談數(shù)據(jù)中心的空調(diào)節(jié)能方案

朱家楨

(東莞市依仕實業(yè)投資有限公司，廣東東莞 523000)

現(xiàn)代網(wǎng)絡信息技術(shù)發(fā)展迅猛，人類社會對它的需求和依賴與日俱增，云計算數(shù)據(jù)中心的建設正步入了一個飛速發(fā)展的階段。過去由于這類大型數(shù)據(jù)中心項目稀少，人們對節(jié)能減排的意識不強，導致現(xiàn)在許多地區(qū)對該項目都是第一次接觸，因此無論是項目設計、施工還是監(jiān)理工作，都存在著不同程度的認識不夠、技術(shù)欠缺、經(jīng)驗不足和能力欠佳等問題。筆者有幸在近兩年接連參與了幾項數(shù)據(jù)中心的設計方案討論、施工過程監(jiān)督和運行調(diào)試檢測工作，針對數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能問題，在此提出一點粗淺的觀點和看法，僅供業(yè)內(nèi)人士參考。

數(shù)據(jù)中心的最大特點就是其一旦投入使用，就必須保證它的運行是連續(xù)不間斷的，因此對于影響系統(tǒng)正常運行的所有設備、管道乃至冷媒(采用蓄冷罐蓄冷)都應按等級留有相應的備份;數(shù)據(jù)中心耗電量高，空調(diào)冷負荷大，且以數(shù)據(jù)中心設備發(fā)熱量為主，圍護結(jié)構(gòu)冷負荷僅占極小部分，即使在寒冷的冬季也需為其供冷。上述特點決定了數(shù)據(jù)中心空調(diào)專業(yè)的節(jié)能空間很大(采用冷水機組系統(tǒng)制冷時空調(diào)耗電量約占整個中心用電量的25%以上)，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設計的好壞直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心運行成本的高低。當前在建和近兩年剛剛投入使用的數(shù)據(jù)中心，其空調(diào)節(jié)能主要是采用較大的供回水溫差(一般為6℃)，主系統(tǒng)為中溫水(供水溫度一般為10℃ ～15℃)的雙冷源加冬季板式換熱器節(jié)能系統(tǒng)，并輔以二次泵變頻流量控制的節(jié)能方案。筆者所述方案主要是冬季(含初春、深秋)采用室外空氣直接為機房設備降溫(簡稱新風直冷)，進而取代板式換熱器節(jié)能系統(tǒng)(簡稱板換降溫)的可行性和經(jīng)濟性。

隨著科技水平和產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，近年來數(shù)據(jù)中心機房冷熱通道的溫度要求也在逐步升高，由原來的16℃/26℃提高到了23℃/33℃甚至更高，這就給我們冬季采用室外自然空氣直接為機房設備降溫帶來更大的空間。本文就以冷熱通道要求23℃/33℃為例來進行下一步探討，理論上只要室外空氣溫度降低到了23℃以下，即可采用室外空氣直接為其降溫。在我國大部分地區(qū)全年有50%以上的時間氣溫都在23℃以下，即便是廣東、福建南部等夏熱冬暖地區(qū)全年也有30%以上的時間在23℃以下。當然，為確保室內(nèi)環(huán)境的潔凈度，必須做好新風系統(tǒng)的防塵凈化措施，同時配備相應的除濕、加濕設施，以便在濕冷或干冷的氣候條件下保證設備環(huán)境相對濕度要求。

新風直冷系統(tǒng)在實際操作中可將室外氣溫23℃這一界限略作調(diào)整，如22℃～18℃。這不僅與系統(tǒng)配置的新風設備大小有關(guān)，還與當時當?shù)氐氖彝饪諝鉂穸群蜐崈舫潭扔嘘P(guān)。如果空氣濕度過大或者過小，應適當降低界限溫度，減少新風量，加大回風量。以免為確保室內(nèi)濕度而過分增大系統(tǒng)的除濕量和加濕量。如果當時當?shù)氐氖彝饪諝鉂崈舳容^差(霧霾、風沙等天氣)，也應降低界限溫度，減少新風量以減輕濾塵設施的壓力。當然偶遇極其惡劣的天氣，可暫停使用新風直冷系統(tǒng)，改由冷水機組供冷。新風直冷系統(tǒng)的冷通道溫度可根據(jù)室外溫度的變化通過調(diào)節(jié)新回風比例來進行控制。

下面就以某T3級數(shù)據(jù)中心為例，對上述兩種空調(diào)節(jié)能方案在滿負荷節(jié)能系統(tǒng)全力運行時的投資與運行狀況做一概要分析對比:

1)水泵運行參數(shù)對比表見表1。

表1 水泵運行參數(shù)對比表

2)冷卻塔運行參數(shù)表見表2。

表2 冷卻塔運行參數(shù)表

3)機房正壓新風空調(diào)柜運行參數(shù)表見表3。

表3 機房正壓新風空調(diào)柜運行參數(shù)

