數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

孟軍磊, 吳天予, 宋培元, 馬昕霞

(1.上海電力建設(shè)啟動(dòng)調(diào)整試驗(yàn)所有限公司 鍋爐室, 上海 200030; 2.上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090; 3.上海理工大學(xué) 管理學(xué)院, 上海 200093)

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下,數(shù)據(jù)中心作為實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)運(yùn)算、5G通信以及人工智能等各類(lèi)新興技術(shù)的物理基礎(chǔ),其耗電量自2015年約1 000億kWh始,于2020年實(shí)現(xiàn)了翻倍[1],而空調(diào)系統(tǒng)能耗占比近40%[2],節(jié)能空間較大。中央空調(diào)系統(tǒng)可分為前端系統(tǒng)和冷源系統(tǒng)兩大部分,其中:前端系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)盤(pán)管、新風(fēng)機(jī)組和變頻風(fēng)機(jī)等設(shè)備組成,該系統(tǒng)能耗占空調(diào)系統(tǒng)總能耗約40%[3];冷源系統(tǒng)包含冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵和冷卻水泵等設(shè)備,該系統(tǒng)能耗占空調(diào)系統(tǒng)總能耗近60%?，F(xiàn)有研究更多的是將兩個(gè)系統(tǒng)分開(kāi)進(jìn)行,前端系統(tǒng)則側(cè)重于風(fēng)機(jī)機(jī)組的節(jié)能[4-6];冷源系統(tǒng)則側(cè)重于冷水機(jī)組的節(jié)能[7-9]。由于空調(diào)系統(tǒng)的強(qiáng)耦合性,前端系統(tǒng)和冷源系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備會(huì)對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不同程度的影響,節(jié)能優(yōu)化涉及的因素復(fù)雜多樣,并且各個(gè)因素之間還會(huì)相互影響,相對(duì)于僅優(yōu)化一部分設(shè)備或參數(shù),所以全面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化能夠更有效地挖掘空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力。針對(duì)該問(wèn)題,本文提出了一種大小群控相結(jié)合的策略對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。首先,在大群控方面,通過(guò)增減冷源系統(tǒng)冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)和冷卻塔臺(tái)數(shù),繼而進(jìn)行負(fù)荷分配,以確定最優(yōu)工況;然后,在小群控方面,通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和PID控制變頻風(fēng)機(jī)和水泵,達(dá)到節(jié)能目的;最后,將大群控策略和小群控策略耦合,并與實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行對(duì)比,分析大小群控相結(jié)合策略的節(jié)能表現(xiàn)。

1 研究對(duì)象

本文以上海某公司數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為研究對(duì)象。該公司標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房共投運(yùn)20間,每間面積約300 m2,層高5.5 m,分為3層。該數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)具體設(shè)備及參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備及參數(shù)

該數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖1所示。其中:前端系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)等,用于提高機(jī)房空氣質(zhì)量和調(diào)節(jié)機(jī)房室內(nèi)溫度;冷源系統(tǒng)則對(duì)與機(jī)房?jī)?nèi)部熱空氣換熱后的工質(zhì)進(jìn)行降溫處理。

圖1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方式

2 系統(tǒng)建模及驗(yàn)證

2.1 前端系統(tǒng)能耗模型

2.1.1 新風(fēng)機(jī)

新風(fēng)機(jī)能耗由風(fēng)扇額定功率、風(fēng)扇電機(jī)效率和電機(jī)損耗等決定。其能耗模型如下:

PFAV=Prated{1-[ηm+(1-ηm)fml]}

(1)

式中:PFAV——新風(fēng)機(jī)能耗;

Prated——風(fēng)扇額定功率,kW;

ηm——風(fēng)扇電機(jī)效率;

fml——電機(jī)損耗。

2.1.2 變頻風(fēng)機(jī)

變頻風(fēng)機(jī)模型在新風(fēng)機(jī)模型基礎(chǔ)上加入了通過(guò)PID控制的變頻功能。其能耗模型如下:

(2)

式中:PVent——變頻風(fēng)機(jī)能耗;

a0、a1、a2…——PID控制設(shè)置與風(fēng)機(jī)消耗的多項(xiàng)式系數(shù);

