顏曉光

（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司 北京 100041）

0 前言

數(shù)據(jù)中心全年運(yùn)行，冷卻系統(tǒng)耗能較大，冷卻方案的設(shè)置一直是行業(yè)研究的重點(diǎn)，對于大型數(shù)據(jù)中心，制冷設(shè)備普遍采用冷水機(jī)組+板式換熱器+冷卻塔的組合，根據(jù)氣候條件，通過調(diào)節(jié)管路閥門實(shí)現(xiàn)完全壓縮制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻的運(yùn)行模式（見表1），充分利用自然冷卻，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗及費(fèi)用。數(shù)據(jù)中心余熱量大，通過設(shè)置熱回收系統(tǒng)回收其熱量用于冬季供暖，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

表1 不同運(yùn)行說明Table 1 Description of different operation modes of air conditioner

本文以首鋼園區(qū)數(shù)據(jù)中心為例，介紹了其空調(diào)冷熱源方案，其采用冷卻塔間接供冷系統(tǒng)，并設(shè)置了調(diào)峰蓄冷水罐及余熱回收系統(tǒng)。以選定的空調(diào)冷熱源方案為研究對象，計(jì)算分析了其全年能耗情況，并根據(jù)當(dāng)前分階段電價(jià)計(jì)算分析了其水蓄冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，對比分析了采用余熱回收系統(tǒng)和市政熱網(wǎng)供熱方案的初投資和運(yùn)行費(fèi)用。

1 空調(diào)負(fù)荷及系統(tǒng)的劃分

本項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)為北京首鋼園區(qū)內(nèi)，工程承擔(dān)著冬奧會核心技術(shù)系統(tǒng)運(yùn)行、測試、安裝和指揮等功能，是北京冬奧會信息系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。項(xiàng)目總建筑面積約13473.40m2，地下1層，主要為配電室和制冷機(jī)房及鋼瓶間等；地上2層，北側(cè)地上1層、2層均為數(shù)據(jù)機(jī)房，南側(cè)地上1層、2層為PNC、TER機(jī)房、運(yùn)營商接入間、辦公會議室等，機(jī)架總數(shù)量1852臺，機(jī)房級別為A級。

數(shù)據(jù)機(jī)房采用地板下送風(fēng)+封閉冷通道的形式，封閉冷通道內(nèi)地板送風(fēng)口開孔率不小于60%，并配風(fēng)口調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)送風(fēng)量。為滿足數(shù)據(jù)機(jī)房與走道5Pa正壓要求，數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)機(jī)組設(shè)置在各空調(diào)機(jī)房；新風(fēng)由室外引入并經(jīng)凈化處理（板式G4+微靜電），夏季新風(fēng)處理至室內(nèi)空調(diào)狀態(tài)點(diǎn)等焓值后送入空調(diào)機(jī)房，冬季新風(fēng)處理至高于室內(nèi)空調(diào)露點(diǎn)溫度1℃后送入空調(diào)機(jī)房。各場所室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)中心室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Indoor environment design parameters of data center

表3為數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷熱負(fù)荷計(jì)算表，工藝性空調(diào)為數(shù)據(jù)機(jī)房、電力機(jī)房、變配電室等全年供冷，工藝空調(diào)冷負(fù)荷中有9220kW由集中水冷空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)，剩余515kW由分散式風(fēng)冷精密空調(diào)承擔(dān)。機(jī)房新風(fēng)及部分舒適性空調(diào)的冷/熱負(fù)荷由水源熱泵機(jī)組承擔(dān)，水源熱泵機(jī)組供熱時(shí)回收數(shù)據(jù)機(jī)房的余熱，共承擔(dān)冷負(fù)荷600kW，熱負(fù)荷690kW，其余由多聯(lián)式空調(diào)承擔(dān)。

表3 數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表Table 3 Cooling and heating load statistics of air conditioning in data center

2 制冷空調(diào)方案

2.1 工藝空調(diào)系統(tǒng)

