數(shù)據(jù)中心采用冷卻塔間接自然冷卻技術(shù)的能耗分析

黃 英，梁 珍，陳艷超，李 洋，胡永亮

(1.東華大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,b.暖通空調(diào)研究所,上海 201620;2.中建一局集團(tuán)安裝工程有限公司,北京 102600)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起,作為海量數(shù)據(jù)的承載實(shí)體,數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也隨之高速增長(zhǎng),其能耗問題也隨其規(guī)模的擴(kuò)大而被廣泛關(guān)注。2018年全球數(shù)據(jù)中心的耗電規(guī)模為205 TW·h,達(dá)全球用電總量的1%[1],預(yù)計(jì)至2024年,該數(shù)值將上升至5%～8%[2]。2019年我國(guó)數(shù)據(jù)中心用電量占全社會(huì)用電總量的0.8%～1.0%,預(yù)計(jì)到2030年,數(shù)據(jù)中心能源消耗量將占全社會(huì)用電量的1.5%～2.0%[3]。

國(guó)外數(shù)據(jù)中心平均電能利用效率(power usage effectiveness, PUE)已小于1.2[4],例如:雅虎的洛克波特鎮(zhèn)雞窩式數(shù)據(jù)中心的平均PUE值為1.08;Google的比利時(shí)數(shù)據(jù)中心的平均PUE值為1.16;Facebook瑞典數(shù)據(jù)中心的平均PUE值為1.15。至2019年底,我國(guó)超大型數(shù)據(jù)中心的平均PUE值為1.46,總體上較以前有較大提升,但仍低于相關(guān)政策要求的平均PUE值[5],節(jié)能問題亟待解決。

數(shù)據(jù)中心能耗問題涉及多方面,主要有IT設(shè)備、空調(diào)制冷系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等。其中空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗占數(shù)據(jù)中心的總電量的1/3左右,僅次于IT設(shè)備的能耗,對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的能耗影響較大[6]。自然冷卻技術(shù)利用室外冷空氣或水對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行冷卻,可大大降低機(jī)房能耗,節(jié)能效果明顯[7]。

以中國(guó)移動(dòng)某數(shù)據(jù)中心為研究對(duì)象,利用冷卻塔間接自然冷卻技術(shù)建立冷卻塔間接自然冷卻系統(tǒng),采用TRNSYS軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬,比較分析北京、西安、杭州、昆明、廣州5個(gè)城市的各類指標(biāo),如冷卻系統(tǒng)在不同模式(完全自然冷卻模式、混合制冷模式以及機(jī)械制冷模式)下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、能耗、平均PUE值、碳排放量等。

1 數(shù)據(jù)中心簡(jiǎn)介

1.1 建筑概況

所研究的數(shù)據(jù)中心的機(jī)房主體共2層,總建筑面積為22 233.46 m2,第一層建筑面積為12 349.74 m2,第二層建筑面積為9 756.64 m2,建筑高度為12.85 m。主要功能房間為IT設(shè)備區(qū)、空調(diào)設(shè)備區(qū)、電力電池區(qū)、高低壓配電室等(見圖1)。

1.2 負(fù)荷模型

數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷負(fù)荷Q機(jī)房由圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷Q圍護(hù)結(jié)構(gòu)、照明負(fù)荷Q照明、IT設(shè)備熱負(fù)荷QIT、人員冷負(fù)荷以及滲透負(fù)荷組成,根據(jù)數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備需全年不間斷運(yùn)行的特征,忽略人員冷負(fù)荷以及滲透負(fù)荷,即

Q機(jī)房=Q圍護(hù)結(jié)構(gòu)+Q照明+QIT

(1)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量較小,其冷負(fù)荷按式(2)計(jì)算。

Q圍護(hù)結(jié)構(gòu)=KF(tw-tn)

(2)

式中:K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)[8],W/(m2·℃);F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算面積,m2;tw為機(jī)房室外平均溫度,℃;tn為機(jī)房室內(nèi)計(jì)算溫度,℃。

數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備部件,如服務(wù)器、配電單元(power distribution unit, PDU)、不間斷電源(uninterruptible power supply, UPS)等都會(huì)產(chǎn)生大量熱量,并消耗大量電力。服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心熱量的主要來源,其功耗取決于服務(wù)器工作時(shí)的負(fù)載率和精密空調(diào)的送風(fēng)溫度[8],并且周末服務(wù)器的負(fù)載率為平時(shí)的80%[9-10],考慮單個(gè)服務(wù)器在最不利的情況(即數(shù)據(jù)中心所有服務(wù)器滿載運(yùn)行)下工作,機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器機(jī)架取選取4U型。服務(wù)器的發(fā)熱量Pserver主要由服務(wù)器組件CPU產(chǎn)熱P1以及冷卻模塊功耗P2組成[8],可以寫為

