數(shù)據(jù)中心機房冷凍水空調系統(tǒng)的組成和節(jié)能設計

前言：

隨著高性能服務器等IT設備的應用，高熱密度數(shù)據(jù)中心對機房制冷提出更高的要求，而冷凍水型空調系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機房早已是一個成熟應用，但不少用戶對該系統(tǒng)的應用還存在保守的現(xiàn)象，本文將分析冷凍水空調系統(tǒng)的幾種節(jié)能措施，以幫助數(shù)據(jù)中心用戶更好的實現(xiàn)節(jié)能增效，下面介紹數(shù)據(jù)中心機房冷凍水空調系統(tǒng)的一般組成、管路設計模式以及節(jié)能方法等，對于相關工程的咨詢設計工作有一定的借鑒與指導。

目前數(shù)據(jù)中心機房空調大多數(shù)采用風冷型專用空調機組，其具有裝置靈活、可靠安全的優(yōu)點，但也存在性能系數(shù)較低、運行性能不穩(wěn)定、受室外環(huán)境溫度變化動搖較大、室內(nèi)外機組裝置管線較短、室外冷凝器占用大量建筑面積的缺點。隨著機架熱負荷在逐漸上升，考慮到室外冷凝器對建筑立面影響較大且冷凝器的安裝位置受室內(nèi)機位置和建筑立面的限制，風冷型專用空調機組經(jīng)常滿足不了需要。采用集中冷源空調系統(tǒng)即冷水機組+冷凍水型專用空調機組方案(以下統(tǒng)稱冷凍水空調系統(tǒng))變得更為普遍。

冷凍水空調系統(tǒng)使用集中冷源，制冷效率較高;采用冷卻塔蒸發(fā)冷卻，不需設置風冷冷凝器，降低環(huán)境噪音，對建筑立面影響小;數(shù)據(jù)中心機房采用冷凍水空調系統(tǒng)具有一定水平的節(jié)電降耗價值，特別是一些中、大型項目上不但節(jié)能效益顯著，而且可以減少空調設備的投資。但凡事有利則有弊，由于冷凍水空調系統(tǒng)中安裝的設備及閥門等部件較多，系統(tǒng)單點故障點較多，為達到靈活、可擴展、可靠、適用、易維護和節(jié)能的需求，冷凍水空調中的水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設計比較復雜。深入研究冷凍水空調系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機房中的應用，對于目前移動數(shù)據(jù)中心機房建設工作具有極其重要的作用。

冷凍水空調系統(tǒng)的一般組成

1、冷水機組

冷水機組是指能生產(chǎn)冷凍水的機械制冷設備(見圖2-1)，冷水機組為冷卻民用建筑而生產(chǎn)的冷水溫度一般為7℃,若用于冷卻數(shù)據(jù)中心機房，此溫度常顯太低。較高的水溫能夠減少機房的加濕負荷，提高空調顯熱比，具有很大的節(jié)能潛力。冷水溫度較高的缺點是使空調末端換熱器配置規(guī)格加大。

冷水可以是100%的水，或是水與乙二醇的混合物(如管路位于有凍結危險區(qū)域)，當水中有乙二醇或添加劑時，冷水機組的容量會有所衰減。

2、冷卻塔

冷卻塔是將循環(huán)冷卻水在其中噴淋，使之與空氣直接接觸，通過蒸發(fā)和對流把攜帶的熱量散發(fā)到大氣中去的冷卻裝置，冷卻塔有各種形狀、規(guī)格、配置與冷卻容量。由于冷卻塔需要有環(huán)境空氣進出的通路，所以通常設置于室外，一般在屋面或架高平臺上。對設有冷卻塔的數(shù)據(jù)中心機房空調系統(tǒng)，應有補水儲存，以避免在市政停水時冷卻塔失水。在大型空調系統(tǒng)中，冷卻塔通常選用橫流塔，每臺塔由若干相同模塊組成，根據(jù)空調負荷和室外溫度靈活臺數(shù)控制，并配置風機變頻調速，能起到很好的節(jié)能效果。