為充分利用自然冷源，降低全年運(yùn)行能耗，本數(shù)據(jù)中心工藝空調(diào)冷源采用大型數(shù)據(jù)中心常用的冷卻塔+板式換熱器+冷水機(jī)組的組合形式，該種組合形式在室外溫度較高時(shí)，完全由制冷機(jī)組冷卻空調(diào)回水（完全機(jī)械制冷），可發(fā)揮水冷機(jī)組性能系數(shù)高的優(yōu)勢；當(dāng)室外溫度較低時(shí)，可先利用冷卻塔預(yù)冷空調(diào)冷水回水再經(jīng)制冷機(jī)組制冷（部分自然冷卻），節(jié)省部分機(jī)組能耗；當(dāng)室外溫度較低時(shí)，可停止冷水機(jī)組，完全利用冷卻塔冷卻空調(diào)冷水回水至供水溫度（完全自然冷卻），節(jié)省能耗。

由于數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)冷負(fù)荷以顯冷負(fù)荷為主，約占總冷負(fù)荷的95%；同時(shí)，為延長全年自然冷卻時(shí)間，減少制冷機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，工藝空調(diào)冷凍水供水溫度應(yīng)適當(dāng)提高。本工藝空調(diào)冷凍水設(shè)計(jì)供回水溫度為12/18℃，系統(tǒng)通過閥門的切換可實(shí)現(xiàn)完全自然冷卻、部分自然冷卻、完全機(jī)械制冷的運(yùn)行工況，三種工況切換由自控系統(tǒng)完成，不同工況的運(yùn)行條件見表4。冷卻塔設(shè)計(jì)除滿足夏季空調(diào)需要外還須滿足表4中完全自然冷卻時(shí)的需要，其中運(yùn)行時(shí)間按照北京市全年濕球溫度分布計(jì)算。冷水機(jī)組選用4臺變頻離心機(jī)組，其中1臺為備用且為雙工況冷水機(jī)組，用于水蓄冷系統(tǒng)。板式換熱器換熱溫差1.5℃，并預(yù)留10%的裕量。

表4 工藝空調(diào)不同運(yùn)行工況的條件Table 4 Different operating conditions of process air conditioner

冷凍水系統(tǒng)采用兩管制二級泵系統(tǒng)，一級泵與冷水機(jī)組一一對應(yīng)，一級泵、二級泵均采用變頻水泵；冷卻塔、冷卻水泵、冷水機(jī)組及板式換熱器一一對應(yīng)，冷卻水泵采用變頻泵。冷凍水管網(wǎng)及冷卻水管網(wǎng)均布置為環(huán)狀，設(shè)置必要的閥門以保證單點(diǎn)故障時(shí)系統(tǒng)正常運(yùn)行，詳見圖1及表6。

2.2 水蓄冷系統(tǒng)

為充分利用北京市峰谷電價(jià)政策并提高備用主機(jī)的利用率，本工程設(shè)置調(diào)峰水蓄冷系統(tǒng)，在夜間谷電時(shí)段（23:00～7:00）利用備用主機(jī)進(jìn)行蓄冷，在日間峰值（尖峰）電價(jià)時(shí)段（11:00～13:00）進(jìn)行釋冷，并始終保留15min應(yīng)急供冷量。設(shè)計(jì)調(diào)峰蓄冷量為6500RTh，應(yīng)急蓄冷量為700RTh，總蓄冷量為7200RTh。在冷水機(jī)組不運(yùn)行的情況下，調(diào)峰蓄冷量可滿足數(shù)據(jù)中心滿負(fù)荷運(yùn)行工況下約2.3h的運(yùn)行時(shí)間。

蓄冷冷源由備用冷水機(jī)組提供，空調(diào)工況制冷量980RT，供回水溫度12/18℃；蓄冷工況制冷量800RT，供回水溫度4/12℃。為保證冷水機(jī)組的安全運(yùn)行，夜間蓄冷過程分為兩個(gè)循環(huán)，第一循環(huán)將蓄冷罐內(nèi)水溫由18℃降至12℃，第二循環(huán)將蓄冷罐內(nèi)水溫由12℃降至4℃。共設(shè)置3座外徑8m、高15m的蓄冷水罐，總有效容積為1800m3。

