電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用?Electronics?Design?&?Application10.3969/j.issn.1000-0755.2016.01.023數(shù)據(jù)中心水冷空調(diào)冷源系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行謝?靜 蔣雅靖上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究有限公司摘?要：空調(diào)冷源系統(tǒng)耗電在數(shù)據(jù)中心總用電量中占比接近一半本文主要針對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷源系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)水冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的研究分析，提出了多種行之有效的節(jié)能運(yùn)行策略，可顯著地降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)為今后數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)的節(jié)能減排起到重要的示范作用關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；空調(diào)冷源系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；節(jié)能引言據(jù)預(yù)測(cè)，到2016年中國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模將突破1000億人民幣[1]就目前原始設(shè)備出口總量而言，中國(guó)及亞太已經(jīng)遠(yuǎn)超世界其他區(qū)域從全球視角而言，中國(guó)正在成為全球最大的數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)然而，在大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)中仍存在著許多問(wèn)題，值得深入探索并不斷完善統(tǒng)計(jì)顯示，數(shù)據(jù)中心的冷卻用電占機(jī)房總功耗的40%左右如何降低大型數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)的的運(yùn)行能耗，從根本上降低PUE(評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo))成為亟待解決的課題本文分別從制冷主機(jī)運(yùn)行及控制策略、IDC機(jī)房空調(diào)的合理設(shè)計(jì)及系統(tǒng)輕載運(yùn)行等方面進(jìn)行了闡述，提出了一系列行之有效的數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。

正文1?制冷主機(jī)運(yùn)行及控制策略空調(diào)冷水系統(tǒng)一般包括冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵等主要部件，大多數(shù)建筑物都是使用兩臺(tái)(或兩臺(tái)以上)的冷水機(jī)組供冷，冷水機(jī)組大部分時(shí)間內(nèi)均在部分負(fù)荷下運(yùn)行優(yōu)化制冷主機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，同時(shí)對(duì)冷凍水、冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，能使冷水機(jī)組高效、可靠地運(yùn)行1.1?制冷主機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)優(yōu)化1.1.1?離心式冷水機(jī)組部分負(fù)荷的能效比特點(diǎn)離心式冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下運(yùn)行的條件不同，其部分負(fù)荷的能效比變化趨勢(shì)不同，根據(jù)冷卻水進(jìn)水溫度變化，冷水機(jī)組在部分負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行規(guī)律見(jiàn)表1[2]表1?冷卻水進(jìn)水溫度對(duì)冷水機(jī)組部分負(fù)荷的能效比影響?(參見(jiàn)右欄)冷水機(jī)組是按照設(shè)計(jì)工況選擇的，當(dāng)冷卻水進(jìn)水溫度低于設(shè)計(jì)工況時(shí)，冷水機(jī)組的滿負(fù)荷制冷量可能會(huì)大于其設(shè)計(jì)冷量(額定冷量)超額冷量一般表1?冷卻水進(jìn)水溫度對(duì)冷水機(jī)組部分負(fù)荷的能效比影響是5%左右，它不僅受到“壓縮機(jī)過(guò)電流保護(hù)”的限制，而且受到冷凝器與蒸發(fā)器的壓差不宜過(guò)低的限制另外，在冷水機(jī)組負(fù)荷相同的條件下，若冷卻水進(jìn)水溫度降低，則冷水機(jī)組的COP會(huì)升高冷水機(jī)組在非設(shè)計(jì)工況下，仍可能滿負(fù)荷運(yùn)行在多臺(tái)冷水機(jī)組運(yùn)行管理中，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷逐步減少時(shí)，會(huì)關(guān)閉部分冷水機(jī)組，使剩余的冷水機(jī)組在較高負(fù)荷區(qū)域滿負(fù)荷運(yùn)行。

