2个案例：数据中心空调节能技术应用

    本期我们分享数据中心空调节能系统的2个案例。          

              

第一个案例：大连2500机架数据中心      

         

该数据中心采用如下措施进行节能设计：

选用 800RT 离心式冷水机组三台（输入功率466kW）， 400RT 螺杆式冷水机组两台（输入功率265kW），总制冷量 3200RT，另根据机房级别设置备用。运营初期负荷极小的情况下，利用螺杆机调节范围的优势，避免部分负荷的低能效和系统喘振。根据气象参数、工程设计条件确定系统供回水温度，计算免费供冷的切换温度并结合实际情况适当降低确定实际切换温度，以避免频繁切换，获得合理的免费供冷期。

期内对应制冷机设计匹配的冷却塔、板式换热器，用于自然冷却免费间接供冷。当季节过渡，室外湿球温度超过切换温度时开启制冷机，制冷机配变频器可实现冷却水的低温运行，最低运行温度可低至 13℃。更低的冷凝侧温度使机组在小压缩比工况下工作，性能系数 COP 值大幅提高，相当于间接利用了自然冷源免费供冷。

配合以上技术措施，冷冻水侧采用 12℃/18℃的高水温，一方面进一步降低压缩比，另一方面高于室内空气 11.9℃ 的露点温度，实现了空调末端干工况运行。干工况不仅简化了系统，更适用于机房的工作环境，更是杜绝了不必要的除湿再加湿过程抵消的制冷量。与提高的冷冻水温相对应，空调器回风温度提高至 30℃，既加大了送风温差降低能耗，又使末端设定工况更接近实际情况，有利于运行的控制。

本工程采用的各项技术措施之间关系密切，不可相互孤立使用，需结合实际情况整体性灵活运用。

经济指标

按照该数据中心节能设计，冷却水夏季 30/36，冬季 10/16 经板换至 12/18 冷冻水 12/18。夏季冷却塔冷幅 5℃，湿球温度 25℃。冬季冷却塔冷幅 8℃，切换湿球温度 2℃。根据设计温度可确定空调系统免费供冷期约为 100 天，过渡期约为 120 天，夏季标准运行工况约为 145 天。

（1）免费供冷期

单台制冷机压缩机运行功率 413kW，全部自然冷却，相当于可节约电量 413kW，考虑管道电伴热、积水盘电加热等因素，节能效果按 75% 计算，则 4 台机组共节能 413×75%×4=1239kW，年节约电量 297 万 kW·h。

（2）过渡季

制冷机配变频器可实现冷却水低温运行，最低温度可达 13℃。整个过渡季按冷却水平均水温22/28℃ 考虑，冷冻水按 7/12℃ 考虑，同一制冷机组较标准工况下输入功率降低， 800RT 的制冷机在过渡季实际运行功率为 413kW，则 4 台机组共节能99×4=396kW，年节约电量 114 万 kW·h。

（3）夏季

提高冷冻水温，制冷机 COP 提升带来的能耗节约：

合计年节约电量 81 万 kW·h。

（4）常规冷冻水供回水温度

7/12℃ 工况下，整个数据中心机房部分选用空调器 54 台，空调器单 台 制 冷 量 170kW， 风 量 41400m3/h， 输 入 功 率8.0kW。其送风状态点 A（见下页焓湿图）：干球温度 12.1℃，湿球温度 11.3℃， d=8.2g/kg。机房内基本无湿负荷，空气吸收机架散热后升温到新建状态点 B：干 球 温 度 23℃， d=8.2g/kg，i=44.1kj/kg；再通过而电极式蒸汽加湿器等温加湿，到达室内状态点 C：干球温度 23℃， d=8.9g/kg ， i=45.9kj/kg。从B 到 C 过程的⊿ i=1.8 kj/kg，即为除湿又加湿过程增加的潜热冷负荷：1.8kj/kg×41400m3/h×1.2kg/m3×54=1341kW。

按冷水机组 COP 值 6.0 计算，此部分耗电功率223.5kw，即为可节约能耗。全年可以节约电量为196 万 kW·h。

（5）提高冷冻水温带来了空调器末端制冷能力的降低

整个数据中心机房部分选用空调器 54 台，空调器单台制冷量 170kW，风量 41400m3/h，输入功率 11.2kW。常规冷冻水供回水温度 7/12℃ 工况下，单台空调器输入功率只需要 8.0kW。故单台能耗增加 3.2kW， 54 台机组共增加 172.8kW。全年增加耗电量 151 万 kW·h。