Pserver=P1+P2

(3)

P1=a0+a1u+a2ea3td

(4)

P2=Psfan

(5)

P2=a7n+a8n2+a9n3

(6)

(7)

(8)

式中:a0～a9為擬合常數(shù);R為CPU硅片的導(dǎo)熱熱阻;td為CPU的核心溫度,℃;tin為服務(wù)器進(jìn)口溫度,℃;Psfan為服務(wù)器冷卻風(fēng)扇功耗,kW;u為服務(wù)器負(fù)載率,取1;n為冷卻模塊風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,r/min。

不間斷電源(UPS)和配電單元(PDU)產(chǎn)生的熱損失主要包括空載下的消耗和部分負(fù)荷下的消耗,如式(9)～(12)所示。

PUPSLOSS=PUPSidle+πUPS∑PPDU

(9)

PUPSidle=5%PUPS

(10)

PPDULOSS=PPDUidle+πPDU(∑Pserver)2

(11)

PPDUidle=1.5%PPDU

(12)

式中:PUPSLOSS為UPS產(chǎn)生的熱損失,kW;PUPSidle為UPS在空載運(yùn)行下的功率損失,kW;πUPS為UPS的損耗系數(shù),取0.05;PPDULOSS為PDU產(chǎn)生的熱損失,kW;PPDUidle為PDU在空載運(yùn)行下的功率損失,kW;πPDU為PDU的損耗系數(shù),取0.000 075;PPDU為PDU在滿載運(yùn)行下的功率損失,kW,PUPS為UPS在滿載運(yùn)行下的功率損失,kW。

服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)組件(如服務(wù)器)的功率絕大部分轉(zhuǎn)化為熱,其熱量計(jì)算如式(13)～(15)所示。

Q機(jī)柜=h1η1∑Pserver+PPDULoss

(13)

QUPS=h2PUPSLOSS

(14)

Q照明=q·A

(15)

式中:Q機(jī)柜為機(jī)柜服務(wù)器發(fā)熱量,kW;QUPS為UPS發(fā)熱量,kW;Q照明為照明設(shè)備發(fā)熱量,kW;h1為負(fù)載均勻系數(shù),取0.8;η1為發(fā)熱效率,取0.99;h2為典型系數(shù),取1;q為照明設(shè)備功率密度,W/m2,取30 W/m2;A為機(jī)房面積,m2。

機(jī)房?jī)?nèi)IT設(shè)備發(fā)熱量QIT[11]為

QIT=h3(Q機(jī)柜+QUPS+Q照明)

(16)

式中:h3為綜合保險(xiǎn)系數(shù),取1.2.

由式(1)計(jì)算得出機(jī)房總負(fù)荷為8 511 kW。由于服務(wù)器全年運(yùn)行且是數(shù)據(jù)中心熱量的主要來源,因此數(shù)據(jù)中心負(fù)荷基本穩(wěn)定,不隨外界溫度變化而變化。

1.3 冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)主要由冷卻塔、冷水機(jī)組、板式換熱器及水泵組成,如圖2所示,其中,紅線表示高溫冷凍水或冷卻水,藍(lán)線表示低溫冷凍水或冷卻水。根據(jù)室外溫度的變化情況,該系統(tǒng)設(shè)置3種模式,即完全自然冷卻模式(冷量完全由冷卻塔提供)、混合制冷模式(冷量由冷卻塔與冷水機(jī)組共同提供)以及機(jī)械制冷模式(冷量完全由冷水機(jī)組提供)。本文采用的TRNSYS仿真軟件是一種瞬時(shí)系統(tǒng)計(jì)算程序,其可根據(jù)不同的系統(tǒng)靈活組件模塊建立連接,形成仿真平臺(tái)。模擬氣象數(shù)據(jù)由METEONORM軟件提供。設(shè)定冷凍水供水溫度、回水溫度分別為7和12 ℃,系統(tǒng)模式的切換由切換溫度決定,參照文獻(xiàn)[4,12-14]中的切換溫度,設(shè)定系統(tǒng)切換溫度tset1、tset2分別為3和8 ℃。

圖2 冷卻系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the cooling system

當(dāng)室外濕球溫度低于tset1時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)完全自然冷卻模式:閥門V1、V2、V3、V5、V6開啟直通,關(guān)閉側(cè)通;V7開啟側(cè)通,關(guān)閉直通;V4關(guān)閉。在該模式下,冷水機(jī)組關(guān)閉,板式換熱器開啟。高溫的冷凍水經(jīng)板式換熱器換熱降溫后返回機(jī)房。熱量經(jīng)板式換熱器送至冷卻塔,最后散到室外。

