李永飛

卓展工程顧問（北京）有限公司上海分公司

0 引言

近年來，隨著云技術(shù)的井噴式發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已成為像交通、能源一樣的基礎(chǔ)設(shè)施，更被形象的成為“新基建”。2010-2019 年，全球數(shù)據(jù)中心增長率接近20%[1]，從2012 年至2020 年，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心始終保持著以30%左右的高速增長[2]。連續(xù)八年國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的耗電量以超過12%的速度增長，其中2018 年數(shù)據(jù)中心總耗電量高達(dá)1608.89 億kWh，占全國社會用電量的2.35%，為上海市2018 年全市用電量之和[3]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)每年用于數(shù)據(jù)服務(wù)器的電能和冷卻的投資超過20 億美元[4]，而空調(diào)系統(tǒng)耗電量占據(jù)數(shù)據(jù)中心耗電量的40%左右[5-6]。

如何解決數(shù)據(jù)中心高能耗，將成為推動數(shù)據(jù)中心市場發(fā)展的主要動力。而數(shù)據(jù)中心的組成應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及設(shè)備具體要求確定，宜由主機(jī)房、輔助區(qū)、支持區(qū)、行政管理區(qū)等功能區(qū)組成[7]。作為一個完整的業(yè)態(tài)系統(tǒng)，如何協(xié)調(diào)好各區(qū)域之間的能源相互利用以及如何進(jìn)行節(jié)能降耗，為本次設(shè)計的一個突出特點(diǎn)，利用主機(jī)房區(qū)余熱為其他區(qū)域冬季采暖使用，實現(xiàn)可持續(xù)的良性循環(huán)。

1 項目概況

本項目用地性質(zhì)為一類工業(yè)用地，規(guī)劃用地面積78238.10 m2，總建筑面積98836.10 m2，包括1 號樓—運(yùn)營管控樓及綜合樓，2 號樓—數(shù)據(jù)機(jī)房，冷凍站及ECC 和3 號樓—柴發(fā)動力樓及110 kV 用戶站。其中2號樓數(shù)據(jù)機(jī)房擬根據(jù)業(yè)務(wù)擴(kuò)展情況分四期投入使用。

2 設(shè)計參數(shù)

室外氣象參數(shù)，以及室內(nèi)相關(guān)設(shè)計參數(shù)詳見表1～4。

表1 室外氣象參數(shù)[8]

表2 室外極端設(shè)計參數(shù)[9]

表3 輔助、支持區(qū)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

表4 機(jī)房區(qū)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

3 冷熱源系統(tǒng)設(shè)計

3.1 運(yùn)營管控樓及綜合樓

運(yùn)營管控樓及綜合樓的空調(diào)系統(tǒng)冷熱源采用電動壓縮式水源熱泵機(jī)組，選用3 臺制冷量為1160 kW，制熱量為1460 kW 的螺桿式水源熱泵機(jī)組，設(shè)置在地下一層冷凍機(jī)房。制冷時，水源熱泵機(jī)組通過冷卻塔散熱，選用3 臺處理水量為330 m3/h 的閉式冷卻水塔，冷卻塔設(shè)置在運(yùn)營管控樓屋面。制熱時，水源熱泵機(jī)組通過回收數(shù)據(jù)機(jī)房的余熱制備空調(diào)熱水。

消防控制室、變電所、運(yùn)營商機(jī)房、值班室等采用分體空調(diào)系統(tǒng)。門廳、員工餐廳、二層大空間廠區(qū)管控室等場所采用全空氣低速風(fēng)管空調(diào)系統(tǒng)，送風(fēng)方式根據(jù)不同空間條件及使用需要采用頂送的送風(fēng)方式，回風(fēng)采用集中回風(fēng)。公寓宿舍、小會議室等采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)機(jī)房

D1 樓一期工程與二期工程的冷源分別獨(dú)立設(shè)置。D2 樓的冷源獨(dú)立設(shè)置，預(yù)留土建條件。

D1 樓一期工程、二期工程的冷源系統(tǒng)均采用2N設(shè)計。A 路冷源采用水冷式冷凍水系統(tǒng)，并設(shè)置冷卻塔自然冷卻。D1 樓一期工程及二期工程的A 路冷源均選用3 臺制冷量為3868 kW 的變頻離心式冷水機(jī)組。機(jī)組的冷凍水進(jìn)/出水溫按18/12 ℃設(shè)計，冷卻塔按夏季極端最高濕球溫度30.1 ℃、進(jìn)/ 出水溫度39.0/33.0 ℃選型。B 路冷源采用風(fēng)冷式冷凍水系統(tǒng)。D1 樓一期及二期的B 路冷源均選用8 臺制冷量為1290 kW/臺的螺桿式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組。機(jī)組的冷凍水進(jìn)/出水溫按18/12 ℃設(shè)計，按夏季極端最高干球溫度39.4 ℃選型，并能在冬季極端溫度下正常運(yùn)行。