因此在設(shè)計(jì)選型時(shí)適當(dāng)增加冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)，在空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷時(shí)，減少冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)是節(jié)能的措施之一1.1.2?多臺(tái)離心式冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行規(guī)律據(jù)統(tǒng)計(jì)只有15%左右的建筑物使用單臺(tái)冷水機(jī)組供冷，而85%左右的建筑物使用兩臺(tái)（或以上）的冷水機(jī)組供冷為了讓每臺(tái)冷水機(jī)組運(yùn)行在高能效的較高負(fù)荷區(qū)域，冷水機(jī)組的群控方案應(yīng)確保每臺(tái)冷水機(jī)組絕大部分時(shí)間運(yùn)行在50%以上負(fù)荷范圍內(nèi)，以達(dá)到既節(jié)約冷水機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用，又節(jié)約與之相對(duì)應(yīng)的水泵、冷卻塔的運(yùn)行時(shí)間及電費(fèi)的目的當(dāng)建筑物中的冷水機(jī)組的數(shù)量越多時(shí)，每臺(tái)機(jī)組接近滿負(fù)荷運(yùn)行的概率越大由于大部分建筑物都是使用兩臺(tái)(或兩臺(tái)以上)81電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用?Electronics?Design?&?Application冷水機(jī)組供冷，并且冷水機(jī)組的群控方案基本保證每臺(tái)冷水機(jī)組絕大部分時(shí)間運(yùn)行在50%以上負(fù)荷范圍內(nèi)，因此在選擇離心式冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)時(shí)，需注意：1）.離心式冷水機(jī)組的NPLV值不能真實(shí)反映多臺(tái)冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)的實(shí)際能耗情況，因此可采取比較離心式冷水機(jī)組的COP為主，比較其NPLV值為輔的方式，評(píng)估多臺(tái)冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)的實(shí)際能耗情況2）.合理選擇冷水機(jī)組的臺(tái)數(shù)，綜合考慮兩方面因素。

增加設(shè)計(jì)的冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)是節(jié)能運(yùn)行的措施之一，在空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷減少時(shí)，可減少冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)但是需綜合考慮由于冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)增加，導(dǎo)致冷水機(jī)組的單機(jī)制冷量減少，對(duì)于同一系列的機(jī)組而言，單機(jī)制冷量減小，其COP值也相對(duì)較小，對(duì)冷水機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行不利3）.從實(shí)際出發(fā)選擇冷水機(jī)組的臺(tái)數(shù)和單機(jī)制冷量一般工程以3～5臺(tái)冷水機(jī)組為宜，基本上是多臺(tái)同一冷量的冷水機(jī)組這樣既考慮離心式冷水機(jī)組在不同冷量范圍的性價(jià)比和COP值，又考慮冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔的互為備用，還考慮冷水機(jī)組的群控系統(tǒng)的復(fù)雜程度及其成本冷水機(jī)組臺(tái)數(shù)過(guò)多，會(huì)相應(yīng)增大冷水機(jī)房面積，因?yàn)槊恳慌_(tái)冷水機(jī)組都需要維修空間，并且水泵、冷卻塔所需的空間也相應(yīng)增大根據(jù)能效和設(shè)備性能，提供最優(yōu)設(shè)備運(yùn)行組合和優(yōu)化每臺(tái)冷水機(jī)組負(fù)荷分配，可根據(jù)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)專業(yè)軟件提供智能控制算法以便最大限度的根據(jù)負(fù)載需求實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，合理控制冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效節(jié)能地運(yùn)行為了讓每臺(tái)冷水機(jī)組運(yùn)行在高能效的較高負(fù)荷區(qū)域，應(yīng)確保每臺(tái)冷水機(jī)組絕大部分時(shí)間運(yùn)行在50%以上負(fù)荷范圍內(nèi)，以達(dá)到既節(jié)約冷水機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用，又節(jié)約與之相對(duì)應(yīng)的水泵、冷卻塔的運(yùn)行時(shí)間及電費(fèi)的目的1.2?變工況節(jié)能冷卻水系統(tǒng)1.2.1?冷卻水溫度的優(yōu)化點(diǎn)確定冷水機(jī)組提供冷量的同時(shí)還產(chǎn)生熱量，通過(guò)冷卻塔散熱。

