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        數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施淺析

        2021-12-21 07:13:00潘志強(qiáng)李岑田志景姚新宇曹旭
        中國(guó)設(shè)備工程 2021年23期
        關(guān)鍵詞:冷源冷水機(jī)組機(jī)房

        潘志強(qiáng),李岑,田志景,姚新宇,曹旭

        (中郵建技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210012)

        數(shù)據(jù)中心使用的制冷系統(tǒng),其主要目的是為防止IDC機(jī)房服務(wù)器設(shè)備過(guò)熱,保證業(yè)務(wù)穩(wěn)定持續(xù)。按照多年來(lái)傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)的溫度設(shè)置,無(wú)論冬夏晝夜,空調(diào)溫度都基本統(tǒng)一設(shè)置在18~25℃甚至更低。通過(guò)對(duì)IDC機(jī)房用能組成現(xiàn)狀的調(diào)查統(tǒng)計(jì),并抽取典型IDC數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖1所示。

        圖1 IDC機(jī)房能耗分布圖

        從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到,空調(diào)和ICT設(shè)備的耗電占據(jù)了數(shù)據(jù)中心總耗電量的絕大部分,其中空調(diào)設(shè)備的耗電量占總耗電量的31%;通過(guò)進(jìn)一步分析空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備能耗發(fā)現(xiàn),冷水機(jī)組、循環(huán)水泵、空調(diào)末端是空調(diào)系統(tǒng)中主要耗電設(shè)備,占據(jù)空調(diào)系統(tǒng)整體能耗的97%。因此,降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗可以有效降低IDC數(shù)據(jù)中心PUE數(shù)值,本文主要針對(duì)提高機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度、優(yōu)化空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行策略、延長(zhǎng)使用自然冷源等節(jié)能措施展開討論。

        1 提升機(jī)房溫度

        1.1 溫度提升需要考慮的因素

        機(jī)房設(shè)備主要為通信設(shè)備和配套設(shè)備2類,通信設(shè)備通常為IT業(yè)務(wù)設(shè)備,配套設(shè)備有監(jiān)控傳輸、空調(diào)設(shè)備等。

        1.1.1 ICT設(shè)備

        ICT設(shè)備長(zhǎng)期正常工作溫度范圍為5~45℃,理論上只要機(jī)房環(huán)境溫度常年保持在15~35℃、濕度30%~80%,設(shè)備能夠正常穩(wěn)定工作,因此適當(dāng)提高機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)末端送風(fēng)(回風(fēng))溫度可以降低空調(diào)末端的能耗。

        1.1.2 傳輸監(jiān)控設(shè)備

        傳輸監(jiān)控設(shè)備長(zhǎng)期正常工作溫度范圍為0~45℃,濕度范圍為10%~90%。在保證傳輸設(shè)備正常工作的情況下,也可通過(guò)提高機(jī)房室內(nèi)溫度的措施,對(duì)空調(diào)末端設(shè)備進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行。

        1.2 提高空調(diào)末端送風(fēng)(回風(fēng))溫度

        目前IDC數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)溫度控制的方式主要由空調(diào)末端回風(fēng)溫度控制和送風(fēng)溫度控制兩種方式,兩者的區(qū)別在于參與控制的溫度采樣點(diǎn)位置的不同和運(yùn)行控制邏輯不同。

        若采用回風(fēng)溫度控制方式時(shí),回風(fēng)溫度為直接控制對(duì)象,通過(guò)比較回風(fēng)溫度與機(jī)房溫度設(shè)定值的差值控制空調(diào)末端的運(yùn)行工況;若采用送風(fēng)溫度控制方式時(shí),送風(fēng)溫度為直接控制對(duì)象,通過(guò)比較機(jī)房溫度實(shí)測(cè)值與機(jī)房溫度設(shè)定值的差值控制空調(diào)末端運(yùn)行工況。顯然,采用回風(fēng)溫度更能代表機(jī)房?jī)?nèi)平均溫度。

        1.3 實(shí)施效果

        2個(gè)核心機(jī)房和2個(gè)IDC機(jī)房,通過(guò)提高空調(diào)末端回風(fēng)溫度、同時(shí)段比較能耗情況。提升機(jī)房溫度,測(cè)點(diǎn)的最高溫度沒(méi)有上升,機(jī)房的溫度場(chǎng)得到優(yōu)化,如序號(hào)2,每提升1℃,空調(diào)節(jié)電率在2.5%~5%之間甚至更高,個(gè)別機(jī)房可以達(dá)到6.25%。

        2 空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行策略

        2.1 采用變流量水系統(tǒng)

        定流量系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的一種系統(tǒng)形式,通過(guò)冷水機(jī)組的冷水流量不變。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)末端冷負(fù)荷減少時(shí),導(dǎo)致冷凍水供、回水溫差減少,所以絕大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi),空調(diào)冷凍水系統(tǒng)處于大流量、小溫差的狀態(tài),造成循環(huán)水泵能耗偏高。

        相較于定流量系統(tǒng),變流量系統(tǒng)可使冷水機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)流量隨負(fù)荷側(cè)流量的變化而改變,從而最大限度地降低循環(huán)水泵的能耗。

        利用循環(huán)水泵軸功率與電機(jī)頻率立方成正比關(guān)系P1/P2 =(n1/n2)3,流量與電機(jī)頻率(轉(zhuǎn)速)成正比的關(guān)系P1/P2 = n1/n2,通過(guò)降低循環(huán)水泵使用頻率來(lái)節(jié)省能耗。

