穆為先,程亨達,陳煥新,袁彭宋
(華中科技大學能源與動力工程學院,湖北武漢 430074)
數(shù)據(jù)中心擁有大量IT 設備,全年24 h 不間斷運行,其用電量很高。隨著我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,大量新數(shù)據(jù)中心建成,我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)的用電量也明顯增大。此外,數(shù)據(jù)中心有相對于其他用電設施外的獨特特點,即由于其運行規(guī)律和產(chǎn)熱量大,其在全年所有季節(jié)都需要進行制冷,無需制熱,因此其冷卻系統(tǒng)耗電量巨大。如圖1 所示,數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)占據(jù)了數(shù)據(jù)中心能耗的40%左右[1],其節(jié)能的潛力和研究價值都很高。
圖1 數(shù)據(jù)中心能耗分布
隨著數(shù)據(jù)中心能耗問題越來越引起重視,我國很多大城市,如北京、上海等也對數(shù)據(jù)中心的電能利用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)指標開始有硬性要求,有足夠低PUE 的數(shù)據(jù)中心才被允許建立。國內(nèi)大型互聯(lián)網(wǎng)廠商的數(shù)據(jù)中心也都體現(xiàn)出特殊(定制化)程度高、追求低成本等特點[2]。這也使細化到每一個獨立數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能策略的研究比較重要。
文獻[3]指出增大供回水溫差,即相對于傳統(tǒng)空調的7 ℃/12 ℃而言,供回水溫差大于5 ℃時,即為大溫差系統(tǒng),文章中對某品牌3 000 kW 的水冷離心制冷機組進行工況模擬,得出結論如11 ℃/20 ℃的供回水溫度對于某些數(shù)據(jù)中心的空調系統(tǒng)能效的提升具有積極意義,這同時也指出了提高溫差來降低能耗是對于部分制冷機組是可行的。
鄭邦鑫等[4]也提出在我國的夏熱冬暖的地區(qū)采用高溫冷水機組替代常規(guī)的制冷機組,并且使用冷凝熱回收系統(tǒng)進行采暖來進行節(jié)能。
由于數(shù)據(jù)中心機房本身沒有濕度產(chǎn)出,所以文獻[5-6]分別討論了在不同的冷凍水溫差下,數(shù)據(jù)中心冷水機組分別采用較高溫度和較低溫度的冷凍水而產(chǎn)生的節(jié)能效果及對機組性能系數(shù)(Coefficient of Performance,COP)的影響。
YADAV 等[7]提出改善圍護結構,建立了一個大型商業(yè)中心的模型,測試了各種圍護結構對能耗模擬的影響。雖然沒有應用于數(shù)據(jù)中心,也不失為一種節(jié)能的措施。馬昕宇等[8]采用CFD 模擬數(shù)據(jù)中心瞬態(tài)熱環(huán)境,研究了在不同幾種工況下影響溫度變化的重要因素。
本文根據(jù)已有建筑圖紙,在OpenStudio 軟件中建立了建筑模型,錄入人員、燈光、設備等負荷及建筑熱工性能參數(shù)等,根據(jù)已有節(jié)能思路設計方案,對比找出適用于該建筑最節(jié)能的運行策略。利用PUE、COPdc等評價指標完成對該方案的評價和對比的同時,給新指標COPdc的評價性能進行測試,最后給出該節(jié)能策略的全年運行表現(xiàn)。
開始數(shù)據(jù)中心節(jié)能策略研究前,需進行部分準備工作,即了解該項目的地理環(huán)境背景、樣式構造和其具體房間構成,簡單選擇制冷循環(huán)設備(風冷冷水機組),確定數(shù)據(jù)中心能耗的評價指標。