各项措施综合累计节能效果：297+114+81+196-151=537kW。

本数据中心设计年耗电量为 7737 万 kW·h，其中空调系统耗电约为 3100 万 kW·h。采用本技术措施节能约 17.32%。

 

第二个案例：上海某大型数据中心      

         

 
该数据中心位于上海，1期总建筑面积约6万平方，总规划机架数约为5000架。其主供冷系统采用的是6套节能型水冷冷冻水系统，每套系统均采用磁悬浮变频冷水机组，2+1模式配制，并对应配置冷冻水泵、冷却水泵、开式冷却水塔、水处理及补水装置。同时为每台冷机配板式换热器，用于过度季节和冬季采用自然空气冷源。机房内采用冷冻水型列间或房间级精密空调。系统设2台250m3储冷罐，可保证系统最长20分钟的不间断供冷需求。

系统中冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、各型精密空调风机都采用变频控制系统。冷冻水和冷却水主干网、每层空调水系统都采用环网布置,避免发生单点故障影响整个管网系统。

数据中心供冷系统节能原理与策略分析

1.机房精密空调节能原理与策略

该数据中心机房精密空调皆采用EC变频风机水冷精密空调。该项目所选精密空调购自国内某知名品牌,产品技术具有一定的代表意义。所采用的水冷精密空调主要为水冷房间级空调和列间空调。房间级空调的主要参数为:显冷量150kW,额定风量39000m3/h,余压150Pa,送风20,60%rh,回风32℃,30%rh,额定制冷功率9.45kW,EC风机,下送风上回风;列间空调主要参数为:显冷量44kW,额定风量11050m3/h,余压20Pa,送风20℃,60%rh,回风32℃,30%rh,额定制冷功率.05kW,EC风机,前送风后回风。

我们采用标准焓差室对该品牌的房间级空调和列间空调的样机,在设定工况不同空调负荷下的功耗进行了测试。主要对100%、80%、60%和40%冷负载下的功耗进行了测量,具体结果见图3。

从测试结果可以发现,随着冷负荷下降,这2种精密空调的能耗都大幅下降,例如对房间级精密空调,当负荷从100%下降到80%时,功耗从约9.5kW下降至不足4.5kW,降幅约50%;对于列间空调,从图3中可以看到类似的规律,在负荷下降20%的情况下,功耗下降了约50%。

从变频精密空调测试结果得出,随变频精密空调负载率下降,空调能耗有较大下降,效率提升约160%。这提示我们,保持变频精密空调在较低负载下运行,是一个有效的降低数据中心能耗的途径,具体措施则是在正常负载下,除正常运行的空调外,同时开启部分或全部备机,用于降低各机的负载率,总供冷量保持不变的情况下,能效得到极大提示。需要注意,我们的测试表明,EC变频空调在负载率低于60%时,空调送风余压会有大幅降低,降低约40%。为保证送风压力,建议保持空调负载率在60%及以上。

2.冷水机组的节能原理与策略

此数据中心采用某国际知名品牌的变频磁悬浮离心式冷水机组,采用2+1配置,单机制冷量为1300rt,冷冻水供、回水温度分别为15℃、21℃。同时,冷水机组配合板式换热器共同工作,以便在过度季和冬季,实现部分和全部自然供冷。整套制冷系统中,冷冻水泵采用二次泵系统,其中一次泵与冷水机组一一对应,同时板式换热器也与冷水机组一一对应。冷水机组的供、回水主管采用环网结构,具体流程可见图2。二次泵从冷水机组的供回主管环网中吸取冷冻水,送往末端,其供水干网同样采用环网型式,提升供水可靠性。二次泵与冷水机组不存在一一对应关系。

图4显示了该磁悬浮离心式冷水机组在冷供、回水温度为15℃、21℃下,对应不同冷却水进口温度时,其COP在不同负载率下的变化规律。从图4中可以看出,在各冷却水进口温度下,该型变频冷水机组COP的变化规划存在共性:

1）冷水机组COP效率最高的区间出现在负荷30%-60%之间;
2）冷却水进口温度越低，COP效率越高，且随水温下降，COP增长率变大，图5中可以明显的看出这样的变化，随冷却水进口温度下降曲线斜率在增加;
3）冷水机组满负荷运行时,COP效率偏低;
4）同一冷却水进口温度下,冷水机组COP随负载率的降低,呈现先增加,在40%负载左右达到最大后,逐步下降的趋势;
5）冷水进口温度较低时,低负载区间的机组COP要远大于满载时的COP,典型表现见图4中18℃和22℃的曲线。

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