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果,以呼和浩特某數(shù)據(jù)中心機(jī)柜加電率(94.3%)及機(jī)房熱負(fù)荷6959.208 kW(實(shí)際加電功率5799.34 kW*系數(shù)1.2)計(jì)算,冷凍水系統(tǒng)內(nèi)水流量必須要達(dá)到1400m3/h才能滿足正常制冷需求(供回水溫差5℃)。

        以往需開啟2臺(tái)90 kW水泵供水:

        Q=800m3*2=1600m3

        電機(jī)需投入的功率:P=90kW*2=180kW

        現(xiàn)采用3臺(tái)90 kW水泵供水,并下調(diào)電機(jī)頻率,

        水泵供水量:Q=80%*800m3*3=1920m3

        電機(jī)需投入的功率:P=(80%)3*90kW*3=138 kW

        節(jié)省的功率:P= 2*90-138=52 kW

        此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)流量充足,而電機(jī)投入的功率下降。

        同理將110kW冷卻泵調(diào)整后:

        電機(jī)需投入的功率:P=(80%)3*3*110 kW=135 kW

        節(jié)省的功率:P= 2*110-135=85 kW

        投入3臺(tái)冷凍泵、冷卻泵,可節(jié)?。篜=52+85=137 kW

        實(shí)施效果如表3所示,2套制冷系統(tǒng)、循環(huán)水泵頻率50Hz運(yùn)行時(shí),循環(huán)水泵日整體能耗為9600Kw·h,3套1200RT制冷系統(tǒng)、循環(huán)水泵頻率40Hz運(yùn)行時(shí),循環(huán)水泵日整體能耗為7372.8kW·h。3套1200RT制冷系統(tǒng)、循環(huán)水泵頻率35Hz運(yùn)行時(shí),循環(huán)水泵日整體能耗為4939.2kW·h,節(jié)電率48.5%。

        2.2 調(diào)節(jié)冷水機(jī)組運(yùn)行工況

        離心式冷水機(jī)組的工作效率,除了考慮離心式壓縮機(jī)本身的效率外,還應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行條件考慮冷水機(jī)組在不同負(fù)載條件下的實(shí)際綜合COP。以某品牌制冷量2300RT的離心式冷水機(jī)組為例,如圖2所示,在保證冷水機(jī)組的制冷量與空調(diào)末端負(fù)荷相匹配的情況下,通過(guò)人工或自控系統(tǒng)使冷水機(jī)組在50%~80%負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行,將其控制在最佳節(jié)能區(qū)域。

        圖2 水冷機(jī)組性能曲線圖

        3 提高自然冷源利用效率

        3.1 提高冷卻塔冷選型

        冷卻塔選型適度放大,按照冬季選型,夏季校核,逼近度由原設(shè)計(jì)方案的5.5℃改為3.5℃,即在保證冷卻水供水溫度不變時(shí),濕球溫度由8℃提升至10℃,全年自然冷源利用時(shí)間可提升385h。

        3.2 自然冷源切換

        結(jié)合運(yùn)行實(shí)際情況優(yōu)化暖通系統(tǒng)控制邏輯,合理使用預(yù)冷模式和全冷卻塔冷卻模式。冷機(jī)制冷模式: 當(dāng)室外濕球溫度t>22℃(可調(diào))時(shí),冷機(jī)工作,自然冷源不工作;預(yù)冷模式:當(dāng)室外濕球溫度15℃<t≤22℃(可調(diào))時(shí),機(jī)械冷源與自然冷源聯(lián)合運(yùn)行;完全自然冷卻模式:當(dāng)室外濕球溫度t≤15℃(可調(diào))時(shí),冷機(jī)不工作,自然冷源工作。

        以呼和浩特某數(shù)據(jù)中心為例,調(diào)整前當(dāng)室外濕球溫度低于5℃時(shí)啟用2臺(tái)板式換熱器(單臺(tái)制冷量4500kW)制冷,調(diào)整后當(dāng)室外濕球溫度低于7℃時(shí)啟用3臺(tái)板式換熱器(單臺(tái)制冷量4500kW)可滿足制冷需求。即在現(xiàn)有熱負(fù)荷工況下可提前或延后自然冷源使用時(shí)間(由原來(lái)的11月~次年3月變更為10月~次年4月),在10~11月和3~4月采用水冷機(jī)組與板式換熱器相結(jié)合的方式降低制冷耗能。

        實(shí)施效果如圖3所示,以某年10月份水冷機(jī)組耗電量273886kW·h,環(huán)比9月份下降266340kW·h,節(jié)電效果顯著。

        圖3 冷源能耗對(duì)比

        4 結(jié)語(yǔ)

        隨著云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的大量投運(yùn),先期的大資金設(shè)備投入占所有投入的比例已經(jīng)逐步減少,而運(yùn)營(yíng)維護(hù)及基礎(chǔ)建設(shè)的費(fèi)用卻始終居高不下,通過(guò)綠色環(huán)保理念、運(yùn)用節(jié)能減排技術(shù),減少這些運(yùn)行維護(hù)及基礎(chǔ)建設(shè)的費(fèi)用,也將為運(yùn)行商自身節(jié)約大量開支,更有效地實(shí)行可持續(xù)發(fā)展。本文根據(jù)數(shù)據(jù)中心實(shí)際運(yùn)行情況,結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù),提出了數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能的方法,為制冷系統(tǒng)節(jié)能控制策略的制訂和實(shí)施提供了參考。

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