3、水泵

冷凍水空調系統(tǒng)中主要的水泵是冷凍水循環(huán)水泵和冷卻水循環(huán)水泵，泵系統(tǒng)設計應考慮節(jié)能、可靠性與冗余度，在滿足安全的情況下，水泵配置設計時通?？膳渥冾l調速裝置，并采用高效電機，這樣，對于每周7天，24小時運行的泵來說，節(jié)能效果很顯著。

4、冷凍水型專用空調機組

冷凍水型專用空調機組主要結構分為兩部份：風機段、制冷盤管，其它選配件包括電加熱器、電極式加濕器等。冷凍水管接管位置設置在機組的背面或側面;通常該機組的送風方式采用下送風，風機段安裝于高架地板之下，空氣從機組頂部吸入，從機組底部送出;采用大風量小焓差設計原則，顯熱比大;在典型工況下(回風溫度24℃，相對濕度50%，進/出水溫度7/12℃)的制冷量范圍30~210KW，風量范圍9000~50000 m3/h;送風機配置EC調速外轉子式電機將有良好的節(jié)能效果;冷水機組、冷卻塔、水泵和專用空調等4部分是冷凍水空調系統(tǒng)的主要耗能設備，除以上主要設備外，還有一些附屬設備，包括分水器、集水器、水處理器、補水泵、定壓裝置、蓄冷罐等，在此不一一贅述。

5、冷凍水空調系統(tǒng)管路設計

在數(shù)據(jù)中心機房冷凍水空調管路設計中，最重要的一點是可靠性，在可靠性的基礎上兼顧易用和節(jié)能。根據(jù)數(shù)據(jù)中心機房的面積、高度、工藝負荷、功能要求等，可采用各種不同的管路方式，這些管路方式應在不增加機房風險情況下，有不同程度的管道冗余、可調節(jié)及在線維護功能。

冷凍水空調系統(tǒng)節(jié)能設計

(1)高溫冷凍水設計：

通常冷凍水空調中采用機械壓縮冷水機組，其節(jié)能性主要體現(xiàn)在能效比EER(energy efficiency ratio)和部分負荷效率IPLV (Integrated Part Load Value)。同樣溫差情況下，提高壓縮機蒸發(fā)溫度可以提高壓縮機效率，按粗略估計，蒸發(fā)溫度每升高1℃， EER能提高2~3%。同樣，提高蒸發(fā)溫度對于利用自然冷源是有利的，對于同一個氣候區(qū)來說，蒸發(fā)溫度越高，每年可資利用的自然冷卻時間則越多，以北京地區(qū)為例，在一個標準年內(nèi)，溫度在7℃(標準工況蒸發(fā)溫度)以下的時間是3025小時，溫度在10℃以下的時間是3562小時。

數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境控制設備的傳統(tǒng)運行是保持機房空調的回風工況。典型的回風溫度20~24℃，導致了來自空調的送風溫度在10~16℃之間。若熱通道/冷通道環(huán)境設計合理，則可采用較高的送風溫度，由此可用較高的冷水溫度或蒸發(fā)溫度。最終能在滿足冷負荷的需要下以可能的最高溫度運行供冷系統(tǒng)，達到最大程度的節(jié)能效果。

從另一個方面，數(shù)據(jù)中心機房露點控制是控制加濕和除濕的一種有效辦法。數(shù)據(jù)中心機房一般推薦的相對濕度范圍是40~60%之間，相對濕度過高有可能給數(shù)據(jù)中心設備帶來諸多問題，包括導電陽極故障、吸濕性粉塵故障和腐蝕等，極端情況下，水蒸汽在電子元器件或電介質材料表面形成水膜，容易引起電子元器件之間出現(xiàn)形成通路。當相對濕度過低時，容易產(chǎn)生較高的靜電電壓。機房濕度的設計值對機房運行時加濕和除濕的能耗有很大的影響。大多數(shù)數(shù)據(jù)中心機房主要的濕源是室外空氣，目前新建的數(shù)據(jù)中心機房密閉性都較好，從外界空氣傳入的水蒸汽不多，機房除濕能耗相對不大，主要能耗體現(xiàn)在加濕過程中，降低機房設計濕度將減少加濕能耗，提高機房空調末端的顯熱比。在機房設定相比濕度較低的情況下，當冷凍水空調進水溫度高于機房熱通道露點溫度(一般12℃以上)，則在空調末端也許無需加濕，機房在干工況下運行，即提高衛(wèi)生標準，又起到節(jié)能作用。因此，總的來說，應放棄越冷越好的想法，冷水供水溫度和機房送風溫度應盡可能提高，運行在可允許的較高的機房溫度和較低的相對濕度設定范圍內(nèi)，不僅可以提高制冷效率，而且能降低加濕能耗，在大多數(shù)氣候條件下還能大大增加利用自然冷源的時間。