連續(xù)制冷設(shè)計：為了防止因制冷中斷，導(dǎo)致機(jī)房溫度快速上升，而引起IT 設(shè)備故障。A、B 路冷凍水系統(tǒng)中均設(shè)置了水蓄冷裝置，蓄冷量均按不小于不間斷電源的供電時間15 分鐘設(shè)計。D1 樓一期工程及二期工程的A、B 路冷凍水系統(tǒng)各選用2 臺225 m3的閉式蓄冷罐，系統(tǒng)正常運(yùn)行時，維持蓄冷罐溫度，在斷電等緊急情況下可快速切換至蓄冷裝置供冷。

數(shù)據(jù)機(jī)房的新風(fēng)空調(diào)機(jī)組設(shè)置兩級冷凍水盤管，一級盤管接A 路冷源，二級盤管接獨(dú)立的風(fēng)冷模塊機(jī)組進(jìn)一步除濕。D1 樓一期工程選用5 臺制冷量為120 kW/臺的渦旋式風(fēng)冷模塊機(jī)組，二期工程選用4臺制冷量為120 kW/臺的渦旋式風(fēng)冷模塊機(jī)組。

模塊機(jī)房采用下送風(fēng)型機(jī)房專用精密空調(diào)機(jī)組，下送風(fēng)上回風(fēng)，機(jī)組配置高效EC 風(fēng)機(jī)和G4 過濾器。模塊機(jī)房內(nèi)采用封閉熱通道隔離冷熱氣流，提高送、回風(fēng)溫度和制冷效率。機(jī)柜面對面、背對背成組布置，機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組和機(jī)架的行列成垂直式排布。精密空調(diào)機(jī)組送風(fēng)進(jìn)入活動地板靜壓箱，通過地板開孔格出風(fēng)口送至機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面，經(jīng)機(jī)柜帶走熱量后排至機(jī)柜背面的熱通道，由機(jī)房吊頂回至精密空調(diào)間內(nèi)的精密機(jī)組上部回風(fēng)口。地板開孔格柵采用可調(diào)節(jié)型。

3.3 運(yùn)管樓

ECC 樓24 小時運(yùn)行，采用獨(dú)立冷熱源的變制冷劑流量多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)按區(qū)域、樓層合理劃分，避免冷媒管超長并減少冷量衰減。室外機(jī)設(shè)置在ECC樓屋面，冷媒管豎向通過管井分配至各個樓層。一層UPS 機(jī)房和電池室采用獨(dú)立冷源的風(fēng)冷直膨式機(jī)房專用精密空調(diào)機(jī)組。指揮大廳、日常辦公、參觀展覽、門廳、電梯廳等區(qū)域采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)加新風(fēng)系統(tǒng)。

3.4 柴發(fā)動力樓及110 kV 用戶站

控制室、值班室、繼保室、電容器室、電抗器室等采用獨(dú)立冷熱源的多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)或分體空調(diào)系統(tǒng)。室內(nèi)機(jī)、冷媒管、冷凝水管避開電氣設(shè)備上方布置，以防止可能的漏水隱患。

4 節(jié)能分析

4.1 不同開機(jī)策略實現(xiàn)最大節(jié)能

正常運(yùn)行時，A 路冷凍水供水設(shè)定為12 ℃，群控系統(tǒng)根據(jù)室外濕球溫度，實現(xiàn)“完全機(jī)械制冷”、“部分自然冷卻”、“完全自然冷卻”三種運(yùn)行模式的自動切換。設(shè)計理論切換濕球溫度：ts＞12 ℃，完全機(jī)械制冷模式；6＜ts≤12 ℃，部分自然冷卻模式；ts≤6 ℃，完全自然冷卻模式。模式轉(zhuǎn)換應(yīng)根據(jù)室外濕球溫度及穩(wěn)定性、冷水機(jī)組、冷卻塔、板式換熱器、水泵等設(shè)備運(yùn)行狀況綜合確定。

