董梓駿,黃 俊,邵雙全,楊明洪,王 博

(華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

近年來(lái),數(shù)字化技術(shù)不斷普及,作為數(shù)字化時(shí)代“新基建”的數(shù)據(jù)中心,將成為中國(guó)在全球價(jià)值鏈中向上發(fā)展的核心[1-3]。2021年5月24日,國(guó)家首次提出“東數(shù)西算”工程,在粵港澳大灣區(qū)等8地啟動(dòng)建設(shè)國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn),并規(guī)劃了10個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)中心集群。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大,其能耗與運(yùn)行成本也在不斷攀升[4-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2020年,全球大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的數(shù)量已達(dá)到540多個(gè),還有數(shù)百個(gè)正處于開(kāi)發(fā)之中[7],其中中國(guó)占比10%,位居全球第二,數(shù)據(jù)中心年用電量已突破2 000 億kW·h, 占全社會(huì)用電量的2.71%[8]。數(shù)據(jù)中心的主要用電設(shè)備包括IT設(shè)備、冷卻設(shè)備以及供電和配電設(shè)備[9],其中冷卻設(shè)備耗能占數(shù)據(jù)中心總能耗的30%～40%[10-11]。同時(shí),數(shù)據(jù)中心設(shè)備的緊湊化,機(jī)架功率密度的增加,對(duì)制冷空調(diào)提出了更高的要求[12-14]。因此,探求高能效比(coefficient of performance,COP)、低電源使用效率(power usage effectiveness,PUE)的制冷方式已成為“雙碳”目標(biāo)下建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心的重要途徑[15-18]。

蓄冷系統(tǒng)與分時(shí)電價(jià)政策相結(jié)合,利用電力需求低谷、低電價(jià)時(shí)段進(jìn)行蓄冷,在電力需求高峰、高電價(jià)時(shí)段釋冷供應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)需求,可有效均衡城市電網(wǎng)負(fù)荷,起到“削峰填谷”的作用。水的比熱大、相變潛熱大,在顯熱蓄冷和相變蓄冷中都是優(yōu)良的天然環(huán)保工質(zhì),在蓄冷系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。水蓄冷制冷系統(tǒng)由制冷機(jī)組、蓄冷槽、蓄冷水泵和板式換熱器組成。蓄冷槽是水蓄冷系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,主要分為自然分層式蓄冷、復(fù)合蓄冷槽蓄冷、迷宮式蓄冷和隔膜式蓄冷。溫嘉權(quán)等以夏熱冬暖地區(qū)某機(jī)場(chǎng)航站樓為例,對(duì)比研究了水蓄冷、冰蓄冷和普通常規(guī)空調(diào)的經(jīng)濟(jì)效益與可行性,得出水蓄冷系統(tǒng)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用效果顯著[19]。任萬(wàn)輝等以臨沂和諧廣場(chǎng)項(xiàng)目為例,介紹水蓄冷空調(diào)應(yīng)用于商業(yè)綜合體的設(shè)計(jì)方法和運(yùn)行策略,得出水蓄冷系統(tǒng)可以有效緩解電網(wǎng)壓力,調(diào)荷節(jié)電效果顯著[20]。羅苗苗等以北京市某數(shù)據(jù)中心水蓄冷系統(tǒng)為例,介紹了數(shù)據(jù)中心利用蓄冷罐實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削峰填谷,并分析了水蓄冷系統(tǒng)節(jié)電、節(jié)水等應(yīng)用效果[21]。

對(duì)于數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng),其要求冷凍水供水溫度較高,無(wú)論是同需要較低冷凍水溫度的公共建筑相比,還是同靜態(tài)冰(如冰盤(pán)管、冰球等)、流態(tài)冰(如冰漿等)蓄冷技術(shù)相比,水蓄冷技術(shù)都與其有著更高的匹配度[22-23]。目前針對(duì)于南方沿海地區(qū)數(shù)據(jù)中心水蓄冷系統(tǒng)的分析較少。因此,本文以珠三角地區(qū)數(shù)據(jù)中心的水蓄冷系統(tǒng)為例,建立數(shù)據(jù)中心采用水蓄冷技術(shù)的系統(tǒng)模型,優(yōu)化了運(yùn)行控制方案,分析水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電、降耗的應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與模型