蓄冷水罐釋冷時(shí)，蓄冷罐內(nèi)低溫冷水與冷凍水回水混合，提供12℃的冷凍水供水。當(dāng)系統(tǒng)處于部分自然冷卻模式時(shí)，若冷水機(jī)組承擔(dān)負(fù)荷較小無法開機(jī)時(shí)，可由蓄冷系統(tǒng)與冷卻塔進(jìn)行聯(lián)合供冷，有效延長完全自然冷卻供冷時(shí)間。冬季完全自然冷卻工況時(shí)，將蓄冷溫度調(diào)節(jié)至12℃，滿足15min應(yīng)急供冷所需冷量。

2.3 舒適性空調(diào)及熱回收系統(tǒng)

為解決機(jī)房新風(fēng)及舒適性空調(diào)的冷/熱負(fù)荷，設(shè)置水源熱泵機(jī)組2臺，對應(yīng)配備2臺冷卻塔。夏季供冷時(shí)冷卻塔和水源熱泵機(jī)組工作，冷凍水供回水溫度為7/12℃；冬季供熱時(shí)，通過水源熱泵機(jī)組回收機(jī)房余熱，熱水供回水溫度60/50℃。單臺水源熱泵機(jī)組制熱量滿足60%設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的需要，舒適性空調(diào)夜間低負(fù)荷時(shí)僅開啟1臺水源熱泵機(jī)組。

冷凍水（熱水）采用一級泵變頻變流量系統(tǒng)，并采用共用集管連接方式，供回水總管之間設(shè)置旁電動(dòng)壓差旁通調(diào)節(jié)閥，設(shè)計(jì)流量為單臺機(jī)組允許最小流量。

2.4 主要設(shè)備配置及工藝流程

工藝空調(diào)冷源設(shè)備按N+1模式設(shè)置，以保證A級電子信息機(jī)房的冗余量要求。主要設(shè)備選型參數(shù)如表5所示。圖1為系統(tǒng)流程圖，表6為不同運(yùn)行模式時(shí)閥門的狀態(tài)。

表6 不同運(yùn)行模式閥門狀態(tài)Table 6 Valve status under different operation modes

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flow chart

表5 主要設(shè)備性能參數(shù)Table 5 Main equipment performance parameters

3 能源消耗預(yù)測

數(shù)據(jù)機(jī)房能耗按其滿負(fù)荷運(yùn)行計(jì)算，工藝性空調(diào)三種運(yùn)行模式及運(yùn)行時(shí)間如表4所示，冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)（COPn）變化如圖2所示，計(jì)算冷水機(jī)組能耗時(shí)按圖2考慮性能變化的影響。冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔等按額定功率計(jì)算，不考慮實(shí)際運(yùn)行中冷卻塔風(fēng)機(jī)的調(diào)整，板式換熱器的換熱溫差按1.5℃計(jì)算。基于上述計(jì)算條件，在不考慮熱回收機(jī)組及蓄冷裝置運(yùn)行的情況下，工藝性空調(diào)冷源系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗如表7所示。

圖2 不同工況冷水機(jī)組COP 變化Fig.2 Cop change of chillers under different working conditions

從表4及表7中可以看出，完全壓縮制冷模式運(yùn)行時(shí)間占全年運(yùn)行時(shí)間的54.56%，但其能耗占全年運(yùn)行總能耗的73.95%；完全自然冷卻運(yùn)行時(shí)間占全年運(yùn)行時(shí)間的30.25%，其能耗占全年運(yùn)行總能耗的13.12%。說明完全壓縮制冷運(yùn)行模式的能耗遠(yuǎn)大于完全自然冷卻模式，延長完全自然冷卻的運(yùn)行時(shí)間是降低運(yùn)行能耗的有效措施。

熱回收機(jī)組為數(shù)據(jù)機(jī)房新風(fēng)機(jī)組提供冷熱源，運(yùn)行時(shí)間與新風(fēng)參數(shù)有關(guān)。夏季時(shí)新風(fēng)處理至室內(nèi)焓值，理論上當(dāng)室外新風(fēng)焓值大于室內(nèi)焓值時(shí)，需要對新風(fēng)進(jìn)行冷卻，熱回收機(jī)組制冷模式運(yùn)行，本文近似按室外干球溫度大于24℃時(shí)需要熱回收機(jī)組制冷，綜合考慮舒適性空調(diào)的運(yùn)行需求，全年制冷運(yùn)行時(shí)間約3850h。冬季運(yùn)行時(shí)間按北京市采暖季時(shí)間計(jì)算，運(yùn)行時(shí)間2880h。