γ——控制信號(hào)。

2.2 冷源系統(tǒng)能耗模型

2.2.1 離心式冷水機(jī)組

離心式冷水機(jī)組的能耗模型如下:

(3)

式中:PChiller——冷水機(jī)組能耗;

CWC——冷水機(jī)組實(shí)時(shí)容量,kJ/h;

KCOPn——冷水機(jī)組實(shí)時(shí)性能系數(shù);

ηFFLP——機(jī)組滿載功率分?jǐn)?shù)。

冷水機(jī)組負(fù)荷率、冷凍水出口溫度和冷卻水出口溫度的公式分別為

(4)

(5)

(6)

式中:ξPLR——冷水機(jī)組負(fù)荷率;

ν——冷凍水流量,kg/h;

CpWC——冷凍水比熱,kJ/(kg·K);

TWC,in——冷凍水進(jìn)口溫度,℃;

TWC,set——冷凍水設(shè)定出口溫度,℃;

TWC,out——冷凍水出口溫度;

Qm——離心式冷水機(jī)組實(shí)時(shí)冷負(fù)荷,kW;

υ——冷卻水流量,kg/h;

TW,out、TW,in——冷卻水出口和進(jìn)口溫度;

QWC,τ——實(shí)時(shí)排熱,kW。

2.2.2 冷卻塔

由Nc個(gè)塔室組成的冷卻塔功率計(jì)算公式如下

(7)

式中:PCT——冷卻塔功率;

γk——第k個(gè)塔室相對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速比;

Pmax,k——第k個(gè)塔室最大功率,kW。

2.2.3 冷凍(冷卻)水泵

本文的冷凍水泵和冷卻水泵均采用變頻水泵[10],變頻泵能耗模型如下:

(8)

(9)

η=b1q3+b2q2+b3q+b4

(10)

式中:Ppump——變頻泵能耗;

Pe——水泵有效功率,kW;

η——水泵運(yùn)行效率;

f——電源頻率,Hz;

f0——電源工頻頻率,Hz;

Pn——變頻器功率,kW;

ρ——水密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2;

q——流量,kg/h;

h——管網(wǎng)阻力,m;

b1、b2、b3、b4——變頻泵流量-效率曲線所擬合的多項(xiàng)式方程系數(shù)。

2.3 仿真模型驗(yàn)證

系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。為確認(rèn)其可靠性,將通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)該仿真模型與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

圖2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)仿真模型

通過(guò)調(diào)節(jié)冷水機(jī)組和冷卻塔的擬合系數(shù),使仿真模型與實(shí)際運(yùn)行效果相近,并選取夏季典型日作為模擬時(shí)間,此時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行方式為3臺(tái)冷水機(jī)組,4臺(tái)冷卻塔。冷凍水、冷卻水出口溫度的仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖3所示。

圖3 冷凍水、冷卻水出口溫度仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖3可知,模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度的誤差基本控制在5%以內(nèi),仿真模型有一定的可靠性。

3 大小群控策略設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心對(duì)機(jī)房環(huán)境的高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使得其對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性要求嚴(yán)格。由于數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留的機(jī)組額定冷量過(guò)大,與機(jī)柜實(shí)際所需冷負(fù)荷不一致,以及工作人員基于滿足最大冷量需求的原則調(diào)節(jié)設(shè)備而引起的所供遠(yuǎn)大于所需的問(wèn)題,使得有些設(shè)備遠(yuǎn)超實(shí)際所需的功率在運(yùn)行。為了盡可能利用這些問(wèn)題引起的冗余裕度進(jìn)行節(jié)能,本文針對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)采用了大小群控相結(jié)合的策略,在保證正常運(yùn)行工況下,進(jìn)一步降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

3.1 大群控策略

大群控策略主要針對(duì)冷源系統(tǒng)內(nèi)的冷水機(jī)組、冷卻塔和水泵提出,即在維持系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)不變、不改換設(shè)備的情況下,通過(guò)調(diào)節(jié)冷水機(jī)組和冷卻塔及相應(yīng)水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù),減少系統(tǒng)冗余,達(dá)到節(jié)能目的。