1.1 制冷系統(tǒng)原理

珠三角地區(qū)數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)采用制冷機(jī)組、水泵和冷卻塔全并聯(lián)、互為備用的形式。制冷機(jī)組制取冷凍水,冷凍水泵將冷凍水送往機(jī)房空調(diào),通過(guò)板式換熱器為室內(nèi)末端輸送冷量。上述制冷機(jī)組可滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心全年的供冷負(fù)荷需求,為用戶(hù)側(cè)提供的冷凍水溫度維持在16～22 ℃。

圖1給出了在傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)上增加了水蓄冷部分的蓄冷系統(tǒng)原理圖,可運(yùn)行于以下模式:

1) 冷機(jī)單獨(dú)供冷:冷機(jī)1開(kāi)啟,冷機(jī)2關(guān)閉。 V2、V3打開(kāi),其余閥門(mén)關(guān)閉。制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2) 單獨(dú)釋冷供冷:冷機(jī)1、冷機(jī)2關(guān)閉。V1、V6、V7打開(kāi),其余閥門(mén)關(guān)閉。蓄水罐里的冷水在釋冷水泵的驅(qū)動(dòng)下依次經(jīng)過(guò)V6進(jìn)入室內(nèi)末端,在機(jī)房空調(diào)供冷后,依次通過(guò)V7、V1回到蓄水罐。

3) 邊蓄邊供:冷機(jī)1、冷機(jī)2開(kāi)啟。V6、V7關(guān)閉,其余閥門(mén)打開(kāi)。冷機(jī)1制取的冷水經(jīng)過(guò)冷凍水泵進(jìn)入室內(nèi)末端,在機(jī)房空調(diào)供冷,高溫水經(jīng)過(guò)V3回到冷機(jī)1,冷機(jī)2制取的冷水通過(guò)蓄冷水泵向蓄水罐蓄冷,高溫水經(jīng)過(guò)V1、V5回到冷機(jī)2。

4) 直蓄直供:當(dāng)室外溫度較低時(shí),冷機(jī)1、冷機(jī)2關(guān)閉,冷卻水直接通過(guò)水水換熱器降低冷凍水溫度以供冷和蓄冷。

以上4種運(yùn)行模式能夠保證室內(nèi)末端負(fù)荷需求,并可優(yōu)化控制使得系統(tǒng)高效運(yùn)行。

圖 1 水蓄冷系統(tǒng)示意圖Fig.1 Water cold storage system diagram

1.2 制冷機(jī)組模型

評(píng)價(jià)冷源制冷效率的性能指標(biāo)是制冷系數(shù)COP,是指單位功耗所能獲得的冷量。建立冷水機(jī)組數(shù)學(xué)模型是關(guān)于冷卻水進(jìn)出口溫度、冷凍水進(jìn)出口溫度、制冷系數(shù)COP等變量之間的函數(shù)關(guān)系。COP通常用負(fù)荷率、冷卻水進(jìn)水溫度和冷凍水出水溫度的二次方程形式描述,如式(1)[24]所示:

(1)

式中:R是負(fù)荷率;Tc是冷卻水進(jìn)水溫度,℃;Te是冷凍水出水溫度,℃。

將相應(yīng)的工況數(shù)據(jù)代入式(1)后,算得a1,a2,…,a10,結(jié)果見(jiàn)表1。

表 1 計(jì)算參數(shù)

比較上述仿真結(jié)果與機(jī)組原來(lái)的COP,結(jié)果如圖2所示。

圖 2 仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result

從圖2可以看出:仿真結(jié)果與機(jī)組COP有較好的吻合性。說(shuō)明所得系數(shù)正確,可以用來(lái)計(jì)算機(jī)組在不同工況下的COP,從而根據(jù)能耗與COP之間的關(guān)系式計(jì)算某時(shí)刻的能耗。

