貴陽(yáng)某數(shù)據(jù)中心多種空調(diào)形式的應(yīng)用分析

王晨平 魏俊旗 吳 玲 王克勇 陳 璐

(中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司,南京)

0 引言

近年來我國(guó)數(shù)據(jù)中心電能消耗量以每年10%以上的增速遞增,數(shù)據(jù)中心能耗居高不下。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心年用電量高達(dá)2 000億kW·h,預(yù)計(jì)2030年將突破4 000億kW·h,占全國(guó)總用量的3.7%[1]。2020年我國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出了中國(guó)碳達(dá)峰目標(biāo)與碳中和愿景,在“雙碳”背景下,數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排勢(shì)在必行。數(shù)據(jù)中心全年持續(xù)制冷,空調(diào)設(shè)備能耗占數(shù)據(jù)中心非IT設(shè)備能耗的80%以上[2]。為了適應(yīng)日趨嚴(yán)格的能源政策,新興空調(diào)技術(shù)和節(jié)能設(shè)備層出不窮。本文以貴陽(yáng)某數(shù)據(jù)中心為研究載體,對(duì)多種空調(diào)形式的應(yīng)用特性進(jìn)行了分析、探討,為全國(guó)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的選擇應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

該數(shù)據(jù)中心位于貴州省貴陽(yáng)市,地上4層,局部地下1層,為多層建筑,采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑面積共22 060 m2,其中,地上建筑面積21 500 m2,地下建筑面積560 m2。地下功能房為水泵房和水池,地上功能房為數(shù)據(jù)機(jī)房、空調(diào)機(jī)房、高低壓配電室、電力電池室及配套用房等。建筑設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了工藝方案的兼容性、靈活性、可持續(xù)性及良好的利用率,平面布置采用模塊化設(shè)計(jì),適用于多種空調(diào)方案。單機(jī)架功率密度為5 kW,機(jī)房建設(shè)等級(jí)按照GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中的A級(jí)機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 氣候和資源條件

貴陽(yáng)市海拔在1 100 m左右,常年受西風(fēng)帶控制,屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候,年平均氣溫為15.3 ℃,年極端最高溫度為35.1 ℃,年極端最低溫度為-7.3 ℃,年平均相對(duì)濕度為77%。貴陽(yáng)市夏無酷暑,夏季平均溫度為23.2 ℃,最高溫度平均在25.0～28.0 ℃之間,全年最高溫度高于30.0 ℃的天數(shù)少;冬無嚴(yán)寒,1月上旬最冷,平均氣溫為4.6 ℃。全年干、濕球溫度分布統(tǒng)計(jì)見表1、2。

表1 貴陽(yáng)市全年各級(jí)干球溫度分布統(tǒng)計(jì)

表2 貴陽(yáng)市全年各級(jí)濕球溫度分布統(tǒng)計(jì)

由表1、2可以看出,貴陽(yáng)市全年干球溫度低于20 ℃的總時(shí)長(zhǎng)為5 833 h,占比為66.6%;全年濕球溫度低于15 ℃的總時(shí)長(zhǎng)為4 922 h,占比為56.2%?？梢?貴陽(yáng)地區(qū)室外自然冷源極其豐富,是一個(gè)天然的“大空調(diào)”。

貴陽(yáng)市境內(nèi)無大江大河,全市為巖溶地貌,水資源開發(fā)利用難度大、成本高,城市主要供水水源為水庫(kù)蓄水,屬于工程性、資源性和水質(zhì)性缺水城市。貴州是電力大省,其煤炭?jī)?chǔ)量居全國(guó)第5,素有“西南煤海”之稱,且其水能豐富,為貴陽(yáng)市提供了豐富的電力資源。

3 空調(diào)方案

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗占比大,空調(diào)系統(tǒng)方案應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝湍茉刺攸c(diǎn),從系統(tǒng)比選分析、自然冷源利用、設(shè)備配置選型、氣流組織優(yōu)化等多方面降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。目前,數(shù)據(jù)中心主流的制冷技術(shù)應(yīng)用為：1) 集中水冷式冷水系統(tǒng);2) 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng);3) 磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)。下文將從機(jī)柜出架數(shù)量、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等多維度進(jìn)行對(duì)比分析,為該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)。

