康健

摘要：本文針對(duì)我國(guó)不同氣候區(qū)的氣候特點(diǎn)，以某中等規(guī)模數(shù)據(jù)中心為例，對(duì)風(fēng)冷式直接蒸發(fā)系統(tǒng)和水冷式冷水機(jī)組系統(tǒng)兩種常用的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)進(jìn)行了能效分析，量化給出了季節(jié)性和區(qū)域性氣候差異對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能效影響，分析了風(fēng)冷式和水冷式系統(tǒng)在不同氣候區(qū)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。對(duì)一種將熱管循環(huán)與蒸氣壓縮制冷循環(huán)相結(jié)合的復(fù)合型自然冷源系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試，計(jì)算給出了不同氣候區(qū)自然冷源的可用時(shí)間和節(jié)能潛力，分析結(jié)果可用于數(shù)據(jù)中心選址以及其制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；制冷系統(tǒng)；自然冷源；氣候類(lèi)型；能效分析

1、前言

本文針對(duì)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的冷源特點(diǎn)，建立了數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能效模型，結(jié)合我國(guó)不同氣候區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算給出了不同類(lèi)型制冷系統(tǒng)在各氣候區(qū)域的能效水平及波動(dòng)范圍，分析給出了不同類(lèi)型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)隨季節(jié)和氣候特點(diǎn)的變化規(guī)律，并歸納給出了不同類(lèi)型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的適用地域范圍，計(jì)算結(jié)果可為數(shù)據(jù)中心的因地制宜規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。

2、建筑氣候區(qū)劃圖及區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

近年來(lái)，我國(guó)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心等基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施的需求量急劇增大。與傳統(tǒng)建筑空間相比，數(shù)據(jù)中心散熱密度大，單位面積散熱量可達(dá)傳統(tǒng)辦公區(qū)域的40倍以上，IT設(shè)備的散熱特點(diǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心熱點(diǎn)分布不均勻，同時(shí)，設(shè)備的安全性需求提高了對(duì)內(nèi)部空間溫濕度和潔凈度的要求。數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境特點(diǎn)需要數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)成全封閉的結(jié)構(gòu)，依靠制冷系統(tǒng)的全年運(yùn)行來(lái)達(dá)到控溫控濕的目的，這使得制冷系統(tǒng)能耗成為數(shù)據(jù)中心能耗比例不合理的一個(gè)重要原因。 目前我國(guó)數(shù)據(jù)中心常用的制冷系統(tǒng)包括風(fēng)冷式直接蒸發(fā)系統(tǒng)和水冷式冷水機(jī)組系統(tǒng)兩種，不同類(lèi)型制冷系統(tǒng)能耗隨所處氣候類(lèi)型差別較大，在評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能效水平時(shí)，需綜合考慮數(shù)據(jù)中心所處地區(qū)氣候特點(diǎn)等因素，使能效指標(biāo)具有更加實(shí)際的指導(dǎo)意義。我國(guó)數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)組在2015年公布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心資源利用與測(cè)量方法》征求意見(jiàn)版，該標(biāo)準(zhǔn)草稿給出了考慮氣候類(lèi)型和制冷形式等因素的數(shù)據(jù)中心能效評(píng)價(jià)指標(biāo)，意在引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心因地制宜選擇合適的制冷方案，充分發(fā)揮相應(yīng)地區(qū)的氣候優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)地域遼闊，不同地區(qū)的全年氣溫、濕度差別很大，按照GB 50178-1993《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》l31我國(guó)可分為嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和五個(gè)氣候區(qū)。

3、某數(shù)據(jù)中心案例能耗分析

本文以某中等規(guī)模數(shù)據(jù)中心為例進(jìn)行能耗分析，該數(shù)據(jù)中心位于我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)，IT設(shè)備發(fā)熱密度約為1.4 kW/m2，測(cè)試分為兩日進(jìn)行，分別對(duì)夏季典型日機(jī)房模塊、獵頭柜（UPS電池配電柜）、水冷機(jī)組、水泵、冷卻塔和機(jī)房精密空調(diào)等的用電狀況及輸配系統(tǒng)相關(guān)溫度進(jìn)行了測(cè)試叫，得到了該數(shù)據(jù)中心內(nèi)部模塊和制冷系統(tǒng)的單日用能特點(diǎn)、運(yùn)行效率和冷卻效果。

為分析數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能效，需計(jì)算給出數(shù)據(jù)中心內(nèi)部環(huán)境熱負(fù)荷，包括IT設(shè)備、UPS、配電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等，根據(jù)2003年可計(jì)算得出該數(shù)據(jù)中心測(cè)試模塊總發(fā)熱量與IT設(shè)備耗電量之比約為0.21，在后續(xù)的制冷系統(tǒng)模型計(jì)算中也將采用該數(shù)值進(jìn)行整體能效計(jì)算。

4、數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗模型

常用的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)主要包括風(fēng)冷式直接蒸發(fā)冷卻方案和水冷式冷水機(jī)組方案兩種，兩種方案采用不同的冷源形式，在實(shí)際運(yùn)行效果以及電力資源和水資源消耗上各有優(yōu)劣。雙冷源復(fù)合式制冷方案充分引入自然冷源，可在保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)部各項(xiàng)熱環(huán)境指標(biāo)的同時(shí)有效降低數(shù)據(jù)中心能耗。

