(huì)增大水流量，導(dǎo)致其他能耗使耗電量上升。

最終由圖6 可以確定：當(dāng)取冷凍水溫為10 ℃左右時(shí)，能耗最低。關(guān)于模擬結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的偏差，在經(jīng)過分析后，得出原因可能是：1）該模型的負(fù)荷狀況由于辦公區(qū)和機(jī)房區(qū)相距很近可能會(huì)有傳熱的干擾；2）不同的數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)不同，會(huì)出現(xiàn)最低能耗的方案偏移的情況，在其他文章中也有此現(xiàn)象出現(xiàn)；3）本模型中考慮了實(shí)際情況中機(jī)房存在的維護(hù)人員，相較于其他模型增加了人員活動(dòng)濕負(fù)荷，導(dǎo)致過高的冷凍水溫不能處理這部分負(fù)荷。

3.2.2 冷凍水溫差對能耗的影響

理論上換熱溫差越大，所需制冷工質(zhì)流量越小，耗電量就會(huì)越小。對于常規(guī)空調(diào)，換熱溫差大會(huì)造成舒適感下降，同時(shí)對換熱器設(shè)計(jì)要求很高。本文采用增大冷凍水溫差進(jìn)行節(jié)能，雖然已經(jīng)有不少研究在優(yōu)化風(fēng)冷紙片盤管的換熱器，并對設(shè)計(jì)其參數(shù)進(jìn)行指導(dǎo)和分析[22]，但為了具有普適性，不采用過大的進(jìn)出水溫差。

將10 ℃確定為進(jìn)水溫度，衍生出10 ℃/14 ℃、10 ℃/15℃、10 ℃/16 ℃和10 ℃/17 ℃這4 個(gè)方案。取機(jī)房設(shè)計(jì)溫度27 ℃、15 min 為一個(gè)時(shí)間步長，在夏季和冬季中各取一周，選擇COP 為5.5 作為冷水機(jī)組進(jìn)行模擬，經(jīng)過模擬可以得出耗電量隨進(jìn)水溫度為10 ℃時(shí)的冷凍水溫差變化如圖7 所示。

圖7 冷凍水溫差對總能耗影響

經(jīng)過測試，增大冷凍水溫差時(shí)，能耗下降，趨勢略有變慢。圖7 說明增大冷凍水溫差對本模型的節(jié)能具有積極意義，但在溫差增大到7 ℃時(shí)，出現(xiàn)機(jī)房區(qū)溫度異常點(diǎn)，加上大溫差對于換熱器要求過高，在本次模擬中，確定溫差為6 ℃是最佳方案。

確定溫差后，比較9 ℃/15 ℃、10 ℃/16 ℃、和11 ℃/17 ℃幾個(gè)方案。經(jīng)過運(yùn)行模擬，得出數(shù)據(jù)如圖8 所示，當(dāng)進(jìn)水溫度達(dá)到10 ℃時(shí)能耗達(dá)到最低點(diǎn)，可得出10 ℃/16 ℃的進(jìn)出水溫就是對本模型的最佳冷凍水溫。

圖8 溫差為6 ℃時(shí)進(jìn)水溫度對總能耗影響

3.3 冷水機(jī)組COP 對能耗的影響

雖然改變很多參數(shù)都能影響冷水機(jī)組COP，但前文為了方便研究，將COP 統(tǒng)一成均值5.5，本小節(jié)將取不同COP，觀察總能耗的影響變化。

按照前文確定的最優(yōu)方案，機(jī)房設(shè)定溫度27 ℃，冷凍水溫10 ℃/16 ℃，15 min 為一個(gè)單位時(shí)間步長，取不同冷水機(jī)組COP，得出數(shù)據(jù)如圖9 所示。理論上，COP 是評價(jià)冷水機(jī)組的制冷能力效果的參數(shù)，越大越節(jié)能?，F(xiàn)實(shí)條件下，風(fēng)冷機(jī)組很難達(dá)到很高的能效，COP 達(dá)到5 左右已經(jīng)算比較優(yōu)秀。不排除改進(jìn)機(jī)組的可能，選擇3、5.5 和8 這三個(gè)數(shù)據(jù)分別體現(xiàn)低效、普通和高效機(jī)組的區(qū)別。

圖9 冷水機(jī)組COP 對總能耗影響

由圖9 可知：COP 越大，就會(huì)使能耗越小，并且影響能力隨著COP 增大而衰減。但即使這樣，在均值的COP5.5 基礎(chǔ)上提升0.5，每15 min 也會(huì)有大于2 kW 的能耗節(jié)省。對于低效機(jī)組，甚至COP從3 提升到4，每15 min 就可以節(jié)省約10 kW 的能耗。但由于風(fēng)冷冷水機(jī)組本身的COP 并不高，在本文中仍然只取5.5 為基本方案。

3.4 節(jié)能方案確定與表現(xiàn)

已確定節(jié)能方案如下：機(jī)房設(shè)計(jì)溫度27 ℃，冷凍水進(jìn)出溫度10 ℃/16 ℃，冷水機(jī)組的COP 為5.5。取全年中隨機(jī)一天，在6 月9 日這一天運(yùn)行該方案，10 min 為一個(gè)時(shí)間步長可得曲線如圖10 所示?？梢杂^察出能耗曲線和圖3 中人員活動(dòng)的曲線相近，在早晚時(shí)間能耗為6×108J 左右，午休時(shí)間能耗也相對較低，而能耗高峰時(shí)間則可以達(dá)到接近10×108J，這是由于機(jī)房區(qū)的能耗幾乎全天不變，辦公區(qū)的能耗隨著辦公區(qū)人員活動(dòng)變化而變化。