當(dāng)室外濕球溫度高于tset1且小于tset2時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)混合制冷模式:閥門V1、V2開啟直通,關(guān)閉側(cè)通;V3、V5、V6、V7開啟側(cè)通,關(guān)閉直通;V4開啟。在該模式下,冷水機(jī)組與板式換熱器均開啟,高溫冷凍水先經(jīng)冷卻塔預(yù)冷,再經(jīng)冷水機(jī)組冷卻,最后變成低溫冷凍水送至機(jī)房。

當(dāng)室外濕球溫度大于tset2時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)械制冷模式:閥門V1、V2、V3、V5、V7開啟側(cè)通,關(guān)閉直通;V4開啟。在該模式下,冷水機(jī)組開啟,板式換熱器關(guān)閉。高溫的冷凍水經(jīng)冷水機(jī)組換熱降溫,最后變成低溫冷凍水返回機(jī)房。

2 模擬結(jié)果及討論

2.1 運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)分析

系統(tǒng)在不同模式下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)會(huì)影響系統(tǒng)的能耗。完全自然冷卻模式的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),系統(tǒng)能耗越小;機(jī)械制冷模式的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),系統(tǒng)能耗越大。以中國(guó)移動(dòng)某數(shù)據(jù)中心為研究對(duì)象,結(jié)合北京、西安、杭州、昆明、廣州5個(gè)城市室外濕球溫度變化情況與該冷卻系統(tǒng)切換溫度,統(tǒng)計(jì)各地3種模式下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng),探討不同城市氣候環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的影響,結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同城市冷卻系統(tǒng)模式運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Statistical chart of running time of each mode in different cities

由圖3可以看出:完全自然冷卻模式下,5個(gè)城市冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)排序?yàn)楸本?西安>杭州>昆明>廣州;混合制冷模式下系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)排序?yàn)槔ッ?杭州>西安>北京>廣州;機(jī)械制冷模式下系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)排序?yàn)閺V州>昆明>杭州>西安>北京。其中:北京在完全自然冷卻模式下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為3 252 h,占全年時(shí)長(zhǎng)的37.12%;昆明在混合制冷模式下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為1 930 h,占全年時(shí)長(zhǎng)的22.03%;廣州在機(jī)械制冷模式下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為8 162 h,占全年時(shí)長(zhǎng)的93.17%。

2.2 能耗分析

北京、西安、杭州、昆明、廣州5大城市在該冷卻系統(tǒng)下的能耗結(jié)果及系統(tǒng)組件能耗分布如圖4所示。

圖4 不同城市能耗結(jié)果及組件耗能分布Fig.4 Energy consumption results and component energy distribution in different cities

由圖4可知,廣州的能耗最大,北京的能耗最小。結(jié)合上文供冷時(shí)長(zhǎng)可知:廣州可提供冷卻塔自然冷卻的時(shí)長(zhǎng)最少,機(jī)械制冷的時(shí)長(zhǎng)最多,因此能耗最大,其中冷水機(jī)組能耗占冷卻系統(tǒng)的70.95%;反之,北京處于寒冷地區(qū),可提供冷卻塔自然冷卻的時(shí)長(zhǎng)最多,因此能耗最小,其中冷水機(jī)組能耗占58.90%。此外,由圖4還可以看出,5大城市的冷卻系統(tǒng)的主要部件(水泵、冷卻塔、冷水機(jī)組)的耗能也有所不同。北京、西安、杭州、廣州的冷水機(jī)組能耗占比超過系統(tǒng)總能耗的一半,冷水機(jī)組為這4大城市冷卻系統(tǒng)的主要耗能部件。而在昆明,水泵的能耗占67.26%,超過冷水機(jī)組(29.84%)。究其原因,在混合制冷模式下,昆明的供冷時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)大于其他城市,冷卻水先經(jīng)冷卻塔冷卻,再送入冷水機(jī)組,最后被送至機(jī)房,這顯著減少了冷水機(jī)組的能耗,因此昆明的水泵能耗大于其冷水機(jī)組的能耗。

不同地區(qū)全年能耗變化如圖5所示。由圖5可知,北京、西安、杭州、昆明及廣州的能耗變化趨勢(shì)基本一致。能耗最低點(diǎn)出現(xiàn)在冬季(12月—次年2月),此時(shí)系統(tǒng)處于完全自然冷卻模式或混合制冷模式,冷水機(jī)組耗能較小;能耗最高點(diǎn)出現(xiàn)在夏季(7—8月),此時(shí)系統(tǒng)處于機(jī)械制冷模式。