機(jī)房設(shè)計(jì)新風(fēng)冷負(fù)荷占熱回收機(jī)組承擔(dān)的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的48%，機(jī)房設(shè)計(jì)新風(fēng)熱負(fù)荷占熱回收機(jī)組承擔(dān)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的58%，考慮室外新風(fēng)參數(shù)的變化因素，機(jī)房新風(fēng)冷熱源系統(tǒng)能耗按1臺熱回收機(jī)機(jī)組及對應(yīng)的冷卻水泵、冷凍水泵及冷卻塔計(jì)算。計(jì)算得出機(jī)房的全年制冷電耗：340725kWh，全年制熱電耗：336182kWh。

數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)末端及新風(fēng)處理機(jī)總功率879kW，全年運(yùn)行8760h，全年運(yùn)行總電耗為7700040kWh。數(shù)據(jù)機(jī)房制冷空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行電耗統(tǒng)計(jì)如表8所示。

表8 數(shù)據(jù)機(jī)房制冷空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行電耗統(tǒng)計(jì)Table 8 Annual power consumption statistics of refrigeration and air conditioning system in data room

數(shù)據(jù)中心PUE是數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗之比，總能耗包括IT設(shè)備能耗、空調(diào)系統(tǒng)能耗、電力系統(tǒng)損耗及安防設(shè)備等其他能耗。IT設(shè)備100%滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，IT設(shè)備總功耗7450kW，電力系統(tǒng)及其他損耗700kW，全年運(yùn)行總電耗如表9所示，計(jì)算得PUE值為1.40。

表9 數(shù)據(jù)機(jī)房全年運(yùn)行電耗統(tǒng)計(jì)Table 9 Annual power consumption statistics of data room

4 效益分析

4.1 水蓄冷系統(tǒng)

該數(shù)據(jù)中心位于北京城區(qū)，用電屬于一般工商業(yè)用電，其用電銷售價(jià)格如表10所示。本工程蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)單獨(dú)供冷時(shí)間為2.3h，并預(yù)留15Min的應(yīng)急供冷量，主要考慮在尖峰時(shí)段和高峰時(shí)段投入使用，降低運(yùn)行費(fèi)用。本文將著重分析設(shè)置蓄冷后的運(yùn)行費(fèi)用，并與不設(shè)置蓄冷（僅考慮應(yīng)急蓄冷）的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對比。為便于分析，僅按水蓄冷自由支配冷量6500RTh的能耗計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用。為保證冷機(jī)蒸發(fā)器流量，夜間蓄冷分為兩個(gè)循環(huán)（各4h），第一循環(huán)將水溫由18℃降至12℃，第二循環(huán)將水溫由12℃降至4℃。

表10 北京城區(qū)1～10kV 一般工商業(yè)用電銷售電價(jià)表Table 10 Sales price of 1～10kV general industrial and commercial electricity in Beijing urban area

表11為有蓄冷和無蓄冷時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用對照表，完全機(jī)械制冷模式下，無蓄冷時(shí)尖峰和高峰時(shí)段電費(fèi)為1349872.34元，設(shè)置蓄冷后尖峰和高峰時(shí)段電費(fèi)及谷段蓄冷電費(fèi)總計(jì)為496142.68元，設(shè)置蓄冷后每年預(yù)計(jì)可節(jié)省電費(fèi)853729.65元。

表11 有無蓄冷時(shí)運(yùn)行費(fèi)用對比Table 11 Comparison of operating costs with and without cold storage

數(shù)據(jù)中心無蓄冷時(shí)，需要設(shè)置應(yīng)急蓄冷水罐，儲存15min的應(yīng)急供冷量，需要設(shè)置容積200m3的蓄冷罐1座，與設(shè)置水蓄冷相比的初投資、運(yùn)行費(fèi)用及靜態(tài)投資回收期如表12所示。

表12 蓄冷裝置初投資及靜態(tài)投資回收期Table 12 Initial investment and static investment payback period of cold storage unit

4.2 余熱回收系統(tǒng)