3.1 水冷式冷水系統(tǒng)

大型水冷式冷水系統(tǒng)目前廣泛利用水側(cè)自然冷卻技術(shù),即冷水機(jī)組+板式換熱器+冷卻塔聯(lián)合供冷[4]。但常規(guī)水冷式冷水系統(tǒng)受技術(shù)限制,難以將數(shù)據(jù)中心能效等級(jí)維持在2級(jí)及以下水平[5]。為了將水冷式冷水系統(tǒng)做到極致節(jié)能,將常規(guī)離心式冷水機(jī)組改為磁懸浮離心式冷水機(jī)組,冷水機(jī)組全年綜合能耗可降低35%以上[6]。此外,降低冷卻塔逼近度,一方面可以降低冷卻水出水溫度,提高冷水機(jī)組效率;另一方面可以延長(zhǎng)自然冷源利用時(shí)長(zhǎng),降低能耗。因此在常規(guī)冷卻塔進(jìn)風(fēng)端設(shè)置間接蒸發(fā)冷卻段,即間接蒸發(fā)冷卻塔,由于進(jìn)入淋水填料的室外空氣是經(jīng)過間接蒸發(fā)冷卻預(yù)冷后的空氣,其出水溫度接近于或等于室外濕球溫度,可以大幅度延長(zhǎng)自然冷源的利用時(shí)間。水冷式冷水系統(tǒng)原理圖見圖1。

注：CV1、CV2為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥;V1～V10為電動(dòng)開關(guān)閥。圖1 水冷式冷水系統(tǒng)原理

根據(jù)工程要求及工藝規(guī)劃條件,經(jīng)計(jì)算,冷水主機(jī)配置6臺(tái)(五用一備)單臺(tái)制冷量為3 868 kW(1 100 rt)的高效磁懸浮離心式冷水主機(jī),一一對(duì)應(yīng)配置冷水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、間接蒸發(fā)冷卻塔、板式換熱器等設(shè)備。冷水供回水采用高溫、大溫差冷水技術(shù),供/回水溫度為17 ℃/23 ℃,進(jìn)一步降低空調(diào)系統(tǒng)能耗[2]?？照{(diào)末端采用冷水機(jī)房精密空調(diào);氣流組織采用無地板彌漫式送風(fēng)形式,并對(duì)機(jī)柜熱通道進(jìn)行封閉;機(jī)房送/回風(fēng)溫度設(shè)置為23 ℃/36 ℃。相比其他形式,其初投資、安全性和節(jié)能性更優(yōu)[7]。主要設(shè)備見表3。

表3 水冷式冷水系統(tǒng)主要設(shè)備

3.2 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用可分為水側(cè)和空氣側(cè),本方案主要探討空氣側(cè)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。空氣側(cè)間接蒸發(fā)冷卻基于間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組,實(shí)現(xiàn)直接蒸發(fā)冷卻器和空氣-空氣換熱器功能的復(fù)合。在間接蒸發(fā)冷卻中,一次空氣(室內(nèi)空氣)和二次空氣(室外空氣)交叉流動(dòng),在二次空氣側(cè)通過濕表面水分的蒸發(fā),降低空氣的干球溫度,然后通過壁面導(dǎo)熱來冷卻間壁另一側(cè)的一次空氣,降溫后的一次空氣送入機(jī)房?jī)?nèi)帶走熱量[8]。如圖2所示,間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組由室外風(fēng)機(jī)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、換熱芯體、集水盤、噴淋裝置、補(bǔ)冷裝置等組成。

根據(jù)工程要求及工藝規(guī)劃條件,該方案1～3層間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組布置在機(jī)房外圍空調(diào)區(qū)域,4層間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組布置在屋面。機(jī)房模塊化設(shè)計(jì),經(jīng)計(jì)算,1～3層單個(gè)機(jī)房配置5臺(tái)(四用一備)單臺(tái)制冷量為240 kW的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組;4層單個(gè)機(jī)房配置6臺(tái)(五用一備)單臺(tái)制冷量為240 kW的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組。氣流組織形式采用封閉熱通道、彌漫式送風(fēng)方式,機(jī)房送/回風(fēng)溫度設(shè)置為23 ℃/36 ℃。主要設(shè)備見表4。