圖10 節(jié)能方案單日運(yùn)行表現(xiàn)

圖11 所示為數(shù)據(jù)中心全年逐日的空調(diào)系統(tǒng)能耗對比圖，上面是機(jī)房區(qū)能耗，全年基本穩(wěn)定在高值，這是由于機(jī)房區(qū)全年24 h 工作，沒有休息，且本身被辦公區(qū)包圍，季節(jié)變化也不會(huì)引起波動(dòng)。下面是辦公區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)能耗，由圖可知，辦公區(qū)能耗是周期波動(dòng)的，這是由于工作日和雙休日的區(qū)別導(dǎo)致。此外，夏季空調(diào)耗能要比冬季高很多。

圖11 全年運(yùn)行空調(diào)能耗逐日圖

理論上，COP 是評價(jià)冷水機(jī)組的制冷能力效果的參數(shù)，越大越節(jié)能。現(xiàn)實(shí)條件下，風(fēng)冷機(jī)組很難達(dá)到很高的能效，COP 達(dá)到5 左右已經(jīng)算比較優(yōu)秀。不排除改進(jìn)機(jī)組的可能，選擇3、5.5 和8 這三個(gè)數(shù)據(jù)分別體現(xiàn)低效、普通和高效機(jī)組的區(qū)別。

由于軟件無法設(shè)計(jì)自然冷量冷卻，本模型未建立熱回收系統(tǒng)和冬季城市熱網(wǎng)供暖熱源等信息，所以這些部分需進(jìn)行手工計(jì)算，得出理論上的方案表現(xiàn)（圖12）。由文獻(xiàn)[22]可知，西北地區(qū)利用天氣條件可以節(jié)省27%左右的電耗，天津水量資源豐富，在此計(jì)算為可以節(jié)省20%的能耗。冬季由于是熱網(wǎng)供暖，將運(yùn)行所得的制熱所需能耗排除即可。

圖12 方案對比全年運(yùn)行能耗逐日圖

表1 所示為本文提出的節(jié)能運(yùn)行方案所得運(yùn)行數(shù)據(jù)，表2 所示為按照常規(guī)的數(shù)據(jù)中心一般運(yùn)行數(shù)據(jù)作為對照得出的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表1 節(jié)能方案全年運(yùn)行數(shù)據(jù)

表2 常規(guī)方案全年運(yùn)行數(shù)據(jù)

根據(jù)前文式(1)和式(3)，可以計(jì)算出節(jié)能運(yùn)行策略下PUE 為1.34，可以在秋冬季節(jié)利用自然冷卻達(dá)到，但在不考慮自然冷卻的條件下PUE 是1.4，即夏季工況。而COPdc可計(jì)算得出為2.51，考慮自然冷卻的情況下為3.13。這些指標(biāo)符合常理，而且有實(shí)用的意義。

對比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)方案無論是風(fēng)扇耗能還是風(fēng)冷機(jī)組耗能都比節(jié)能方案升高不少，可以得出常規(guī)方案PUE 為1.48，考慮自然冷卻利用的情況下，PUE為1.38。而COPdc在不考慮利用自然冷量的情況下只有2.07，在考慮自然冷卻的情況下只有2.59。

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，COPdc作為一種最近提出的評價(jià)指標(biāo)，確實(shí)在能耗比較上變化要比PUE 大很多，并且COPdc并不存在PUE 的一個(gè)弊端，即在選用低性能的IT 設(shè)備時(shí)會(huì)有更優(yōu)秀的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。并且COPdc的變化范圍更大，體現(xiàn)能耗變化的效果更明顯。經(jīng)過本文的驗(yàn)證，COPdc作為一個(gè)評價(jià)指標(biāo)，確實(shí)在很多方面具有參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本文通過建立天津市某研發(fā)樓的數(shù)據(jù)中心模型，輸入人員、設(shè)備等各種負(fù)荷，進(jìn)行熱區(qū)劃分，設(shè)置冷水機(jī)組并進(jìn)行運(yùn)行模擬，通過測試各個(gè)運(yùn)行方案，最終得出節(jié)能運(yùn)行方案和其評價(jià)指標(biāo)，得出如下結(jié)論：

1）本數(shù)據(jù)中心合理的最節(jié)能運(yùn)行方案為27 ℃的機(jī)房設(shè)定溫度，10 ℃/16 ℃的冷凍水進(jìn)出溫度，性能系數(shù)（COP）盡可能取高，但本方案按5.5 保守計(jì)算；得出理論上可達(dá)到電能利用效率為1.34，COPdc為2.51；

2）提升機(jī)房設(shè)計(jì)溫度對節(jié)能具有積極意義，在27℃內(nèi)提升溫度可以減少能耗；

3）提升冷凍水進(jìn)出溫差對制冷系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)化十分明顯，溫差達(dá)到7 ℃后會(huì)對換熱器要求增高；

4）在冷水機(jī)組COP 低于5 時(shí)，對其進(jìn)行改造使其變?yōu)楦吣苄?jié)能產(chǎn)生很明顯的效果；

5）在關(guān)于冷凍水溫的提高方面，本文驗(yàn)證出在常規(guī)的空調(diào)7 ℃/12 ℃基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)高3～4 ℃是具有積極作用的。