目標項目為研發(fā)樓,總建筑面積35 866.6 m2,地上29 996.62 m2,其中辦公樓19 381.6 m2,數(shù)據(jù)中心樓10 615 m2,地下58 702 m2。該項目設計合理使用年限為50 年。該項目地上12 層,地下1 層,位于華北地區(qū)天津市。
天津市屬于三類地區(qū)類型,緯度39.08,經(jīng)度117.07,海拔2.5 m,屬于8 號氣候帶,毗鄰渤海灣,受到海洋的氣候影響,為半濕潤季風性氣候,季風性氣候特點是四季分明,春季多風,夏季多雨且溫度較高,秋季涼爽多風、冬季則比較干燥寒冷[9]。
截至目前[10],國家和天津市并未有出臺過強制性的數(shù)據(jù)中心的能耗限額標準。國家出臺的《關于加強綠色數(shù)據(jù)中心建設的指導意見》中有如“到2022 年,數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達到國際先進水平,新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的電能使用效率達到1.4以下”的意見,但僅是指導性意見。
本文選擇的機房制冷設備為風冷冷水機組。相比于水冷機組,風冷機組沒有冷卻塔、冷卻水管道、冷卻水泵等一系列組件,擁有以下優(yōu)點:1)結構緊湊,無需專門機房,在冷源選擇方面有非常廣泛的應用;2)可以在市政停水期間保證正常的供冷;3)以空氣作為自然冷卻介質,可以大量節(jié)省水資源,結構簡單、成本較低、安裝十分方便。
目前已經(jīng)應用在數(shù)據(jù)中心風冷冷水機組的技術很多,如采用自然冷卻或自然冷卻+機械冷卻的混合冷卻的模式降低能耗、或采用直接噴霧或者蒸發(fā)冷凝器或是淋水填料預冷器等措施進行直接蒸發(fā)冷卻[11]。也有研究全年供冷的風冷螺桿機組的控制策略,以保證其在冬天也可正常制冷[12],該研究即可應用于數(shù)據(jù)中心機房供冷。目前風冷冷水機組的應用前景和研究價值都很大,且風冷機組在數(shù)據(jù)中心應用并不多,所以本文決定選用風冷機組。
美國綠色網(wǎng)格組織定義出許多評價指標,如制冷負載系數(shù)、IT 設備熱一致性,IT 設備容錯性等,他們的含義都不盡相同[13]。最通用的是PUE,是數(shù)據(jù)中心的全年耗電量與IT 設備的全年耗電量之比。PUE 的理論極限最小值是1,但由于制冷、照明和輔助等設備存在,實際PUE 的值一定大于1。2015年,我國《關于印發(fā)國家數(shù)據(jù)中心試點工作方案的通知》中指出,我國的數(shù)據(jù)中心PUE 值大多數(shù)可能大于2.2。PUE 作為評價指標,已經(jīng)在節(jié)能方面起到了實際作用,并取得了效果[14]。
近幾年,PUE 指標開始被嚴重商業(yè)化,雖然目前我國很多數(shù)據(jù)中心聲稱自己的PUE 只有1.2 左右,其具體測量方式和計算細節(jié)都未公布,甚至在關閉照明、冗余制冷系統(tǒng)等耗電設備的情況下進行測量[15]。此外,PUE 指標也存在部分問題:如果使用舊的處理器,使其功耗很高,會使PUE 變小,但這種犧牲數(shù)據(jù)中心本身計算能力的減小在實際的數(shù)據(jù)中心運行方面并沒有實際意義和價值[16]。PUE的計算公式如(1)所示:
式中,Ptotal為全年數(shù)據(jù)中心總耗電量,GJ;PIT為全年的數(shù)據(jù)中心機房部分耗電量,GJ。