水冷式冷水機(jī)組采用冷凍水機(jī)組或帶自然冷源的冷水機(jī)組提供的冷凍水作為冷源，實(shí)現(xiàn)熱量由室內(nèi)到室外的搬運(yùn)。該系統(tǒng)一般由機(jī)房空調(diào)末端、冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵、管路及其他附件組成，可實(shí)現(xiàn)冷量的遠(yuǎn)距離輸送，并有效節(jié)省安裝空間。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19413-2010給出了水冷式機(jī)房空調(diào)的試驗(yàn)測(cè)試工況，如表3所示，水冷式系統(tǒng)五個(gè)工況包括了四個(gè)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的冷水機(jī)組運(yùn)行工況和一個(gè)利用冷卻塔自然冷源的工況。

4.3自然冷源的復(fù)合式制冷方案

引入白然冷源的復(fù)合式制冷系統(tǒng)將重力驅(qū)動(dòng)熱管循環(huán)與蒸氣壓縮制冷循環(huán)相結(jié)合，在夏季溫度較高時(shí)開(kāi)啟蒸氣壓縮制冷模式為數(shù)據(jù)中心提供冷量，在冬季室外溫度較低時(shí)開(kāi)啟重力驅(qū)動(dòng)熱管模式，充分利用室外自然冷源對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行散熱，過(guò)渡季節(jié)則由蒸氣壓縮制冷循環(huán)和重力驅(qū)動(dòng)熱管循環(huán)同時(shí)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)中心所需冷量。本研究對(duì)如圖2所示的復(fù)合式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行測(cè)試。

5、結(jié)果與分析

5.1季節(jié)性與地域性氣候差異分析

結(jié)合上述能效測(cè)試結(jié)果與我國(guó)不同地區(qū)逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，可對(duì)不同氣候區(qū)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗指標(biāo)CLF進(jìn)行模擬計(jì)算，我國(guó)大部分地區(qū)氣候分明，在除溫和地區(qū)之外的其他氣候區(qū)，逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)存在明顯的季節(jié)性波動(dòng)，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗在夏季存在明顯的峰值，在冬季呈現(xiàn)明顯的谷值，且波動(dòng)情況由北到南逐漸變緩。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗總體趨勢(shì)表現(xiàn)為由北向南隨緯度的降低逐漸升高，體現(xiàn)在為以哈爾濱為代表的嚴(yán)寒地區(qū)制冷系統(tǒng)能耗最低，其次為以北京為代表的寒冷地區(qū)，以廣州為代表的夏熱冬冷地區(qū)制冷系統(tǒng)能耗最高。在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心的具體規(guī)劃選址時(shí)，應(yīng)當(dāng)在滿足數(shù)據(jù)中心功能和市場(chǎng)要求的前提下，優(yōu)先考慮在哈爾濱等嚴(yán)寒地區(qū)建立大型數(shù)據(jù)中心，以便充分發(fā)揮區(qū)域性氣候優(yōu)勢(shì)，減少制冷系統(tǒng)的整體負(fù)荷。

5.2風(fēng)冷、水冷方案應(yīng)用優(yōu)勢(shì)對(duì)比

風(fēng)冷式直接蒸發(fā)方案和水冷式冷水機(jī)組方案是目前我國(guó)數(shù)據(jù)中心常用的兩種制冷方案，兩種系統(tǒng)分別以室外空氣和冷卻塔制取的冷水作為冷源，實(shí)現(xiàn)熱量由數(shù)據(jù)中心內(nèi)部向室外的搬運(yùn)。給出的制冷系統(tǒng)能效季節(jié)性波動(dòng)曲線可見(jiàn)，相較風(fēng)冷式直接蒸發(fā)方案，水冷式冷水機(jī)組方案可以更為便捷地利用自然冷源，在冬季和部分過(guò)渡季節(jié)具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其運(yùn)行效果整體優(yōu)于風(fēng)冷式系統(tǒng)，同時(shí)，水冷式冷水機(jī)組方案的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)隨數(shù)據(jù)中心所處地理位置有所差別。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，相較風(fēng)冷式系統(tǒng)，水冷式系統(tǒng)的能效優(yōu)勢(shì)隨數(shù)據(jù)中心所處緯度的降低逐漸減小，在嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)采用水冷式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心節(jié)能優(yōu)勢(shì)更為顯著.這是由于隨著緯度的降低，數(shù)據(jù)中心所處地區(qū)溫度升高，濕度增大，濕球溫度升高，冷卻塔蒸發(fā)冷卻方案的節(jié)能空間越來(lái)越小。在本文給出的計(jì)算案例中，?？诘貐^(qū)風(fēng)冷式和水冷式數(shù)據(jù)中心CLF值的計(jì)算結(jié)果近似相等，考慮到水冷式系統(tǒng)的水資源消耗，在該類(lèi)地區(qū)應(yīng)用風(fēng)冷式直接蒸發(fā)方案更為經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

6、結(jié)束語(yǔ)

本文以某中等規(guī)模數(shù)據(jù)中心為例，針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)氣候特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)冷式直接蒸發(fā)方案、水冷式冷水機(jī)組方案和復(fù)合型自然冷源方案等三種數(shù)據(jù)中心制冷方案進(jìn)行了能效分析。不同類(lèi)型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗水平存在季節(jié)性和區(qū)域性差異。制冷系統(tǒng)CLF指標(biāo)呈現(xiàn)“夏峰冬谷”的規(guī)律，且波動(dòng)程度隨數(shù)據(jù)中心所處緯度的增加而增大。制冷系統(tǒng)能耗總體表現(xiàn)為由北向南隨緯度的降低逐漸升高，在滿足數(shù)據(jù)中心功能和市場(chǎng)要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮在哈爾濱等嚴(yán)寒地區(qū)建立大型數(shù)據(jù)中心，以便充分發(fā)揮區(qū)域性氣候優(yōu)勢(shì)，減少制冷系統(tǒng)的整體負(fù)荷。

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（作者單位：新地能源工程技術(shù)有限公司）