4)板式換熱器參數(shù)及總價匯總表見表4。

表4 板式換熱器參數(shù)及總價匯總表

5)空調(diào)末端設備及新風直冷需增加的通風設備(估算)。

按冷量3 000 kW/臺×4臺=12 000 kW總負荷，單臺冷量150 kW/臺來折算空調(diào)末端設備臺數(shù):共計12 000/150=80臺，每臺風量按30 000 m3/h，據(jù)此新風直冷系統(tǒng)需增設通風柜概算見表5。

表5 新增通風柜概算表

6)新增通風管系統(tǒng)，通風柜配套電氣設備管線造價(估算)。

新增通風管系統(tǒng)造價:約140萬元。

新增通風柜配套電氣設備管線造價:約50萬元。

7)板式換熱器連接水管及閥門管件造價:約80萬元。

綜合上述情況分析對比如下:

a.節(jié)能角度對比:板換降溫系統(tǒng)運行功率需628+176+22=826 kW。而新風直冷系統(tǒng)的運行功率為440 kW。其余設備耗電量二者相同，二者相差826－440=386 kW，顯然后者較前者更為節(jié)能。

b.運行費用比較:板換降溫較新風直冷系統(tǒng)每月多用電費(按1.0 元/度計算)，386 kW ×24 h/d ×30 d×1.0 元/度 =277 920元≈27.8萬元，但后者較前者每月多用過濾器清潔更換費用約8萬元(估算)，因此前者較后者每月多用運行費用為:27.8 －8=19.8萬元。

c.初期投資比較:板換降溫系統(tǒng)約需投資100+80=180萬元，新風直冷系統(tǒng)約需投資:140+110+50=300萬元。即后者較前者多投資300－180=120萬元。

基于以上三個方面的分析對比，新風直冷系統(tǒng)在初期投資上雖然較板換降溫系統(tǒng)多120萬元，但因為在運行費用方面新風直冷較板換降溫系統(tǒng)每月少用約19.8萬元，故在系統(tǒng)投入冬季節(jié)能運行6個月(120萬元/19.8萬元/月≈6月)后即可將后者多投資的120萬元收回(當然實際運行時系統(tǒng)不可能始終處于滿負荷的工作狀態(tài)，因此實際的資金回收期應更長一些)，所以新風直冷是一個非常值得投資的節(jié)能方案。

由于板換降溫需利用室外空氣經(jīng)冷卻塔使冷卻水冷卻，冷卻水再經(jīng)板式換熱器傳遞至冷凍水，再由冷凍水經(jīng)空調(diào)末端設備交換成所需的冷風送入室內(nèi)。這樣一個復雜的過程需經(jīng)三次冷熱交換，三次冷熱輸送才能完成，不僅運轉(zhuǎn)設備多而且輸送距離長，勢必降低了室外空氣降溫的熱效率。而新風直冷則無需如此復雜的冷熱交換和輸送過程，僅用一次輸送即可將室外空氣直接送入室內(nèi)降溫，提高了室外空氣利用率。當冷通道要求溫度為23℃時，板換降溫方案通常要求室外氣溫應在18℃以下(當然空氣的濕度也會對其產(chǎn)生影響)方可進行節(jié)能方式運行，而新風直冷方案只需要室外氣溫達到22℃以下即可運行，因此大大縮短了冷水機組電制冷的年運行時間，從而進一步縮短了新風直冷系統(tǒng)投資回收期(新風直冷較電制冷日節(jié)電約6萬度)。不僅如此，它還具備了其他進一步節(jié)能運行的特點:

1)即使室外氣溫高于冷通道溫度規(guī)定的23℃，只要略低于熱通道溫度(如28℃以下)，且室外空氣質(zhì)量較好(濕度適中，潔凈度較高)就可以采用大量新風替代回風，經(jīng)降溫處理后送入室內(nèi)，以減少冷水機組所需制冷量，從而達到節(jié)能的目的。

2)在冬季采暖季節(jié)可將熱通道33℃的熱空氣用于辦公、走廊等其他房間的采暖，達到余熱利用的目的。

3)因為新風直冷系統(tǒng)在冬季運行中的介質(zhì)是空氣而不是水，整個運行過程均為干過程，所以即便室外氣溫在0℃以下，也無需像板換降溫系統(tǒng)那樣必須對室外露天的冷卻塔、冷卻水管道采取電加熱和電伴熱等措施來進行防凍。既節(jié)省了這部分的初期投資，也減少了系統(tǒng)的用電量。

綜上所述，筆者認為新風直冷的節(jié)能方案較板換降溫節(jié)能方案可能更具有推廣性，適用于全國大部分地區(qū)。所不同的是，隨著各地區(qū)氣候環(huán)境的不同，方案設計時應作不同的細化處理，且投資回收時間也有所不同，其新風比的大小與節(jié)能運行界限點也不同，實際應用時應根據(jù)各地區(qū)氣候環(huán)境特點的變化而變化。由于該方案在冬季節(jié)能運行時需從室外引入大量的新風進行降溫，并需要將大量的余熱排出室外，因此數(shù)據(jù)中心在選址以及內(nèi)部工藝布局設計中應引起足夠的重視，做好這兩項工作將使新風直冷節(jié)能方案發(fā)揮出更大的經(jīng)濟效益。