1.3 冷卻塔模型

在風(fēng)機(jī)作用下,溫度比較低的空氣與填料中的水進(jìn)行熱交換,從而達(dá)到降低水溫的目的。利用室外干燥空氣近似可逆地制備冷水,出水極限溫度為室外空氣濕球溫度或露點(diǎn)溫度。

對(duì)于水冷型制冷機(jī)組,冷凝側(cè)依靠在管道內(nèi)循環(huán)的水帶走冷凝器內(nèi)冷媒的熱量,水把冷凝器內(nèi)熱量帶走后,在水泵的作用下循環(huán)進(jìn)入到冷卻塔,通過(guò)水在冷卻塔內(nèi)的流動(dòng)再把熱量傳遞給通過(guò)冷卻塔的空氣,然后再次進(jìn)冷機(jī)冷凝器吸收熱量。根據(jù)該原理建立冷卻塔的模型。冷卻塔出水溫度公式[25]為

Tc=To-ηtower·{To-[Ts-ηl·(Ts-Td)]}

(2)

式中:Tc是冷卻塔出水溫度,即冷卻水入口溫度,℃;To是室外干球溫度,℃;ηtower是蒸發(fā)冷卻制備冷水裝置中直接蒸發(fā)冷卻模塊的水側(cè)效率,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.9;Ts是室外濕球溫度,℃;ηl是采用新風(fēng)預(yù)冷的顯熱換熱裝置以室外露點(diǎn)溫度為冷風(fēng)極限溫度的風(fēng)側(cè)效率;Td是室外露點(diǎn)溫度,℃。

需要說(shuō)明的是,在后續(xù)的計(jì)算過(guò)程中是以直接蒸發(fā)的冷卻塔進(jìn)行的分析。

2 水蓄冷系統(tǒng)性能分析

2.1 珠三角地區(qū)氣象條件

珠三角地區(qū)全年氣象參數(shù)如圖3所示。據(jù)統(tǒng)計(jì),全年氣溫較高,其中濕球溫度小于14 ℃小時(shí)數(shù)僅占比33.54%,且基本集中在冬季。因此,全年66.46%的時(shí)間都需要開(kāi)啟冷機(jī)制冷,冷機(jī)功耗極大。

為了保證冷機(jī)的正常運(yùn)行,當(dāng)室外濕球溫度低于14 ℃時(shí),關(guān)閉冷機(jī),直接用冷卻水給冷凍水降溫。

圖 3 韶關(guān)地區(qū)全年氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Statistical map of annual meteorological parameters in Shaoguan

2.2 計(jì)算方法

韶關(guān)地區(qū)的分時(shí)電價(jià)情況見(jiàn)表2,數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的主要設(shè)備性能情況見(jiàn)表3。以7月1日13:00能耗計(jì)算為例:確定系統(tǒng)運(yùn)行工況(制冷或蓄冷)以及室外溫度和負(fù)荷,依次計(jì)算冷卻水側(cè)溫度、制冷機(jī)組COP、制冷機(jī)組能耗、制冷機(jī)組耗電量。

表 2 分時(shí)電價(jià)

表 3 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)主要設(shè)備性能

根據(jù)分時(shí)電價(jià)政策,該蓄冷系統(tǒng)在0:00—9:00采用模式C(邊蓄邊供),在9:00—10:00采用模式A(冷機(jī)單獨(dú)供冷),在10:00—19:00采用模式B(單獨(dú)釋冷供冷),在19:00—24:00采用模式A(冷機(jī)單獨(dú)供冷),在室外溫度較低時(shí)采用模式D(直蓄直供)。