能耗評價指標還有很多,除PUE 外,還有一種指標成為了最近較為熱門的研究對象,就是原用于評價傳統(tǒng)空調系統(tǒng)能效的指標,即性能系數(shù)(COP)。使用類COP 的計算方法評價數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)效率也成為一種可行方案。已有學者對數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)進行分析,論述了用COP 進行數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能效評價時該指標的具體含義,同時也建議可以將COP 用于數(shù)據(jù)中心的能耗評價[17]。式(2)為傳統(tǒng)空調的COP 計算公式,即提供冷量與消耗功率的比值。對數(shù)據(jù)中心,我們可以采用相近的思路,選擇表達式不同的“COP”評價數(shù)據(jù)中心的能效。
式中,Q為制冷系統(tǒng)提供的冷量,kW;W為制冷系統(tǒng)消耗的總功率,kW。
本中除了選用PUE 作為評價指標來驗證方案節(jié)能效果,也會選擇文獻[18]中已經(jīng)過測試的新評價指標COPdc,該指標對于冷卻系統(tǒng)的評價有更強針對性,COPdc的定義見式(3):
式中,Ecost,IT為數(shù)據(jù)中心一年內(nèi)IT 設備的全年耗電量,GJ;Ecost,cs為IT 設備供冷的冷卻系統(tǒng)的全年耗電,GJ。COPdc的應用目前并不廣泛,但也是評價指標中的合理選擇。
建立模型需要首先獲取并解析建筑圖紙,找出外墻、內(nèi)墻及內(nèi)部房間結構劃分如辦公室、數(shù)據(jù)機房等。隨后參考文獻[19]將其在軟件中繪制,并錄入設定人員、燈光和設備負荷等參數(shù)。只有模型建立足夠真實,后續(xù)方案對比工作才有可參考性。
目標建筑一側呈V 狀弧形,內(nèi)部含有天井,房間結構復雜,每一層內(nèi)配有多種類型房間,建模難度很高。在軟件中1:1 建立模型后,模型過于復雜導致軟件運行不流暢,做出優(yōu)化如下:1)研究目標為數(shù)據(jù)中心機房,原辦公區(qū)只是提供周圍環(huán)境,所以只保數(shù)據(jù)中心部分和其周邊結構;5 樓以上為純辦公區(qū)域,將該部分全部刪減;2)軟件中將圓面建筑部分用割線分成了十幾個面,運算復雜度很高。手動將所有的圓面轉換為3~5 個直面,簡化軟件計算量,提高運算速率;3)原圖紙中,如衛(wèi)生間、貯藏室、配電室等都獨立標注出來,為簡化模型,只保留機房及周圍房間,將同功能的房間之間打通合并為一個區(qū)域。
本模型依據(jù)人員活動頻率劃分主要分為兩個區(qū)域:數(shù)據(jù)中心機房的運行通常24 h 不關機,設備負荷大,無需供熱,全年供冷、基本無需除濕;辦公區(qū)人員活動密切,負荷低,負荷隨時間變化明顯。對這兩個分區(qū)設置兩種不同的時間規(guī)劃表,以準確模擬出辦公區(qū)和機房區(qū)的活動所需冷負荷。
根據(jù)數(shù)據(jù)中心功能要求,設定用電設備為發(fā)熱量300 W/m2,一周七天24 h 不間斷穩(wěn)定滿負荷運行。而考慮維護工作,人員數(shù)量設定在周一至周五8:00—16:00 時為0.1 倍系數(shù),燈光隨人員的數(shù)量變化。人員活動發(fā)熱量參照軟件系統(tǒng)中標準辦公室活動設定。辦公區(qū)參照實際辦公樓的運行機制,針對辦公區(qū),考慮上下班前的維護工作,午休時間等,設計出了如圖3 所示的簡化模型,只有周一至周五為工作時間,按照圖3 設定,周末考慮到可能存在維護人員,人員燈光都按照機房區(qū)設定。
圖2 化簡后的模型
圖3 辦公區(qū)人員、燈光活動程度
建立模型后,改變機房設計溫度、冷凍水進出溫度和溫差、冷水機組COP 等參數(shù),研究各參數(shù)對能耗的影響,并給出合理的節(jié)能運行方案。隨后給出該方案下的能耗情況和與常規(guī)方案的對比,并計算出能耗評價指標進行方案評價。
