張修誠, 劉俊紅

(山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250101)

1 概述

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的興起,國內(nèi)建成許多數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心能耗主要分為3部分[1]:互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(簡(jiǎn)稱IDC)設(shè)備、供配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng),其中IDC設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比均大于40%。現(xiàn)階段對(duì)于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗,主要是對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化。

空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化主要是借助自然冷源盡可能縮短機(jī)械制冷的時(shí)間。位于中國郴州的東江湖數(shù)據(jù)中心,全年99%的時(shí)間采用湖水自然水冷方式供冷[2]。位于美國俄勒岡州的Facebook數(shù)據(jù)中心,采用自然風(fēng)直接冷卻技術(shù),將電源使用效率(簡(jiǎn)稱PUE)降低至1.09[3]。此外還有學(xué)者及業(yè)內(nèi)公司正在研發(fā)與應(yīng)用間接蒸發(fā)技術(shù)[4]、液冷技術(shù)[5]等,進(jìn)一步助力數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化。

水資源的消耗也引起了人們的注意。盡管在2010年定義了水利用效率(WUE),但該指標(biāo)并未像PUE一樣被廣泛應(yīng)用。本文介紹借助自然冷源的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)工藝流程。結(jié)合濟(jì)南地區(qū)某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目,計(jì)算數(shù)據(jù)中心一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的凝結(jié)水生成量,對(duì)凝結(jié)水利用途徑提出建議。

2 借助自然冷源的空調(diào)系統(tǒng)

新的數(shù)據(jù)中心多選擇在中西部地區(qū)建設(shè),遠(yuǎn)離一線城市,從而形成數(shù)據(jù)中心集群。在這樣的發(fā)展趨勢(shì)下,越來越多借助自然冷源的數(shù)據(jù)中心應(yīng)運(yùn)而生。借助自然冷源的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)工藝流程見圖1?？赏ㄟ^動(dòng)力及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于冷卻水出水溫度及室外濕球溫度進(jìn)行監(jiān)控,從而自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況。

圖1 借助自然冷源的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)工藝流程

① 供冷期

當(dāng)冷卻塔出口冷卻水溫度大于13 ℃,且室外濕球溫度大于10 ℃時(shí),空調(diào)系統(tǒng)處于冷水機(jī)組全制冷工況。三通閥1～3的B-C導(dǎo)通,二通閥1、2關(guān)閉。冷卻塔出口冷卻水進(jìn)入冷水機(jī)組冷凝器,冷卻制冷劑,然后回到冷卻塔進(jìn)行冷卻。被冷卻的制冷劑經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器,與機(jī)房空調(diào)的冷水回水進(jìn)行換熱,被冷卻后的冷水進(jìn)入機(jī)房空調(diào)冷卻空氣。

② 過渡期

當(dāng)冷卻塔出口冷卻水溫度大于8 ℃且小于等于13 ℃,并且室外濕球溫度大于6 ℃且小于等于10 ℃時(shí),空調(diào)系統(tǒng)處于冷水機(jī)組部分制冷工況。三通閥1、2的A-B及B-C均導(dǎo)通,三通閥3的A-C導(dǎo)通,二通閥1導(dǎo)通,二通閥2關(guān)閉。冷卻塔出口冷卻水一部分進(jìn)入板式換熱器與冷水回水進(jìn)行換熱實(shí)現(xiàn)預(yù)冷,另一部分進(jìn)入冷水機(jī)組冷卻制冷劑,兩部分冷卻水匯合后回到冷卻塔進(jìn)行冷卻。經(jīng)板式換熱器部分預(yù)冷后的冷水回水進(jìn)入冷水機(jī)組蒸發(fā)器與制冷劑進(jìn)行換熱,冷卻后的冷水進(jìn)入機(jī)房空調(diào)冷卻空氣。

③ 供暖期

當(dāng)冷卻塔出口冷卻水溫度小于等于8 ℃,且室外濕球溫度小于等于6 ℃時(shí),空調(diào)系統(tǒng)處于全自然冷卻制冷工況。三通閥1、2的A-B導(dǎo)通,三通閥3的A-C導(dǎo)通,二通閥2導(dǎo)通,二通閥1關(guān)閉,冷水機(jī)組關(guān)閉。冷卻水經(jīng)板式換熱器與機(jī)房空調(diào)冷水回水換熱后,回到冷卻塔繼續(xù)冷卻。機(jī)房空調(diào)冷水回水全部由板式換熱器冷卻。

3 凝結(jié)水生成量

3.1 項(xiàng)目概況

對(duì)濟(jì)南某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的凝結(jié)水生成量進(jìn)行計(jì)算。該數(shù)據(jù)中心以A級(jí)機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),數(shù)據(jù)中心為3層結(jié)構(gòu),單層建筑面積4 000 m2,層高為5 m,總計(jì)布置3 800個(gè)機(jī)柜。數(shù)據(jù)中心全年運(yùn)行。

活動(dòng)地板下送風(fēng)方式的送風(fēng)溫差取4 ℃,機(jī)房室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為23 ℃,機(jī)房室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度為50%,機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域設(shè)計(jì)溫度為19 ℃。

數(shù)據(jù)中心采用一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),室外新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)機(jī)組過濾器過濾后與室內(nèi)回風(fēng)混合,經(jīng)機(jī)房空調(diào)冷卻降溫至機(jī)器露點(diǎn)后,再由電加熱到送風(fēng)狀態(tài)。最終通過地板下送風(fēng)方式送風(fēng)至冷通道,對(duì)機(jī)柜進(jìn)行降溫。