2.3 典型日能耗分析

2.3.1 夏季典型日

1) 外溫情況。7月29日各時(shí)刻溫度與冷機(jī)COP如圖4所示。該日全天氣溫高,冷卻水溫度高,因此需要始終開(kāi)啟冷機(jī)制冷蓄冷。

圖 4 溫度負(fù)荷分析Fig.4 Temperature and load analysis

2) 能耗分析。原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)能耗對(duì)比圖如圖5所示。從圖5的分析對(duì)比可得,使用蓄冷系統(tǒng)后,全天總能耗由26.13 MW·h減少為26.12 MW·h,總計(jì)減少0.06%。

圖 5 能耗分析Fig.5 Energy consumption analysis

3) 經(jīng)濟(jì)性分析。當(dāng)日的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如圖6所示。由原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)電費(fèi)的分析對(duì)比可得,使用蓄冷系統(tǒng)后,全天電費(fèi)由1.24萬(wàn)元減少為0.87萬(wàn)元,總計(jì)減少30.27%。這天,采用蓄冷系統(tǒng)不僅減少了能耗,而且節(jié)約了電費(fèi)。

圖 6 經(jīng)濟(jì)性分析Fig.6 Economic analysis

2.3.2 春秋季典型日

1) 外溫情況。3月15日各時(shí)刻溫度與冷機(jī)COP如圖7所示。

圖 7 溫度負(fù)荷分析Fig.7 Temperature and load analysis

該日晚上氣溫低,白天氣溫高,因此晚上直接利用冷卻水制冷蓄冷,白天開(kāi)啟冷機(jī)制冷。

2) 能耗分析。原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)能耗對(duì)比結(jié)果如圖8所示。由原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)的能耗分析對(duì)比可得,使用蓄冷系統(tǒng)后,全天總能耗由19.73 MW·h減少為17.12 MW·h,總計(jì)減少13.23%。

圖 8 能耗分析Fig.8 Energy consumption analysis

3) 經(jīng)濟(jì)性分析。當(dāng)日的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如圖9所示。由原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)電費(fèi)的分析對(duì)比可得,使用蓄冷系統(tǒng)后,全天電費(fèi)由0.96萬(wàn)元減少為0.65萬(wàn)元,總計(jì)減少32.67%。在該日,采用蓄冷系統(tǒng)不僅減少了能耗,而且節(jié)約了電費(fèi)。

圖 9 經(jīng)濟(jì)性分析Fig.9 Economic analysis

2.3.3 冬季典型日

1) 外溫情況。1月20日各時(shí)刻溫度與冷機(jī)COP如圖10所示。

圖 10 溫度負(fù)荷分析Fig.10 Temperature and load analysis

該日全天氣溫低,因此可以始終直接利用冷卻水制冷蓄冷,不需要開(kāi)啟冷機(jī)。

2) 能耗分析。原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)能耗對(duì)比結(jié)果如圖11所示。由原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)的能耗分析對(duì)比可得,使用蓄冷系統(tǒng)后,全天總能耗由14.00 MW·h增加為14.32 MW·h,總計(jì)增加2.29%。

圖 11 能耗分析Fig.11 Energy consumption analysis

3) 經(jīng)濟(jì)性分析。當(dāng)日的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如圖12所示。由原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)電費(fèi)的分析對(duì)比可得,使用蓄冷系統(tǒng)后,全天電費(fèi)由0.63萬(wàn)元減少為0.52萬(wàn)元,總計(jì)減少17.03%。采用蓄冷系統(tǒng)會(huì)增大能耗,故可不采用蓄冷方案。

圖 12 經(jīng)濟(jì)性分析Fig.12 Economic analysis

2.4 月度能耗分析

原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)能耗對(duì)比如圖13(a)所示。由原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)的能耗分析對(duì)比可得,使用蓄冷系統(tǒng)后,本月總能耗由782.05 MW·h增加為783.02 MW·h,總計(jì)增加0.12%。

該月的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如圖13(b)所示。由原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)電費(fèi)的分析對(duì)比可得,使用蓄冷系統(tǒng)后,本月電費(fèi)由37.07萬(wàn)元減少為26.06萬(wàn)元,總計(jì)減少29.69%。本月采用蓄冷系統(tǒng)雖然沒(méi)有減少能耗,但是節(jié)約了電費(fèi)。