本次數(shù)據(jù)中心的機房要求為C 級,根據(jù)相關設計要求[20],主機房溫度范圍為18~28 ℃。
結合前文研究并參考文獻[21],可了解一般數(shù)據(jù)中心的溫度選取。在8 月和12 月取樣,代表夏、冬兩個季節(jié),各取出一周(8 月2 日至8 月9 日和12 月6 日至12 月13 日),用以進行能耗模擬。
模擬時取冷凍水溫度為數(shù)據(jù)中心機房常用的12 ℃/17 ℃,冷水機組COP 為5.55。取用午夜時能耗,此時辦公區(qū)冷水機組處于關閉狀態(tài),建筑內(nèi)無其他負荷,可直接總能耗近似為機房區(qū)總能耗,設置時間步長為15 min,得到結果如圖4 所示。
圖4 機房設定溫度對機房區(qū)能耗影響
圖4 繪制了機房設定溫度對機房區(qū)的能耗影響,理論上設計溫度越高,需要冷負荷就越少,空調系統(tǒng)越節(jié)能。由圖可知模擬結果與預測情況一樣。
在圖4 中,并未將機房溫度設為極限值28 ℃,因為在模擬過程中發(fā)現(xiàn),設為28 ℃會有部分時間機房內(nèi)溫度稍稍超過規(guī)定的安全溫度,為保險起見沒有將其繪制在圖中。經(jīng)過對比,將機房區(qū)溫度設定為27 ℃是在安全保險的情況下最為節(jié)能的溫度。
取與圖4 相同工況,獲取整個模型的15 min 能耗,取一周所有數(shù)據(jù)點平均值,該值可代表整體能耗趨勢。得到的圖5 可以反映出總體上能耗隨溫度變化的趨勢。機房區(qū)被辦公區(qū)包圍,導致機房區(qū)外部環(huán)境將會與辦公區(qū)的溫度相近,各個季節(jié)都幾乎不會改變,所以冬季機房區(qū)能耗沒有太大變化,但總能耗有所下降。
圖5 機房設定溫度對總能耗影響
圖5 中可近似看出:隨著溫度升高,能耗幾乎以線性關系降低,但當設定溫度為28 ℃的時候,無法保證安全溫度,所以本次方案確定最節(jié)能的機房設定溫度為27 ℃。比很多常規(guī)機房設定為26 ℃可以降低約每小時8 kW 的能耗。
在常規(guī)空調設計中,冷凍水參數(shù)受舒適性、熱濕負荷等各種條件限制,所以在焓濕圖上可供選擇的區(qū)域很小。但機房中幾乎沒有濕負荷,也無需考慮舒適性的影響,溫度波動和濕度波動在很大范圍內(nèi)不構成任何影響,所以采用大溫差冷凍水系統(tǒng)、高溫度冷凍水系統(tǒng)一直是可供選擇的節(jié)能措施。
3.2.1 冷凍水溫度高低對能耗的影響
常規(guī)空調采用7 ℃/12 ℃的冷凍水進出溫度,而數(shù)據(jù)中心的機房通常采用的是12 ℃/17 ℃的進出溫度。本小節(jié)首先固定冷凍水的進出溫差為5 ℃,尋找合適的溫度。初步選取四個方案:7 ℃/12 ℃作對照方案,12 ℃/17 ℃作常規(guī)方案,在兩方案的基礎上分別增加和減少進水溫度,產(chǎn)生10 ℃/15 ℃和14 ℃/19 ℃兩個方案。
依照3.1 節(jié)結論,設定機房溫度為27 ℃。其余工況與前文相同,最終得出的能耗曲線如圖6 所示。
圖6 冷凍水進水溫度對總能耗影響
這次模擬結果使用14 ℃/19 ℃的冷凍水溫方案時不僅僅能耗升高,甚至機房溫度也會超過設計要求的最高溫度。但圖中拋物線型是合理的,隨冷凍水溫度升高,能耗先減小后增大,主要原因是冷凍水溫度升高時,運行過程中的換熱損失會減少,但是同樣會增大水流量,導致其他能耗使耗電量上升。
最終由圖6 可以確定:當取冷凍水溫為10 ℃左右時,能耗最低。關于模擬結果與預測結果的偏差,在經(jīng)過分析后,得出原因可能是:1)該模型的負荷狀況由于辦公區(qū)和機房區(qū)相距很近可能會有傳熱的干擾;2)不同的數(shù)據(jù)中心結構不同,會出現(xiàn)最低能耗的方案偏移的情況,在其他文章中也有此現(xiàn)象出現(xiàn);3)本模型中考慮了實際情況中機房存在的維護人員,相較于其他模型增加了人員活動濕負荷,導致過高的冷凍水溫不能處理這部分負荷。