3.1.1 冷水機(jī)組群控策略

當(dāng)前針對(duì)冷水機(jī)組的主流群控策略分為運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制和負(fù)荷分配兩種方法[11]。本文以機(jī)房需要的實(shí)時(shí)冷負(fù)荷量為判斷依據(jù),通過(guò)將以上兩種方法相結(jié)合對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行群控,使其在可控范圍內(nèi)盡可能處于高效運(yùn)行模式?？刂七壿嬋缦?將給定的實(shí)時(shí)冷負(fù)荷量與機(jī)組的最小制冷量、最大制冷量進(jìn)行比較,決定開(kāi)啟臺(tái)數(shù),再通過(guò)比較開(kāi)啟不同臺(tái)數(shù)的能耗,選用最低能耗方案;然后對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分配。由于本文研究對(duì)象采用的冷水機(jī)組均為同一類(lèi)機(jī)組,故此處負(fù)荷分配采用平均分配方式。其控制流程如圖4所示。其中,Qc為冷負(fù)荷量,Q1、Q2、Q3分別表示1、2、3臺(tái)機(jī)組開(kāi)啟時(shí)的能耗,L1min、L2min、L3min分別表示1、2、3臺(tái)機(jī)組的最小制冷量,L1max、L2max、L3max分別表示1、2、3臺(tái)機(jī)組的最大制冷量。

圖4 冷水機(jī)組群控策略流程

3.1.2 冷卻塔群控策略

在冷源系統(tǒng)的所有設(shè)備中,冷卻塔受氣象因素影響最大,因此在空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,冷卻塔開(kāi)啟臺(tái)數(shù)隨季節(jié)變化而變化。如何在保證其余各設(shè)備正常運(yùn)行的情況下,盡可能少地開(kāi)啟冷卻塔是該策略節(jié)能的關(guān)鍵。冷卻塔系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),若冷卻塔風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)能耗達(dá)到其額定功率后,進(jìn)出口溫度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)溫度,此時(shí)為不良工況,對(duì)冷水機(jī)組的正常運(yùn)行具有不可忽視的影響,故需要根據(jù)情況調(diào)整冷卻塔臺(tái)數(shù)來(lái)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行并維持正常工況。冷卻塔群控策略的反饋參數(shù)設(shè)置為冷卻塔實(shí)時(shí)風(fēng)機(jī)功率Qv,對(duì)照參數(shù)為風(fēng)機(jī)額定功率Qvn,留取5%的裕度,具體控制流程如圖5所示。其中,Nt為冷卻塔實(shí)時(shí)開(kāi)啟臺(tái)數(shù),虛線循環(huán)用于驗(yàn)證冷卻塔臺(tái)數(shù)不冗余的步驟。

圖5 冷卻塔群控策略流程

3.2 小群控策略

小群控策略主要針對(duì)冷源系統(tǒng)內(nèi)的冷凍水泵、冷卻水泵以及前端系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。該策略分為3個(gè)部分:第1部分是通過(guò)模擬不同系統(tǒng)參數(shù),分析最優(yōu)參數(shù)組合;第2部分和第3部分則是在冷水機(jī)組、冷卻塔以及水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)不變的情況下,利用基于PID控制的變頻風(fēng)機(jī)和變頻水泵,保證系統(tǒng)在最優(yōu)參數(shù)下運(yùn)行。

3.2.1 變頻風(fēng)機(jī)PID控制

空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),機(jī)房所需冷負(fù)荷實(shí)時(shí)變化,當(dāng)冷源系統(tǒng)供冷量一定時(shí),風(fēng)機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)量控制室內(nèi)熱量的交換,從而控制室內(nèi)溫度。該策略首先監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)機(jī)房回風(fēng)溫度T0,當(dāng)T0超出機(jī)房設(shè)定溫度范圍(22～24 ℃)時(shí),表明送風(fēng)量不能滿足需求,需要通過(guò)PID模塊輸出控制信號(hào)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)節(jié),從而使機(jī)房溫度維持在要求的溫度范圍內(nèi)。該控制策略整體以機(jī)房進(jìn)風(fēng)溫度為輸入,以控制信號(hào)為輸出。