冷卻水溫度變化后，冷水機(jī)組能耗和冷卻塔能耗的變化趨勢(shì)卻相反，見(jiàn)表2表2?冷卻水的溫度對(duì)冷卻塔和冷水機(jī)組能耗的影響故把冷卻塔能耗與冷水機(jī)組能耗相加，可以尋找冷卻水溫度的優(yōu)化點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于總能耗曲線上的最低點(diǎn)1.2.2?冷卻水溫度優(yōu)化點(diǎn)隨運(yùn)行工況變化而改變冷卻水溫度的優(yōu)化點(diǎn)取決于很多參數(shù)，如冷卻負(fù)荷、空氣的濕球溫度或環(huán)境狀態(tài)等冷水機(jī)組和冷卻塔的綜合能耗最低點(diǎn)不是對(duì)應(yīng)于恒定的冷卻水溫度點(diǎn)，如圖1所示[2]圖1?系統(tǒng)負(fù)荷變化與冷卻水最優(yōu)化溫度點(diǎn)關(guān)系圖假如在室外濕球溫度18℃時(shí)，一臺(tái)1550冷噸的離心式冷水機(jī)組滿負(fù)荷的工作狀態(tài)曲線如圖1，它表明在此負(fù)荷、此濕球溫度下，隨著冷卻水溫度的不同，冷水機(jī)組和冷卻塔的總能耗也隨之不同在此狀態(tài)下的冷卻水的優(yōu)化溫度為24℃，對(duì)應(yīng)于總能耗曲線上的最低點(diǎn)當(dāng)隨著負(fù)荷減少，室外濕球溫度的下降，冷卻水的優(yōu)化溫度也會(huì)隨之發(fā)生變化在冷水機(jī)組荷載達(dá)到1160冷噸時(shí)，濕球溫度在14℃的條件下，冷卻水的優(yōu)化點(diǎn)移到了21℃因此，不同的濕球溫度，不同的冷水機(jī)組荷載會(huì)產(chǎn)生出不同的優(yōu)化溫度點(diǎn)冷水機(jī)組能耗與冷水機(jī)組的性能曲線有關(guān)，而冷卻塔能耗與冷卻塔的性能曲線有關(guān)，需采用智能化的控制系統(tǒng)將冷卻塔運(yùn)行控制與冷水機(jī)組運(yùn)行控制緊密地結(jié)合。

1.2.3?變工況調(diào)節(jié)冷卻水溫度主要由冷水機(jī)組和冷卻塔性能曲線、空氣濕球溫度和環(huán)境狀態(tài)以及冷卻負(fù)荷這三個(gè)方面來(lái)確定的變工況冷卻系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是把系統(tǒng)的發(fā)熱量用最小的功耗帶走，并為系統(tǒng)提供相對(duì)理想的冷卻水溫度，適應(yīng)不同空氣濕球溫度及不同冷負(fù)荷工況變化，為系統(tǒng)綜合COP做貢獻(xiàn)由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)段均運(yùn)行于部分負(fù)荷下，冷卻塔容量按照滿負(fù)荷配置，同時(shí)配有備用冷卻塔82電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用?Electronics?Design?&?Application及自由冷卻系統(tǒng)冷卻塔(此部分塔在非自由冷卻時(shí)段可與主機(jī)配備的塔體聯(lián)合使用)，這些設(shè)備配置就為變工況冷卻系統(tǒng)的實(shí)施奠定了基本的物質(zhì)基礎(chǔ)在日常運(yùn)行中，根據(jù)環(huán)境濕球溫度、冷卻水流量、進(jìn)回水溫度，控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)量，為主機(jī)提供最佳冷卻水溫，做好相關(guān)數(shù)據(jù)的紀(jì)錄與整理，從中歸納匯總找出內(nèi)在的聯(lián)系及規(guī)律，為主機(jī)運(yùn)行提供最佳的冷卻溫度，優(yōu)化冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行方案同時(shí)應(yīng)當(dāng)明確增加冷卻塔運(yùn)行臺(tái)數(shù)、降低冷卻水出水溫度，必然導(dǎo)致冷卻塔蒸發(fā)損失、排污損失及飄逸損失的加大，不可避免的會(huì)增大冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)水量，所以確定冷卻水最佳冷卻溫度，需同時(shí)考慮補(bǔ)水量的影響1.3?適當(dāng)提高空調(diào)供水溫度的節(jié)能運(yùn)行適當(dāng)提高制冷主機(jī)的蒸發(fā)溫度及冷水的出水溫度是提升制冷系統(tǒng)整體節(jié)能效果的一個(gè)有力措施。