3.2.2 冷凍水溫差對能耗的影響
理論上換熱溫差越大,所需制冷工質流量越小,耗電量就會越小。對于常規(guī)空調,換熱溫差大會造成舒適感下降,同時對換熱器設計要求很高。本文采用增大冷凍水溫差進行節(jié)能,雖然已經(jīng)有不少研究在優(yōu)化風冷紙片盤管的換熱器,并對設計其參數(shù)進行指導和分析[22],但為了具有普適性,不采用過大的進出水溫差。
將10 ℃確定為進水溫度,衍生出10 ℃/14 ℃、10 ℃/15℃、10 ℃/16 ℃和10 ℃/17 ℃這4 個方案。取機房設計溫度27 ℃、15 min 為一個時間步長,在夏季和冬季中各取一周,選擇COP 為5.5 作為冷水機組進行模擬,經(jīng)過模擬可以得出耗電量隨進水溫度為10 ℃時的冷凍水溫差變化如圖7 所示。
圖7 冷凍水溫差對總能耗影響
經(jīng)過測試,增大冷凍水溫差時,能耗下降,趨勢略有變慢。圖7 說明增大冷凍水溫差對本模型的節(jié)能具有積極意義,但在溫差增大到7 ℃時,出現(xiàn)機房區(qū)溫度異常點,加上大溫差對于換熱器要求過高,在本次模擬中,確定溫差為6 ℃是最佳方案。
確定溫差后,比較9 ℃/15 ℃、10 ℃/16 ℃、和11 ℃/17 ℃幾個方案。經(jīng)過運行模擬,得出數(shù)據(jù)如圖8 所示,當進水溫度達到10 ℃時能耗達到最低點,可得出10 ℃/16 ℃的進出水溫就是對本模型的最佳冷凍水溫。
圖8 溫差為6 ℃時進水溫度對總能耗影響
雖然改變很多參數(shù)都能影響冷水機組COP,但前文為了方便研究,將COP 統(tǒng)一成均值5.5,本小節(jié)將取不同COP,觀察總能耗的影響變化。
按照前文確定的最優(yōu)方案,機房設定溫度27 ℃,冷凍水溫10 ℃/16 ℃,15 min 為一個單位時間步長,取不同冷水機組COP,得出數(shù)據(jù)如圖9 所示。理論上,COP 是評價冷水機組的制冷能力效果的參數(shù),越大越節(jié)能?,F(xiàn)實條件下,風冷機組很難達到很高的能效,COP 達到5 左右已經(jīng)算比較優(yōu)秀。不排除改進機組的可能,選擇3、5.5 和8 這三個數(shù)據(jù)分別體現(xiàn)低效、普通和高效機組的區(qū)別。
圖9 冷水機組COP 對總能耗影響
由圖9 可知:COP 越大,就會使能耗越小,并且影響能力隨著COP 增大而衰減。但即使這樣,在均值的COP5.5 基礎上提升0.5,每15 min 也會有大于2 kW 的能耗節(jié)省。對于低效機組,甚至COP從3 提升到4,每15 min 就可以節(jié)省約10 kW 的能耗。但由于風冷冷水機組本身的COP 并不高,在本文中仍然只取5.5 為基本方案。
已確定節(jié)能方案如下:機房設計溫度27 ℃,冷凍水進出溫度10 ℃/16 ℃,冷水機組的COP 為5.5。取全年中隨機一天,在6 月9 日這一天運行該方案,10 min 為一個時間步長可得曲線如圖10 所示??梢杂^察出能耗曲線和圖3 中人員活動的曲線相近,在早晚時間能耗為6×108J 左右,午休時間能耗也相對較低,而能耗高峰時間則可以達到接近10×108J,這是由于機房區(qū)的能耗幾乎全天不變,辦公區(qū)的能耗隨著辦公區(qū)人員活動變化而變化。
圖10 節(jié)能方案單日運行表現(xiàn)
圖11 所示為數(shù)據(jù)中心全年逐日的空調系統(tǒng)能耗對比圖,上面是機房區(qū)能耗,全年基本穩(wěn)定在高值,這是由于機房區(qū)全年24 h 工作,沒有休息,且本身被辦公區(qū)包圍,季節(jié)變化也不會引起波動。下面是辦公區(qū)的空調系統(tǒng)能耗,由圖可知,辦公區(qū)能耗是周期波動的,這是由于工作日和雙休日的區(qū)別導致。此外,夏季空調耗能要比冬季高很多。
