姜 寧

中國移動江蘇公司南京分公司

0 引言

目前，4G技術已經全面普及，并逐步向5G技術過渡，隨之而來的是數據中心大規(guī)模的建設。眾所周知，數據中心具有高能耗的特點，而數據中心的耗能主要由信息設備、空調系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及其他功能配套系統(tǒng)四部分組成。在傳統(tǒng)數據中心運行中，空調系統(tǒng)能耗約占數據中心總能耗的40%，所以隨著空調技術日益更新，降低數據中心能耗，打造綠色節(jié)能數據中心已逐漸從設想變?yōu)楝F實。目前，越來越多的數據中心在建設時放棄傳統(tǒng)的直膨式風冷機房空調，采用水冷機房空調或間接蒸發(fā)冷機房空調，以追求更低的PUE值。

另一方面，隨著社會經濟的發(fā)展，人們對于電力的需求越來越大，電力供應矛盾愈加突出。2010年11月，發(fā)展改革委、電監(jiān)會等六部委聯合印發(fā)《電力需求側管理辦法》，針對電力需求側提出了十六項定性或定量的管理和激勵措施，其中提到“將推動并完善峰谷電價制度，鼓勵低谷蓄能”等內容，并于2011年1月1日起實施。那么，如果數據中心空調系統(tǒng)可以充分利用谷電運行，在降低數據中心能耗同時，還可以大幅度減少數據中心的運行費用。所以本文以南京市溧水區(qū)某數據中心空調系統(tǒng)實踐情況為例，進行后備冷源蓄冷系統(tǒng)節(jié)能運用的分析。

1 后備冷源蓄冷節(jié)能運用分析

大型數據中心大多選用承壓水罐作為災備的應急冷源，為了更好的提高數據中心中央空調的能效比，充分利用現有的設備（或者新增部分設備），通過制定合理的水蓄冷運行策略，改變原有的運行模式，利用現有的峰谷的電價差，降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)的綜合COP值，具有現實意義。一般而言，數據中心的設備負荷加載是個漸進過程，數據中心運行初期，蓄冷系統(tǒng)完全可以考慮用于節(jié)能運行，其運行模式為“谷段及平段電價時蓄冷，峰段電價時放冷”，模式如圖1所示。

圖1 蓄冷系統(tǒng)運行模式

以江蘇移動某數據中心機房樓為例，該機房樓位于南京市溧水區(qū)，其中一期工程建筑面積10000平方米，地上五層，其中首層主要作機電設備用房，二層機房備用，三至五層作數據機房使用。冷凍水機組選用六臺自然冷源風冷螺桿冷水機組，冷水機組安裝在樓頂天面。為防止市政電網斷電影響數據機房正常運行，機房選用1個60m3蓄冷罐作為后備冷源。具體設備參數詳見表一。

1.1 實際運行與分析

自2016年起，工作人員開始對蓄冷罐進行有效利用，以減少系統(tǒng)的運行費用，對該運用模式的節(jié)能性進行了探索。

蓄冷罐放冷初始溫度為7℃，經過長時間節(jié)能運行測試得出終止溫度為14℃，機房溫度未有明顯波動，比熱容取4.187,那么蓄冷及放冷冷量為：

其中，C是比熱容； M是物質質量；ΔT是進出水溫差。

現有的設備情況如表1所示。

表1 設備情況

2016年南京市峰谷電價政策如表2。

表2 南京市峰谷電價

設備及耗電情況如表3。

表3 設備及耗電情況

蓄冷節(jié)能運行的具體操作流程為晚間低谷電價0:00～8:00期間運行27.91分鐘蓄冷；8:00～12:00期間運行39.08分鐘放冷；12:00～17:00電價為平段時運行27.91分鐘進行蓄冷；晚間17:00～21:00期間運行39.08分鐘放冷。