隨著冷水機(jī)組的出口冷水溫度升高，冷水機(jī)組的制冷量逐漸增加，COP值逐漸增加，從4.4℃到9.5℃，冷水溫度升高5.1℃，冷水機(jī)組的冷量增加了30.2%，COP?值增加了7.9%冷水溫度的升高使冷水機(jī)組的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度升高，從而改善主機(jī)的制冷性能，使得制冷量和COP值增加(見(jiàn)圖2)如空調(diào)負(fù)荷發(fā)生變化，可以通過(guò)調(diào)節(jié)離心式制冷機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉或者調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，改變蒸氣吸入量，以適應(yīng)供冷量的要求所以提高冷水供水溫度不會(huì)引起供冷量偏大的問(wèn)題圖2?冷水溫度對(duì)機(jī)組性能的影響下圖顯示了在不同的出水溫度條件下，冷水機(jī)組的制冷量與用電功率的典型關(guān)系圖3?冷水機(jī)組出水溫度與制冷量和用電功率的關(guān)系?(參見(jiàn)右欄)不難看出，隨著出水溫度的提升，制冷量和用電功率都在增加，但制冷量的增幅更大以上分析表明，根據(jù)氣象條件和空調(diào)負(fù)荷的變化，確定合理的供水溫度，這樣既可提高制冷機(jī)組運(yùn)行能效比，又可延長(zhǎng)自由冷卻使用時(shí)間圖3?冷水機(jī)組出水溫度與制冷量和用電功率的關(guān)系確定冷水溫度的運(yùn)行參數(shù)，需根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)負(fù)荷、室外氣象參數(shù)、末端專用空調(diào)處理能力三方面的因素確定值得注意的是，冷水機(jī)組的出水溫度也不可以不受限制的提高，且對(duì)于末端空調(diào)設(shè)備而言，當(dāng)來(lái)自冷水機(jī)組的冷凍水供水溫度提升時(shí)，其制冷量將隨之下降，專用空調(diào)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)必然會(huì)有所增加，其對(duì)應(yīng)的功耗也會(huì)有一定程度的上升；當(dāng)專用空調(diào)制冷量衰減過(guò)大，即會(huì)出現(xiàn)末端專用空調(diào)制冷總量無(wú)法滿足數(shù)據(jù)機(jī)房所需冷負(fù)荷，那勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)機(jī)房環(huán)境溫度升高。

2?IDC機(jī)房空調(diào)的合理設(shè)計(jì)2.1?IDC機(jī)房的氣流組織合理的冷熱通道分布，可以避免因局部熱點(diǎn)，導(dǎo)致空調(diào)溫度設(shè)定過(guò)低從而引起的高功耗機(jī)架“背對(duì)背”、“面對(duì)面”布置是最基礎(chǔ)的冷熱通道布置(如圖4)，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步考慮封閉熱通道(如圖5)或冷通道(如圖6)，進(jìn)而提高氣流組織的效率，使空調(diào)運(yùn)行在高效狀態(tài)[3]通過(guò)大量的CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真模擬軟件)模擬，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，總結(jié)了大多數(shù)情況下，封閉冷通道效率更高，究其原因是由于冷通道可以使機(jī)柜得到更多的進(jìn)風(fēng)，可以有效冷卻設(shè)備，降低主設(shè)備的出風(fēng)溫度，最終的結(jié)果就是可以提高空調(diào)回風(fēng)溫度的設(shè)定點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能圖4?機(jī)房冷熱通道布置示意圖圖5?封閉熱通道后的溫度場(chǎng)圖6?封閉冷通道后的溫度場(chǎng)(參見(jiàn)下頁(yè))機(jī)柜內(nèi)氣流設(shè)計(jì)是引導(dǎo)空氣最大限度改進(jìn)冷卻效果的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)合理的機(jī)柜，其氣流組織順暢且無(wú)冷熱氣流摻混，高效地利用了空調(diào)提供的低溫空氣，提高了冷風(fēng)的利用效率無(wú)論是何種形式的機(jī)柜，都要合理設(shè)計(jì)機(jī)柜內(nèi)部的氣流組織首先，83電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用?Electronics?Design?&?Application判斷開(kāi)啟的空調(diào)臺(tái)數(shù)；3）.判斷機(jī)房總的溫度控制或濕度控制趨勢(shì)，保持多臺(tái)機(jī)組協(xié)同運(yùn)行，避免出現(xiàn)制冷、制熱同時(shí)出現(xiàn)，或加濕、除濕同時(shí)出現(xiàn)的情況。

3?輕載運(yùn)行數(shù)據(jù)中心通常發(fā)熱量大，導(dǎo)致配置的水冷主機(jī)容量較。