(2)大溫差設計

根據(jù)某冷水機組樣機特性曲線顯示，蒸發(fā)器兩側冷水溫差對于冷水機組的效率影響很小，因此，從節(jié)能的角度考慮，加大冷凍水供回水溫差是有利的。較大的溫差可使流量減少，于是冷凍水泵的能耗降低，通常冷凍水空調供回水溫差是5℃，如溫差加大到6℃，冷凍水量將減少17%。但應該注意，對于具體設備，系統(tǒng)設計者應獲得產(chǎn)品的特性曲線，采用大溫差設計可能會潛在地降低冷水機組效率或加大冷水盤管規(guī)格。

而通過資料顯示，冷水機組效率隨冷卻水溫差的加大而降低。想通過增大冷卻水溫差以降低水泵能耗將明顯導致冷水機組的效率降低，因此，在考慮采用冷卻水大溫差設計前，需以年為基礎對冷卻水泵能耗和冷水機組能耗進行詳細的分析。

(3)自然冷源利用

冷凍水空調系統(tǒng)即使采用高效設備、系統(tǒng)設計優(yōu)秀，其全年運行能耗也是十分顯著的。一般情況下，如果沒有利用自然冷源，數(shù)據(jù)中心機房PUE值很難低于1.7。要降低PUE，通常主要的途徑是利用自然冷源。根據(jù)氣候區(qū)的不同采用合理的免費制冷方案，數(shù)據(jù)中心機房制冷系統(tǒng)全年能耗通常能節(jié)約10~50%，甚至有時可能更高。

通常利用自然冷源方式分為直接自然冷卻和間接自然冷卻兩種方式，直接自然冷卻意味著直接利用室外的空氣來冷卻室內(nèi)/設備，這類自然冷卻通常應用在低熱負載的戶外數(shù)據(jù)中心機柜和在溫度濕度低要求的場所，與冷凍水空調系統(tǒng)聯(lián)系不大，不在此贅述。

間接自然冷卻意味著通過使用干冷器，冷卻塔或者通過冷水機組的自然冷卻盤管利用室外冷空氣把水冷卻到一定的程度，這樣冷水就能通過機房空調機組的冷凍水盤管進行制冷，表示通過干冷器、自然冷卻盤管進行自然冷卻的原理圖

間接自然冷卻與冷凍水空調系統(tǒng)結合可采用冷凍水加閉式冷卻塔的雙冷源系統(tǒng)。空調系統(tǒng)制冷冷源選擇：由冷水機組(配開式冷卻塔)和閉式冷卻塔(提供自然冷源)兩部分作為制冷冷源，根據(jù)室外氣溫的變化采取相應的組合運行方式來滿足制冷需求，空調末端采用高顯熱供冷的雙盤管機房空調機組。

夏季運行模式為冷水機組(開式冷卻塔運行)獨立運行，由冷水機組為空調末端提供冷凍水;冬季運行模式為閉式冷卻塔利用室外低溫自然冷源獨立為空調末端提供冷凍水;過渡季節(jié)，高壓離心式冷水機組和閉式冷卻塔同時運行，由于機房內(nèi)采用了雙盤管機組，過渡季節(jié)優(yōu)先采用閉式冷卻塔提供的冷凍水對空調末端進行冷卻，當冷量不能滿足機房要求時再啟動冷水機組供冷，從而減少壓縮機的運行時間，降低空調系統(tǒng)能耗。由于該空調系統(tǒng)冷源為雙冷源，空調末端為雙盤管系統(tǒng)，在冬季和過渡季節(jié)的使用不但不存在自然冷源和冷水機組供冷切換控制的風險，管道系統(tǒng)還能互為備用，運行可靠，控制簡單。與傳統(tǒng)的冷凍水空調系統(tǒng)相比，增加了閉式冷卻塔、室內(nèi)單盤管機組改為雙盤管機組，雖然增加部分管路和設備投資，但運行節(jié)電。