本數(shù)據(jù)中心設(shè)置余熱回收水源熱泵機(jī)組，回收數(shù)據(jù)中心的余熱用于數(shù)據(jù)中心新風(fēng)熱負(fù)荷及辦公場所的采暖，熱回收機(jī)組承擔(dān)的采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷290kW，機(jī)房新風(fēng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷400kW。新風(fēng)熱負(fù)荷全天運(yùn)行24h；辦公樓采暖熱負(fù)荷全天進(jìn)行12h，并考慮間歇系數(shù)1.2，年運(yùn)行天數(shù)120天（11月15日至次年3月15日），負(fù)荷率按常規(guī)進(jìn)行估算。辦公樓不供暖時(shí)段1臺水源熱泵運(yùn)行，滿足機(jī)房新風(fēng)負(fù)荷。

根據(jù)北京市供暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，市政熱網(wǎng)收費(fèi)分為基本熱價(jià)和計(jì)量熱價(jià)，非居民基本熱價(jià)為18元/m2，計(jì)量熱價(jià)為0.36元/kWh，不含數(shù)據(jù)機(jī)房的供暖面積約6000m2，計(jì)算基本熱價(jià)時(shí)未包含數(shù)據(jù)機(jī)房面積。計(jì)算水源熱泵電耗時(shí)，COP按4.6考慮，電費(fèi)單價(jià)按本文表10中分階段電價(jià)考慮，辦公供暖時(shí)間8:00至20:00，加權(quán)計(jì)算后電價(jià)為1.0549元/kWh；數(shù)據(jù)機(jī)房全天24h運(yùn)行，加權(quán)計(jì)算后電價(jià)為0.7694元/kWh。運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算結(jié)果見表13，由于兩種方案流體輸配系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用差距較小，為便于比較，表13中未包含流體輸配系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

表13 市政熱網(wǎng)供熱與余熱回收系統(tǒng)供熱運(yùn)行費(fèi)用對比Table 13 Comparison of heating operation cost between municipal heating network and waste heat recovery system

根據(jù)表13運(yùn)行費(fèi)用的對比，采用余熱回收系統(tǒng)供暖后，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約59萬元，并可節(jié)省工藝空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔、冷卻泵的部分運(yùn)行能耗。

若采用城市熱網(wǎng)供暖需要建設(shè)換熱站，增加換熱器、水泵等設(shè)備，并需要架設(shè)一次熱水管線，且仍需要設(shè)置冷水機(jī)組滿足夏季空調(diào)負(fù)荷。余熱回收系統(tǒng)通過采用水源熱泵機(jī)組代替冷水機(jī)組，實(shí)現(xiàn)夏季供冷冬季供熱，相比新建換熱站預(yù)計(jì)將節(jié)省初投資約111萬元，預(yù)計(jì)初投資詳如表14所示。

表14 市政供熱與余熱回收系統(tǒng)初投資對比Table 14 Comparison of initial investment of municipal heating and waste heat recovery system

5 結(jié)語

（1）數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)采用完全壓縮制冷時(shí)的能耗遠(yuǎn)大于完全自然冷卻時(shí)的能耗。延長完全自然冷卻的運(yùn)行時(shí)間，并減少完全壓縮制冷的運(yùn)行時(shí)間，是降低數(shù)據(jù)中心冷卻能耗的主要方向?？刹扇√岣呃鋬鏊┧疁囟燃凹哟罄鋮s塔冷卻能力等措施實(shí)現(xiàn)。

（2）數(shù)據(jù)中心全年不間斷運(yùn)行，空調(diào)冷負(fù)荷較為穩(wěn)定，設(shè)置水蓄冷系統(tǒng)，夜間谷段蓄冷，日間尖峰和高峰時(shí)段釋冷，能有效降低運(yùn)行費(fèi)用。以本文中的項(xiàng)目為例，通過儲存數(shù)據(jù)中心2.3h的冷量，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約85萬元，靜態(tài)投資回收期5.48年，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

（3）回收數(shù)據(jù)中心的余熱用于機(jī)房新風(fēng)處理及輔助辦公建筑的供暖，能降低能源消耗。以本文中的項(xiàng)目為例，與采用市政熱網(wǎng)供熱相比初投資低，運(yùn)行費(fèi)用也低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，值得推廣應(yīng)用。