圖11 全年運行空調能耗逐日圖
理論上,COP 是評價冷水機組的制冷能力效果的參數(shù),越大越節(jié)能。現(xiàn)實條件下,風冷機組很難達到很高的能效,COP 達到5 左右已經(jīng)算比較優(yōu)秀。不排除改進機組的可能,選擇3、5.5 和8 這三個數(shù)據(jù)分別體現(xiàn)低效、普通和高效機組的區(qū)別。
由于軟件無法設計自然冷量冷卻,本模型未建立熱回收系統(tǒng)和冬季城市熱網(wǎng)供暖熱源等信息,所以這些部分需進行手工計算,得出理論上的方案表現(xiàn)(圖12)。由文獻[22]可知,西北地區(qū)利用天氣條件可以節(jié)省27%左右的電耗,天津水量資源豐富,在此計算為可以節(jié)省20%的能耗。冬季由于是熱網(wǎng)供暖,將運行所得的制熱所需能耗排除即可。
圖12 方案對比全年運行能耗逐日圖
表1 所示為本文提出的節(jié)能運行方案所得運行數(shù)據(jù),表2 所示為按照常規(guī)的數(shù)據(jù)中心一般運行數(shù)據(jù)作為對照得出的運行數(shù)據(jù)。
表1 節(jié)能方案全年運行數(shù)據(jù)
表2 常規(guī)方案全年運行數(shù)據(jù)
根據(jù)前文式(1)和式(3),可以計算出節(jié)能運行策略下PUE 為1.34,可以在秋冬季節(jié)利用自然冷卻達到,但在不考慮自然冷卻的條件下PUE 是1.4,即夏季工況。而COPdc可計算得出為2.51,考慮自然冷卻的情況下為3.13。這些指標符合常理,而且有實用的意義。
對比發(fā)現(xiàn),常規(guī)方案無論是風扇耗能還是風冷機組耗能都比節(jié)能方案升高不少,可以得出常規(guī)方案PUE 為1.48,考慮自然冷卻利用的情況下,PUE為1.38。而COPdc在不考慮利用自然冷量的情況下只有2.07,在考慮自然冷卻的情況下只有2.59。
經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),COPdc作為一種最近提出的評價指標,確實在能耗比較上變化要比PUE 大很多,并且COPdc并不存在PUE 的一個弊端,即在選用低性能的IT 設備時會有更優(yōu)秀的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。并且COPdc的變化范圍更大,體現(xiàn)能耗變化的效果更明顯。經(jīng)過本文的驗證,COPdc作為一個評價指標,確實在很多方面具有參考價值。
本文通過建立天津市某研發(fā)樓的數(shù)據(jù)中心模型,輸入人員、設備等各種負荷,進行熱區(qū)劃分,設置冷水機組并進行運行模擬,通過測試各個運行方案,最終得出節(jié)能運行方案和其評價指標,得出如下結論:
1)本數(shù)據(jù)中心合理的最節(jié)能運行方案為27 ℃的機房設定溫度,10 ℃/16 ℃的冷凍水進出溫度,性能系數(shù)(COP)盡可能取高,但本方案按5.5 保守計算;得出理論上可達到電能利用效率為1.34,COPdc為2.51;
2)提升機房設計溫度對節(jié)能具有積極意義,在27℃內(nèi)提升溫度可以減少能耗;
3)提升冷凍水進出溫差對制冷系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)化十分明顯,溫差達到7 ℃后會對換熱器要求增高;
4)在冷水機組COP 低于5 時,對其進行改造使其變?yōu)楦吣苄?jié)能產(chǎn)生很明顯的效果;
5)在關于冷凍水溫的提高方面,本文驗證出在常規(guī)的空調7 ℃/12 ℃基礎上適當調高3~4 ℃是具有積極作用的。