3.2.2 變頻水泵PID控制

本文冷凍水供回水初始溫差設(shè)為3 K,并留取5%的裕度。冷凍水溫度會(huì)隨著機(jī)房所需冷負(fù)荷量的變化而變化,此處采用定溫差控制,為維持冷凍水供回水溫差,當(dāng)其超出溫度范圍(2.85～3.15 K)時(shí),冷源系統(tǒng)將通過(guò)PID控制對(duì)冷凍水泵進(jìn)行變頻控制。監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)冷凍水供水溫度,以其為輸入,結(jié)合前端系統(tǒng)與冷源系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析處理,輸出控制信號(hào)對(duì)水泵的電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2.3 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)耦合性的系統(tǒng),主要體現(xiàn)在前端系統(tǒng)與冷源系統(tǒng)的配合以及兩種系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備的配合上,兩種系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)為前端系統(tǒng)中的機(jī)房進(jìn)風(fēng)溫度、冷源系統(tǒng)內(nèi)的冷凍水供水溫度和冷凍水供回水溫差這3個(gè)參數(shù)。本文通過(guò)窮舉法,以系統(tǒng)能耗量最低為目標(biāo),考慮到系統(tǒng)負(fù)荷、 氣象因素以及設(shè)備參數(shù)等環(huán)節(jié),并結(jié)合應(yīng)用PID控制的變頻風(fēng)機(jī)和變頻水泵,對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算。

4 實(shí)例驗(yàn)證和結(jié)果分析

4.1 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷模擬

通過(guò)TRNSYS軟件中的TRNBuild平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房建筑進(jìn)行模型搭建,通過(guò)收集機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜的額定功率、實(shí)時(shí)功率和相應(yīng)負(fù)載率,對(duì)其一年內(nèi)的冷負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 建筑冷負(fù)荷模擬計(jì)算結(jié)果

由圖6可知,數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷負(fù)荷范圍為2 011～2 965 kW,平均冷負(fù)荷為2 579 kW。由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房24 h不間斷運(yùn)行的特點(diǎn)以及機(jī)房?jī)?nèi)部設(shè)備的高散熱量,使得其區(qū)別于一般商業(yè)建筑,負(fù)荷量較大且波動(dòng)較小。

4.2 大群控優(yōu)化前后對(duì)比

大群控策略主要通過(guò)調(diào)節(jié)冷水機(jī)組和冷卻塔的臺(tái)數(shù)來(lái)使冷源系統(tǒng)達(dá)到高效的運(yùn)行狀態(tài)。在其余設(shè)備及參數(shù)條件不變的情況下,將實(shí)際運(yùn)行工況與應(yīng)用大群控策略優(yōu)化后的工況進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖7所示。

圖7 大群控策略優(yōu)化前后對(duì)比

由圖7可知:應(yīng)用大群控策略優(yōu)化后,冷水機(jī)組在6、7、8、9月運(yùn)行臺(tái)數(shù)從2臺(tái)變至3臺(tái),其他月份運(yùn)行臺(tái)數(shù)與優(yōu)化前一致;冷卻塔投運(yùn)臺(tái)數(shù)除夏季7、8月優(yōu)化前后均為4臺(tái)外,其他月份運(yùn)行臺(tái)數(shù)較優(yōu)化前減少1～2臺(tái)。

圖8展示了實(shí)際運(yùn)行與大群控策略下系統(tǒng)總能耗量的對(duì)比。

由圖8可知,應(yīng)用大群控策略后系統(tǒng)能耗量明顯降低,系統(tǒng)全年節(jié)省能耗量約3.8×105kWh,能耗量降低5.17%,按照電價(jià)0.7元/kWh計(jì)算,每年減少運(yùn)行成本約26.8萬(wàn)元。

4.3 小群控優(yōu)化前后對(duì)比

小群控策略的核心為系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化策略,機(jī)房進(jìn)風(fēng)溫度、冷凍水供水溫度和冷凍水供回水溫差的調(diào)節(jié)及這3個(gè)參數(shù)與風(fēng)機(jī)和水泵的PID控制變頻策略的耦合對(duì)節(jié)能起著不可忽視的作用。考慮到相關(guān)技術(shù)要求[12]和實(shí)際運(yùn)行需求,機(jī)房進(jìn)風(fēng)溫度選取范圍為18～20 ℃、冷凍水供水溫度選取范圍為8～12 ℃、供回水溫差取3～4 K。小群控策略涉及設(shè)備幾乎不受天氣影響,故本文實(shí)例驗(yàn)證選取一個(gè)典型日對(duì)該策略的節(jié)能效果進(jìn)行模擬分析。初始參數(shù)設(shè)定為:機(jī)房進(jìn)風(fēng)溫度20 ℃、冷凍水供水溫度8 ℃、冷凍水供回水溫差為3 K。