圖2 間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組原理

表4 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要設(shè)備

3.3 磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)

磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻空調(diào)是一種新興的數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù),由磁懸浮、熱管及蒸發(fā)冷卻三大模塊組成,創(chuàng)造性地集成了熱管相變技術(shù)、磁懸浮技術(shù)、蒸發(fā)冷卻技術(shù)及氟泵技術(shù),是目前氟利昂系統(tǒng)中節(jié)能性較優(yōu)的一種形式。磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)原理見圖3。

根據(jù)工程要求及工藝規(guī)劃條件,機(jī)組采用1臺(tái)室外機(jī)拖多臺(tái)室內(nèi)機(jī)的模式,室外機(jī)均布置在屋面,室外機(jī)由蒸發(fā)冷凝器和泵柜組成,泵柜主要包含氣泵和液泵。機(jī)房模塊化設(shè)計(jì),經(jīng)計(jì)算,單個(gè)機(jī)房配置4臺(tái)(三用一備)單臺(tái)制冷量為450 kW的磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻空調(diào),1臺(tái)室外機(jī)拖3臺(tái)室內(nèi)機(jī)?？照{(diào)末端采用熱管機(jī)房精密空調(diào);氣流組織采用無地板彌漫式送風(fēng)形式,并對(duì)機(jī)柜熱通道進(jìn)行封閉;機(jī)房送/回風(fēng)溫度設(shè)置為23 ℃/36 ℃。主要設(shè)備見表5。

圖3 磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)原理

表5 磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)主要設(shè)備

4 綜合分析

4.1 機(jī)柜出架數(shù)量

根據(jù)工程現(xiàn)狀、各方案工藝要求及條件進(jìn)行機(jī)柜布置,機(jī)柜統(tǒng)計(jì)分析見表6。

表6 各方案機(jī)柜出架數(shù)量分析

由表6可知,磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻方案的機(jī)柜出架數(shù)量最多,單機(jī)柜占地面積和單位功耗占地面積最小,而間接蒸發(fā)冷卻方案的機(jī)柜出架數(shù)量最少。這是因?yàn)榇艖腋≌舭l(fā)相變冷卻空調(diào)主機(jī)均布置在屋面,數(shù)據(jù)中心1層無需預(yù)留集中制冷機(jī)房,相較于水冷式冷水方案可節(jié)省面積1 385 m2,用于增加2個(gè)模塊化數(shù)據(jù)機(jī)房。間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組布置在各模塊機(jī)房對(duì)應(yīng)的空調(diào)間,1層亦無需設(shè)置集中制冷機(jī)房。經(jīng)調(diào)研,200～260 kW冷量段的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備尺寸為6.5 m×3.0 m×4.6 m(長(zhǎng)×寬×高),而熱管房間空調(diào)設(shè)備寬度僅為1.0 m。圖4為模塊化機(jī)房平面對(duì)比圖。由圖4a可以看出,間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備間應(yīng)滿足豎向排風(fēng)井、設(shè)備布置、設(shè)備前后接管及維護(hù)的空間,再加上混風(fēng)靜壓箱,單個(gè)模塊機(jī)房對(duì)應(yīng)空調(diào)配套區(qū)域?qū)挾葹?2.10 m,面積為388.41 m2。由圖4b可以看出,熱管房間空調(diào)設(shè)備配套區(qū)域?qū)挾葍H需3.80 m,面積為121.98 m2,單個(gè)機(jī)房節(jié)省面積266.43 m2,整棟?rùn)C(jī)樓1～3層可節(jié)省面積共2 930.73 m2,以用于增加機(jī)柜產(chǎn)出。

圖4 模塊化機(jī)房平面對(duì)比圖

4.2 節(jié)能性

4.2.1水冷式冷水系統(tǒng)