圖5 不同城市全年能耗變化Fig.5 Annual energy consumption changes in different cities

平均PUE值即數(shù)據(jù)中心能源利用效率,為數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備總能耗的比值,即

(17)

式中:ηPUE為數(shù)據(jù)中心能源利用效率;Ptotal為數(shù)據(jù)中心總能耗,kW·h;PIT為IT設(shè)備能耗,kW·h。

由式(17)可知,PUE值越接近1,該數(shù)據(jù)中心越節(jié)能。目前,為了推動(dòng)數(shù)據(jù)中心向綠色、低碳發(fā)展,多地政府發(fā)布PUE限值[15-16],如:北京市要求新建的云數(shù)據(jù)中心的PUE值不高于1.36,上海市要求新建互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心PUE值嚴(yán)格控制在1.3以下,等等。

不同地區(qū)冷卻系統(tǒng)平均PUE值如圖6所示。由圖6可知:北京的平均PUE值最低,為1.19;西安次之,為1.20;廣州最高,為1.24。由此可見,該系統(tǒng)在北京最為節(jié)能,西安次之,廣州節(jié)能性最差。結(jié)合上文可知,在完全自然冷卻模式下,北京的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)大于廣州。因此,盡可能使用冷卻塔間接自然冷卻技術(shù)可使平均PUE值下降,從而使數(shù)據(jù)中心更加節(jié)能。

圖6 不同城市系統(tǒng)平均PUE值Fig.6 System average PUE values in different cities

2.3 碳排放分析

2020年全國(guó)數(shù)據(jù)中心碳排放量達(dá)9 485萬t[17],且機(jī)房機(jī)架規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng),因此,高能耗建筑的數(shù)據(jù)中心是節(jié)能減排的關(guān)鍵。溫室氣體(CO2)是碳排放的主體,以溫室氣體排放量為依據(jù)進(jìn)行碳排放分析。根據(jù)《上海市溫室氣體排放核算與報(bào)告技術(shù)文件》,溫室氣體排放總量由直接排放量與間接排放量組成,其中直接排放量包括燃燒排放和過程排放。由于本研究系統(tǒng)中無燃燒等過程,因此溫室氣體直接排放量為0。間接排放主要包括電力和熱力排放,其計(jì)算如式(18)所示。

G=∑(s×κ)

(18)

式中:G為溫室氣體排放量,t;s為活動(dòng)水平數(shù)據(jù),指電力和熱力等的消耗量,104kW·h;κ為排放因子,t/(104kW·h),取7.88 t/(104kW·h)。

不同地區(qū)溫室氣體排放量如圖7所示。由圖7可知,北京的溫室氣體排放量最低(16 207.10 t),其次為西安,杭州與昆明的溫室氣體排放量相近,廣州最高(19 294.43 t)。相比之下,北京的溫室氣體排放量比廣州低16%。綜上所述可知,北京的碳排放量最低,廣州最高。

3 結(jié) 論

利用TRNSYS軟件建立數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng),設(shè)計(jì)了3種模式(完全自然冷卻、混合制冷及機(jī)械制冷),并對(duì)北京、西安、杭州、昆明及廣州的能耗進(jìn)行模擬、分析,比較這5大城市在不同冷卻模式下冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、能耗、PUE值、碳排放量等差異。在該冷卻塔間接自然冷卻系統(tǒng)下:北京在完全自然冷卻模式下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng),廣州最短,因此廣州的能耗最大,北京最小;廣州和北京的冷水機(jī)組耗能占比分別為70.95%、58.90%,冷水機(jī)組為這兩大城市冷卻系統(tǒng)的主要耗能部件;北京的平均PUE值最低(1.19),廣州的平均PUE值最高(1.24);在碳排放方面,北京的碳排放量最低(溫室氣體排放量為16 207.10 t),廣州的碳排放量最高(溫室氣體排放量為19 294.43 t),北京的溫室氣體排放量比廣州低16%,該冷卻塔間接自然冷卻系統(tǒng)在北京的節(jié)能效果顯著。

綜上所述,建議數(shù)據(jù)中心選址地盡量避免夏熱冬暖地區(qū),盡可能延長(zhǎng)完全自然冷卻模式時(shí)間,利用室外免費(fèi)冷卻降低數(shù)據(jù)中心能耗及PUE值,從而減少碳排量,提高數(shù)據(jù)中心的節(jié)能效率。