冷凍水系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能的一些方法

(1)采用中溫冷凍水系統(tǒng)，提高冷凍水供回水溫度至12/18℃，水冷機組COP值可從5.5提高至7.0，預計節(jié)能15～20%;大型可采用高壓離心冷水機組磁懸浮冷水機組。

(2)采用溫濕度獨立控制系統(tǒng)。

(3)在上述冷凍水水溫的前提下，可提高機房送風溫度至干球溫度16～18 ℃以上，滿足ASHRAE Class A1等級要求;以及中國電信的標準要求。

(4)采用冷凍水、風機變頻控制;

(5)采用冷卻塔間接制冷;

其他實現(xiàn)節(jié)能的一些方法:

(1)機房專用空調采用EC風機;直流變頻風機;效率高、可按需送風。

(2)機房專用空調采用溫濕度獨立控制設計，避免冷熱抵消現(xiàn)象;浪費能量;

(3)機房專用空調無電加熱;預計室內(nèi)機部分節(jié)能20～30%;

(4)機房空調采用小風量大晗差的設計思想，溫差大于10℃;

(5)采用新風直接制冷;熱管空調;

(6)采用等焓加濕過程的濕膜加濕機組，在空氣增加含濕量的同時，空氣的干球溫度也隨之降低，從而有效減輕機房空調的制冷負荷;

供電系統(tǒng)節(jié)能的一些辦法：

(1)使用高頻UPS、直流供電等;

(2)提高負載率，這是節(jié)能的最好方式，同時也是最直接的;

關于空調冷源節(jié)能設計:

水冷型冷凍水系統(tǒng)通過板式換熱器實現(xiàn)水側自然冷卻，在北京地區(qū)預期有3~4個月可實現(xiàn)完全或部分自然冷卻，使得年均PUE的貢獻值可下降0.1~0.2;

冬季可通過水源熱泵系統(tǒng)回收機房余熱，承擔建筑物所需的供熱負荷(如：新風系統(tǒng)、辦公區(qū)域、發(fā)電機房等)，節(jié)省了工程造價和運維費用。

如何提升數(shù)據(jù)中心冷凍水空調系統(tǒng)的能效

(1)提高冷水機組的出水溫度

提高冷水機組的出水溫度是提升制冷系統(tǒng)整體節(jié)能效果的一個有力措施。根據(jù)工程經(jīng)驗和冷水機組廠家提供的數(shù)據(jù)，在其它參數(shù)不變的條件下，每當提高1℃的出水溫度，冷水機組的制冷量將提高3%~4%，而功耗約增加1%左右。

下圖顯示了在不同的出水溫度條件下，冷水機組的制冷量與用電功率的典型關系。

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。簡單的說，隨著冷水機組出水溫度的提升，我們可以利用更少的電力消耗提供更多的制冷量。這顯然是一項有效提升制冷系統(tǒng)能效的措施，值得注意的是，冷水機組的出水溫度也不可以不受限制的提高，且對于末端空調設備而言，當來自冷水機組的冷凍水供水溫度提升時，其制冷量將隨之下降。為避免這種情況發(fā)生，就需要末端空調廠家在研發(fā)階段就以高溫冷凍水供水和高回風溫度條件進行設計。

能在研發(fā)與生產(chǎn)階段就全面考慮到數(shù)據(jù)中心冷凍水空調系統(tǒng)的最佳能效，這樣的廠家顯然鳳毛麟角。在某用戶的集裝箱數(shù)據(jù)中心內(nèi)，冷凍水進水溫度20℃條件下，實測的制冷量高達37 kW/臺。

(2)充分利用自然冷源，實施自然冷卻

提高冷水機組的出水溫度即提高末端空調的供水溫度，它引申出的另一個好處是能夠最大限度利用室外冷源進行自然冷卻。

在冷凍水系統(tǒng)上增加一套空氣/水熱交換器，從末端空調返回的高溫冷凍水進入該熱交換器并被冷卻至合適的低溫，低溫冷凍水再被送入末端空調，吸收IT設備的散熱又變成高溫冷凍水，并再次返回熱交換器，如此循環(huán)。

審核編輯：湯梓紅