圖9為3種不同參數(shù)時(shí)的典型日系統(tǒng)總能耗量對(duì)比,其中T1為冷凍水供回水溫差,T2為機(jī)房進(jìn)風(fēng)溫度,橫坐標(biāo)為冷凍水供水溫度。

由圖9可知:

(1) 當(dāng)機(jī)房進(jìn)風(fēng)溫度下降,能耗顯著降低,當(dāng)機(jī)房進(jìn)風(fēng)溫度為18 ℃時(shí),系統(tǒng)能耗最低。這是因?yàn)殡S著進(jìn)風(fēng)溫度的下降,所需送風(fēng)量相應(yīng)減少,此時(shí)變頻風(fēng)機(jī)自動(dòng)降低頻率減少能耗。

(2) 當(dāng)冷凍水供水溫度升高,能耗逐漸降低,當(dāng)冷凍水供水溫度在10 ℃時(shí),節(jié)能效果最好。這是因?yàn)楫?dāng)冷凍水供水溫度升高時(shí),由于換熱條件變差,輸配冷量的能耗雖然會(huì)變大,但是由于冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度上升,蒸發(fā)器的功率會(huì)隨之下降,因此冷水機(jī)組的功率降低,并且由于空調(diào)系統(tǒng)中,冷水機(jī)組所占能耗較大,相較于輸配冷量涉及的水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)等設(shè)備來(lái)說(shuō),冷水機(jī)組降低的能耗要比輸配冷量設(shè)備提升的能耗更多,所以整個(gè)系統(tǒng)的能耗會(huì)降低,從而達(dá)到節(jié)能的效果。

(3) 當(dāng)供回水溫差升高,能耗變低,溫差由3 K升至4 K時(shí),變頻水泵隨之進(jìn)行調(diào)節(jié),水泵的流量降低,水泵功率也隨之降低,而且由于水泵有最低轉(zhuǎn)速比要求,故溫差最高僅能達(dá)到4 K。

4.4 大小群控相結(jié)合的策略分析

制冷系數(shù)(Coefficient Of Performance,COP)作為空調(diào)系統(tǒng)的性能系數(shù),能夠很好地體現(xiàn)策略的節(jié)能效果。借鑒此概念,提出系統(tǒng)COP概念,即系統(tǒng)制冷量與系統(tǒng)能耗量之比,以此來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行更好的評(píng)估。將大小群控結(jié)合后進(jìn)行全年模擬,實(shí)際運(yùn)行與大小群控相結(jié)合的策略優(yōu)化后的系統(tǒng)總能耗和系統(tǒng)COP對(duì)比如圖10所示。

圖10 大小群控相結(jié)合的策略優(yōu)化前后對(duì)比

由圖10可知:大小群控相結(jié)合的策略使系統(tǒng)總能耗量降低了約23.56%;應(yīng)用大小群控相結(jié)合的策略后,系統(tǒng)COP明顯增長(zhǎng),漲幅在10.22%。這說(shuō)明采用大小群控相結(jié)合的策略后,數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能效果明顯。

5 結(jié) 論

(1) 大群控策略通過(guò)與實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)不同的反饋參數(shù),對(duì)冷水機(jī)組和冷卻塔的臺(tái)數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),全年節(jié)省能耗量約3.8×105kWh。

(2) 小群控策略通過(guò)對(duì)前端系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)以及冷源系統(tǒng)的水泵及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了策略上的優(yōu)化,以典型日作為參考,當(dāng)冷凍水供水溫度升高,能耗逐漸降低。

(3) 大小群控相結(jié)合的策略能起到較好的節(jié)能效果,系統(tǒng)能耗量降低了約23.56%。