在冷水供回水溫度一定的情況下,空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式切換的濕球溫度主要與冷卻塔逼近度和板式換熱器溫差有關(guān)。所選間接蒸發(fā)冷卻塔的逼近度為1.0 ℃,板式換熱器的溫差為1.5 ℃,根據(jù)室外濕球溫度條件,全年分為3種運(yùn)行模式：1) 當(dāng)室外濕球溫度tW>20.5 ℃時(shí),無法利用自然冷源,系統(tǒng)切換為機(jī)械制冷模式,完全依靠冷水機(jī)組機(jī)械壓縮供冷;2) 當(dāng)14.5 ℃

表7 水冷式冷水空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

4.2.2間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

根據(jù)機(jī)房與環(huán)境溫度變化、室外參數(shù)條件,間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)了3種靈活運(yùn)行模式：1) 當(dāng)室外干球溫度tD≤16 ℃時(shí),啟用干工況模式,二次側(cè)空氣(室外)和一次側(cè)空氣(室內(nèi))通過換熱芯體直接進(jìn)行換熱,即可滿足數(shù)據(jù)機(jī)房送風(fēng)要求;2) 當(dāng)tD>16 ℃及tW≤20 ℃時(shí),啟用濕工況模式,開啟噴淋,二次空氣與噴淋水進(jìn)行熱濕交換,溫度下降后通過換熱芯體與一次空氣進(jìn)行等濕冷卻;3) 當(dāng)tW>20 ℃時(shí),以上2種工況均無法滿足機(jī)房送風(fēng)要求,則需開啟壓縮機(jī)進(jìn)行補(bǔ)冷?？照{(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行工況、時(shí)長(zhǎng)、耗電量和耗水量統(tǒng)計(jì)見表8。

表8 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

4.2.3磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)

根據(jù)機(jī)房與環(huán)境溫度變化、室外參數(shù)條件,磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)主要有2種運(yùn)行模式：1) 當(dāng)室外濕球溫度tW≥11 ℃時(shí),啟用混合模式,開啟氣泵;2) 當(dāng)tW<11 ℃時(shí),啟用液泵模式,氣泵關(guān)閉,通過液泵輸送制冷劑?？照{(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行工況、時(shí)長(zhǎng)、耗電量和耗水量統(tǒng)計(jì)見表9。

4.2.4指標(biāo)分析

表9 磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

對(duì)于數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)來說,節(jié)能性主要體現(xiàn)在節(jié)電和節(jié)水2個(gè)方面?？照{(diào)系統(tǒng)耗電指標(biāo)可以用制冷負(fù)載因子(CLF)進(jìn)行表征,即數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備耗電量與IT設(shè)備耗電量的比值;數(shù)據(jù)中心耗水指標(biāo)可以用水資源利用效率(WUE)進(jìn)行表征,即數(shù)據(jù)中心設(shè)備耗水量與IT設(shè)備耗電量的比值[9]。經(jīng)計(jì)算,除空調(diào)設(shè)備耗水量外,該數(shù)據(jù)中心生活、辦公、綠化等設(shè)備全年耗水量為24 849.2 m3。圖5顯示了各方案的CLF、WUE指標(biāo)。由圖5可知,間接蒸發(fā)冷卻方案的CLF和WUE指標(biāo)均為最低,該方案節(jié)能和節(jié)水量最多,節(jié)能性最佳;磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻方案的CLF指標(biāo)雖低于水冷式冷水系統(tǒng),但其WUE指標(biāo)最高,耗水量最大。

圖5 各方案CLF、WUE指標(biāo)分析

4.3 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

不同空調(diào)形式不僅空調(diào)工程投資差異較大,而且相對(duì)應(yīng)的配電工程投資也存在一定差異,因此建設(shè)投資的對(duì)比不能僅考慮空調(diào)工程本身。項(xiàng)目機(jī)電配套工程包含高低壓配電工程、柴油發(fā)電機(jī)組工程、不間斷電源工程、空調(diào)工程、機(jī)柜配套工程、動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)工程、機(jī)房裝修工程。各方案機(jī)電配套工程造價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表10。由表10可知,間接蒸發(fā)冷卻方案機(jī)電配套工程造價(jià)最低,這是因?yàn)殚g接蒸發(fā)冷卻方案的機(jī)架數(shù)量最少,IT負(fù)荷最低;但折算到單位功耗造價(jià)卻是最高的,這意味著相同IT負(fù)荷條件下間接蒸發(fā)冷卻方案需要投入更多的建設(shè)資金。