3.2 凝結(jié)水生成量計(jì)算

由于數(shù)據(jù)中心設(shè)備散濕量很小,濕負(fù)荷視為0,因此室內(nèi)熱濕比為無窮大?？諝馓幚盱蕽駡D見圖2。圖2中,點(diǎn)W為室外空氣狀態(tài)點(diǎn)。點(diǎn)C為室內(nèi)回風(fēng)與室外新風(fēng)混合狀態(tài)點(diǎn)。點(diǎn)N為機(jī)房室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn),干球溫度為23 ℃,理論相對(duì)濕度φ為51.35%。點(diǎn)O為室內(nèi)設(shè)計(jì)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn),干球溫度為19 ℃,含濕量為8.986 g/kg。點(diǎn)L為機(jī)器露點(diǎn),相對(duì)濕度φ為95%,含濕量為8.986 g/kg。

圖2 空氣處理焓濕圖

由于數(shù)據(jù)中心設(shè)備散濕量很小,因此凝結(jié)水生成量可視為從室外空氣狀態(tài)點(diǎn)至機(jī)器露點(diǎn)所產(chǎn)生的凝結(jié)水量。新風(fēng)干空氣質(zhì)量流量取新風(fēng)質(zhì)量流量,凝結(jié)水生成量qwat的計(jì)算式為[6]:

qwat=qm,a(dW-dL)

(1)

式中qwat——凝結(jié)水生成量,kg/h

qm,a——新風(fēng)質(zhì)量流量,kg/h

dW——點(diǎn)W含濕量,kg/kg

dL——點(diǎn)L含濕量,kg/kg

GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.4.5條規(guī)定,空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量應(yīng)取下列兩項(xiàng)中的較大值:第1項(xiàng),按工作人員計(jì)算,每人40 m3/h。第2項(xiàng),維持室內(nèi)正壓所需風(fēng)量。由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房偶有維修人員,無固定日常辦公工作人員,按工作人員數(shù)量計(jì)算新風(fēng)量不合適,因此按維持室內(nèi)正壓所需風(fēng)量計(jì)算新風(fēng)量。雖然GB 50073—2013《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了按維持室內(nèi)正壓所需風(fēng)量計(jì)算新風(fēng)量的計(jì)算方法,但計(jì)算過程比較繁瑣,因此筆者參照潔凈室的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),將數(shù)據(jù)中心機(jī)房換氣次數(shù)取1 h-1。

新風(fēng)質(zhì)量流量qm,a的計(jì)算式為:

qm,a=ρnAh

(2)

式中ρ——新風(fēng)密度,kg/m3,隨新風(fēng)溫度變化而變化

n——換氣次數(shù),h-1,本文取1 h-1

A——建筑面積,m2

h——層高,m

3.3 凝結(jié)水生成量

由式(1)計(jì)算數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)全年凝結(jié)水生成量,室外空氣參數(shù)來自Dest軟件提供的濟(jì)南地區(qū)典型年室外空氣參數(shù)。典型年數(shù)據(jù)中心凝結(jié)水日生成量見圖3。凝結(jié)水日生成量由凝結(jié)水當(dāng)日逐時(shí)生成量累加得到。圖3僅給出有凝結(jié)水生成的時(shí)間。由圖3可知,全年有128 d生成凝結(jié)水,主要集中在7～9月,全年總生成量為1 281.88 t,平均凝結(jié)水日生成量為10.01 t/d。由此可知,凝結(jié)水生成量很大,具有較高利用空間。

圖3 典型年數(shù)據(jù)中心凝結(jié)水日生成量

4 凝結(jié)水利用途徑

① 園區(qū)綠化噴灌

數(shù)據(jù)中心園區(qū)占地面積大,且根據(jù)相關(guān)規(guī)定,大型工業(yè)園區(qū)的綠化覆蓋率不得低于20%,大面積綠化噴灌將消耗大量水資源。城市綠化噴灌水量一般為2 L/(m2·d),該數(shù)據(jù)中心平均凝結(jié)水日生成量取10 t/d,可滿足5 000 m2的綠化噴灌需求。而且空調(diào)系統(tǒng)凝結(jié)水完全滿足綠化用水的水質(zhì)要求,無需處理。因此,利用數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)生成的凝結(jié)水進(jìn)行綠化噴灌,可節(jié)省大量水資源。

② 冷卻塔補(bǔ)水

開式冷卻塔的水蒸發(fā)和耗散量占數(shù)據(jù)中心耗水量的比例較高,尤其是高溫天氣。而空調(diào)系統(tǒng)凝結(jié)水是冷卻塔補(bǔ)水的首選[7]。首先,凝結(jié)水能夠滿足冷卻塔對(duì)補(bǔ)水水質(zhì)的要求,無需處理即可直接使用,僅需增設(shè)水箱、水泵等設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)。其次,凝結(jié)水的水溫普遍較低,可對(duì)冷卻塔中冷卻水起到降溫的作用。

5 結(jié)論

① 全年有128 d生成凝結(jié)水,主要集中在7～9月,全年總生成量為1 281.88 t。凝結(jié)水生成量很大,具有較高利用空間。

② 凝結(jié)水利用途徑包括園區(qū)綠化噴灌、冷卻塔補(bǔ)水。