(1)蓄冷節(jié)能運行費用為一次谷段蓄冷、一次平段蓄冷和兩次峰段放冷運行費用之和：谷（主機+冷凍泵）+平（主機+冷凍泵）+峰（放冷泵+放冷泵）

(2)常規(guī)工況運行費用相當于兩次峰段蓄冷費用之和，為：峰（主機+冷凍泵）*2

(3) 蓄冷節(jié)能運行模式下節(jié)省的運行費用為：

(4) 年蓄冷節(jié)能運行模式下節(jié)省的運行費用為：

為實現蓄冷時停止一套主機運行的功能，在系統(tǒng)中還需增加一套閥門，如圖2所示。

圖2 主機系統(tǒng)圖

如上文所述，由于蓄冷水罐容積比較小，每天蓄冷放冷時間僅有27.91分鐘×2=55.82分鐘，雖然每天放冷2次，利用低谷電、平段電進行蓄冷，但是每年節(jié)省的運行費用并不多。所以要節(jié)約更多費用,需要考慮增加蓄冷罐。

1.2 增加蓄冷水罐的可行性分析

考慮到數據中心需要安全可靠的運行，數據中心冷凍水主機多為冗余設計，按照現有備用冷機的蓄冷能力條件，如果要采用水蓄冷系統(tǒng)移峰填谷的功能，減少系統(tǒng)的運行費用，那么就需加大蓄冷水罐的容積。根據目前系統(tǒng)的情況，有一臺1050KW備用機組可改造成水蓄冷系統(tǒng)，那么蓄冷水罐的容積如表4所示。

表4 蓄冷水罐容積

蓄冷水罐增容后運行的具體操作流程為低谷電價0:00～8:00期間運行8小時，向兩個蓄冷水罐同時蓄冷；8:00～12:00期間運行4小時放冷；12:00～17:00平段電價運行5小時，向650 m3蓄冷水罐進行蓄冷；晚間17:00～21:00期間運行4小時放冷。

蓄冷節(jié)能運行費用為一次谷段蓄冷、一次平段蓄冷和兩次峰段放冷運行費用之和，即：

部分時段需啟用兩臺防冷泵，加快放冷。常規(guī)工況運行費用相當于兩次峰段蓄冷費用之和，即：

蓄冷節(jié)能運行模式下節(jié)省的運行費用為：

年蓄冷節(jié)能運行模式下節(jié)省的運行費用為：

根據目前數據機房運行現狀分析，數據機房的負載總是逐步增加的，如采用常規(guī)工況，難免出現大馬拉小車的情況，造成更大的能源浪費，運行費用也會更加高昂。若蓄冷罐增容，則可在全天使用谷、平段電價運行制冷系統(tǒng)，實現1500m3機房的供冷需求。

2 結論

本文對數據中心機房空調后備冷源蓄冷節(jié)能運用進行了分析，對其使用特點和可行性進行了歸納和總結，整理出一套切實可行的降低空調運行費用的方式方法。同時對南京移動某數據中心機房樓空調系統(tǒng)進行了改造分析，對空調系統(tǒng)節(jié)能改造進行了實踐及推論。

經過對江蘇移動南京分公司數據中心機房樓空調系統(tǒng)運行的實例分析，可以看出空調系統(tǒng)蓄冷節(jié)能運行，可大大降低運行費用，特別是投運前期(負荷輕時),具有良好的經濟效益，同時對國家電網電力資源峰、谷平衡做出了貢獻，體現了良好的社會價值。本文在對數據中心冷凍水空調運行提供參考的同時，希望對該節(jié)能運行模式進行交流與探討，特別是在放冷時，有二次泵系統(tǒng),在運行中涉及頻率、循環(huán)流量（蓄冷罐放冷流量），以及如何控制放冷時小于正常運行流量等問題。

以不降低制冷系統(tǒng)安全可靠性為原則，以節(jié)能降耗為目的，數據中心配置蓄冷系統(tǒng)，是目前積極探討并推廣的最佳節(jié)能運行模式之一。