表10 各方案機(jī)電配套工程造價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

該項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期耗費(fèi)最大的是電費(fèi),約占總運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的75%,收入主要考慮機(jī)柜的出租費(fèi)用。因此,各方案的用電量、機(jī)柜出架數(shù)量也是經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的重要因素,需要通過全壽命周期的經(jīng)濟(jì)分析才能評(píng)判各方案的優(yōu)劣。該項(xiàng)目設(shè)定測(cè)算期為11年,其中第1年為機(jī)電工程建設(shè)期,第2～11年為運(yùn)營(yíng)期。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)期前2年機(jī)柜上架率分別為40%、80%,此后為100%。運(yùn)營(yíng)成本主要包含電費(fèi)、水費(fèi)、人工工資、管理費(fèi)和維護(hù)修理費(fèi)等;主要收入為機(jī)柜出租費(fèi)用。各方案年累計(jì)利潤(rùn)統(tǒng)計(jì)見圖6。

圖6 各方案年累計(jì)利潤(rùn)統(tǒng)計(jì)

由圖6可知,磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻方案前期支出最多,但在第7年即可產(chǎn)生盈利且增幅最快,而另外2個(gè)方案在第8年才能盈利。這是因?yàn)榇艖腋≌舭l(fā)相變冷卻方案雖然建設(shè)投資最多,但是單位功耗造價(jià)相對(duì)較低;且該方案CLF值較低,年運(yùn)行成本低。磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻方案的機(jī)柜出架數(shù)量高達(dá)3 150架,100%上架投入運(yùn)營(yíng)后,相較前2個(gè)方案每年收入分別多2 100萬元和3 300萬元,每年盈利分別多1 427萬元和1 746萬元。

5 結(jié)論

1) 貴陽(yáng)地區(qū)室外自然冷源極其豐富,是一個(gè)天然“大空調(diào)”,該地區(qū)可以適應(yīng)數(shù)據(jù)中心主流的制冷技術(shù),其自然冷源利用率高達(dá)80%以上。

2) 在相同的建筑現(xiàn)狀和工藝要求條件下,磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻空調(diào)方案能夠極致地利用屋面空間,節(jié)省室內(nèi)空調(diào)設(shè)備的占用空間,大幅度提高機(jī)柜產(chǎn)出率,降低單機(jī)柜和單功耗占地面積。雖然建設(shè)投資高,但是高產(chǎn)出率能夠給項(xiàng)目帶來高收益回報(bào),是投資方優(yōu)先考慮的建設(shè)方案。該空調(diào)系統(tǒng)耗電較常規(guī)水冷式冷水系統(tǒng)降低22%以上,但其水資源消耗大,對(duì)于中等缺水城市的貴陽(yáng)來說選擇該系統(tǒng)時(shí)應(yīng)慎重考慮能源技術(shù)評(píng)價(jià)因素。

3) 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)方案的節(jié)能性最優(yōu),全年平均CLF和WUE值分別低至0.12和0.778 L/(kW·h),數(shù)據(jù)中心電能比可達(dá)到1級(jí)能效,利于建設(shè)方申請(qǐng)電能指標(biāo)和通過能評(píng)。但是該方案機(jī)柜產(chǎn)出率最低,單位功耗造價(jià)高,利潤(rùn)率低,對(duì)投資方收益極為不利。

4) 水冷式冷水空調(diào)方案作為數(shù)據(jù)中心最為成熟、應(yīng)用最多的空調(diào)系統(tǒng),目前單獨(dú)使用已無法滿足越來越嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)。但其低造價(jià)、高適配的特性為其與其他空調(diào)形式的疊加應(yīng)用創(chuàng)造了條件。