(b) 經(jīng)濟(jì)性分析

2.5 全年運(yùn)行分析

2.5.1 能耗分析

評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的性能指標(biāo)是PUE(power usage effectiveness),是指數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗的比值。評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)效率的性能指標(biāo)是GCOP(general coefficient of performance),該系數(shù)在制冷機(jī)組性能系數(shù)COP的基礎(chǔ)上結(jié)合了數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)其他設(shè)備能耗,是指數(shù)據(jù)中心總能耗和冷卻系統(tǒng)能耗的差值與冷卻系統(tǒng)能耗的比值。

圖14(a)和(b)分別給出了全年原系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)的能耗構(gòu)成。

(a) 原系統(tǒng)

(b) 蓄冷系統(tǒng)

從圖14可以看出:使用蓄冷系統(tǒng)后,全年總能耗由7 645.00 MW·h下降為7 513.23 MW·h,下降了1.72%,PUE和GCOP分別可以達(dá)到1.23和5.83,具有良好的節(jié)能效果和綠色前景。

2.5.2 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)該數(shù)據(jù)中心的全年供冷需求,對(duì)原系統(tǒng)和水蓄冷系統(tǒng)的全年運(yùn)行情況進(jìn)行了分析,如圖15所示。原系統(tǒng)全年制冷耗電為354.01萬(wàn)元,而改造后的水蓄冷系統(tǒng)供冷耗電僅為262.75萬(wàn)元,電費(fèi)降低了91.26萬(wàn)元(合25.78%)。以上分析均說(shuō)明通過(guò)水蓄冷系統(tǒng)的改造,可以達(dá)到較好的“削峰填谷”的效果,將白天電力高峰時(shí)段及平時(shí)段的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到夜間電力低谷時(shí)段,一是夜間溫度較白天低,制冷機(jī)組運(yùn)行效率有所提高,二是夜間的低谷電價(jià)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用的大幅度降低。

圖 15 全年經(jīng)濟(jì)性分析Fig.15 Annual economic analysis

3 結(jié) 論

1) 由于該數(shù)據(jù)中心具有足夠大的空間,滿(mǎn)足水蓄冷需要的條件,而且所需供冷溫度為16 ℃,與水蓄冷供冷溫度較為匹配,因此采用水蓄冷系統(tǒng)在夜間低溫時(shí)段蓄冷能夠保證制冷機(jī)組高效率運(yùn)行。

2) 基于數(shù)據(jù)中心全天連續(xù)供冷且負(fù)荷比較穩(wěn)定的特征,采用蓄冷系統(tǒng),需要增加蓄冷機(jī)組等設(shè)備,初投資會(huì)有所增加;但是通過(guò)用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能,將白天電力高峰時(shí)段及平時(shí)段的冷負(fù)荷向夜間低谷時(shí)段轉(zhuǎn)移,可有效提升“削峰填谷”的效果,利用峰谷電價(jià)差以降低運(yùn)行費(fèi)用的效果顯著,全年運(yùn)行費(fèi)用較原系統(tǒng)相比可降低25.78%。

3) 從夏季、冬季、過(guò)渡季典型日以及典型月、全年的逐時(shí)運(yùn)行情況來(lái)看,水蓄冷系統(tǒng)可較好地保證各個(gè)時(shí)段的用冷需求,且白天的電力消費(fèi)大部分都轉(zhuǎn)移到夜間,實(shí)現(xiàn)了良好的節(jié)電效果。

4) 粵港澳大灣區(qū)晝夜溫差小,利用夜間低溫進(jìn)行高效制冷或延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間雖具有一定的節(jié)能效果,但是由于增加了蓄冷/釋冷水泵的能耗,節(jié)能效果不明顯,全年僅可降低1.72%,甚至在夏季會(huì)增加能耗,因此需要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)配置。