正常運(yùn)行時，B 路冷凍水供水設(shè)定為12 ℃，群控系統(tǒng)根據(jù)室外干球溫度，實現(xiàn)“完全機(jī)械制冷”、“部分自然冷卻”、“完全自然冷卻”三種運(yùn)行模式的自動切換。設(shè)計理論切換干球溫度：tg＞16 ℃，完全機(jī)械制冷模式；2＜tg≤16 ℃，部分自然冷卻模式；tg≤2 ℃，完全自然冷卻模式。模式轉(zhuǎn)換應(yīng)根據(jù)室外干球溫度及穩(wěn)定性、冷水機(jī)組、水泵等設(shè)備運(yùn)行狀況綜合確定。

利用華電源軟件導(dǎo)出逐時氣象參數(shù)，具體詳見圖1 和圖2。通過對于不同溫度的統(tǒng)計，得出A 路和B 路冷源的運(yùn)行策略，詳見表5：

圖1 室外濕球溫度逐時分布圖

圖2 室外干球溫度逐時分布圖

表5 主機(jī)運(yùn)行策略

從表5 可知，A 路完全自然冷卻的時間占全部時間的18.1%，部分自然冷卻的時間占全部時間的21.9%。B 路完全自然冷卻的時間占全部時間的4.9%，部分自然冷卻的時間占全部時間的40.8%。綜合自然冷卻時間占全部工作時間的11.5%左右。

4.2 模塊機(jī)房熱回收利用

鑒于數(shù)據(jù)機(jī)房常年有大量機(jī)房余熱可以利用，常規(guī)數(shù)據(jù)中心都是直接通過自然冷卻塔間接排至室外，而本項目運(yùn)營管控樓及綜合樓空調(diào)冷、熱源均采用水源熱泵機(jī)組，制冷系統(tǒng)冷卻采用常規(guī)冷卻塔冷卻，制熱時回收模塊機(jī)房的余熱（中溫水），通過水源熱泵機(jī)組制備高溫水供空調(diào)系統(tǒng)使用，系統(tǒng)圖詳見圖3。

圖3 水源熱泵余熱回收系統(tǒng)示意圖

該設(shè)計的主要優(yōu)點(diǎn)，回收機(jī)房余熱，節(jié)能環(huán)保，綜合系統(tǒng)效率高，降低運(yùn)行費(fèi)用。項目投運(yùn)初期熱回收量受機(jī)柜投用數(shù)量影響，設(shè)備初投資略高。根據(jù)負(fù)荷計算運(yùn)營管控和綜合樓熱負(fù)荷需求1700 kW，如按平均發(fā)熱量6 kW/機(jī)柜計算，本項目理論上只需10.9%機(jī)柜數(shù)量運(yùn)行即可完全滿足運(yùn)營管控樓及綜合樓的冬季供熱需求。從而降低了運(yùn)行費(fèi)用，提升了項目的節(jié)能環(huán)保水平。

4.3 自然冷卻

本項目其中一路冷源采用螺桿式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組，更具室外溫度適時開啟自然冷卻模式，降低運(yùn)行費(fèi)用，具體運(yùn)行策略參考4.1；另冷機(jī)房內(nèi)設(shè)置免費(fèi)板換系統(tǒng)，過渡季節(jié)使用。

4.4 蓄冷罐節(jié)能措施

采用有蓄冷能力的制冷系統(tǒng)后，有削峰填谷的潛力，即在電價高時少用或不用電，把蓄存的能量釋放出來使用，而在電價低時多用電，把制得的冷或熱量儲存起來。同時考慮本項目供電資源豐富，充分利用蓄冷系統(tǒng)，可最大程度上實現(xiàn)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用之目的。根據(jù)當(dāng)?shù)胤骞入妰r政策，峰谷時段的電價比可達(dá)3.3:1，此每年節(jié)省的運(yùn)行電費(fèi)約2.01%左右。

5 結(jié)語

鑒于近些近數(shù)據(jù)機(jī)房的新擴(kuò)建工程越來越多，國家對于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能要求越來越高，本文就項目的自身特點(diǎn)，采用自然冷卻運(yùn)用自然冷卻系統(tǒng)，減少機(jī)械制冷運(yùn)行時間，降低能耗。

1）根據(jù)室外干濕球溫度的變化，實現(xiàn)自然冷卻、機(jī)械冷卻的靈活切換，對于A、B 環(huán)路，完全自然冷卻的時間占全部時間分別達(dá)18.1%和4.9%，部分自然冷卻的時間占全部時間的21.9%和40.8%。綜合自然冷卻時間占全部工作時間的11.5%左右。

2）采用熱回收技術(shù)，充分利用數(shù)據(jù)機(jī)房的余熱以滿足生活區(qū)的熱負(fù)荷。

3）采用水蓄冷技術(shù)，以降低制冷系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)。