水蓄冷設(shè)備在數(shù)據(jù)中心的多功能聯(lián)合應(yīng)用

文_鄒元霖 高青 蔡宇 王志剛 北京英灃特能源技術(shù)有限公司

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展時(shí)期。隨著數(shù)據(jù)中心面積、規(guī)模的增加，數(shù)千甚至上萬(wàn)臺(tái)IT設(shè)備同時(shí)在線，產(chǎn)生了大量的熱量和電力消耗，制冷和降耗成為了數(shù)據(jù)中心面臨的最大挑戰(zhàn)。

水蓄冷是利用水的顯熱實(shí)現(xiàn)冷量的儲(chǔ)存。現(xiàn)階段水蓄冷技術(shù)作為數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急冷源系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中得到了很大的推廣和應(yīng)用。

蓄冷罐等蓄冷設(shè)備不僅可以用作數(shù)據(jù)中心應(yīng)急制冷，同時(shí)也具備了其他輔助功能，如峰谷電價(jià)運(yùn)營(yíng)調(diào)優(yōu)、早期低負(fù)載運(yùn)行調(diào)優(yōu)等。

本文以上海某聯(lián)通數(shù)據(jù)中心的水蓄冷系統(tǒng)為例，探討水蓄冷設(shè)備在數(shù)據(jù)中心的“應(yīng)急冷源”與“削峰填谷”的聯(lián)合應(yīng)用。

1 工程概況

上海某聯(lián)通數(shù)據(jù)中心建筑總面積約為2.15萬(wàn)m2，其中數(shù)據(jù)中心空調(diào)建筑面積為12530m2，工藝?yán)湄?fù)荷19173kW。

2 水蓄冷技術(shù)簡(jiǎn)介

水蓄冷能技術(shù)是利用水在不同溫度下密度不同進(jìn)行自然分層的原理，利用當(dāng)?shù)氐姆骞入妰r(jià)政策，在夜間建筑低谷負(fù)荷且電價(jià)較低時(shí)段主機(jī)開(kāi)啟進(jìn)行蓄能，在白天電價(jià)高峰負(fù)荷時(shí)段蓄能設(shè)備釋能，將低谷電價(jià)時(shí)段儲(chǔ)存的能量移到高峰負(fù)荷時(shí)段使用，移峰填谷，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

在水蓄冷技術(shù)中，關(guān)鍵的部件是蓄能設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)能防止所蓄冷（熱）水與回流溫（冷）水的混合。為實(shí)現(xiàn)這一目的，目前常采用自然分層蓄冷、多設(shè)備式蓄冷、迷宮式蓄冷和隔膜式蓄冷方法。其中，自然分層蓄冷方法簡(jiǎn)單、有效，是保證水蓄冷系統(tǒng)最為經(jīng)濟(jì)和高效的方法。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 冷源配置

冷水主機(jī)采用1600RT離心式冷水主機(jī)6臺(tái)，4用2備；循環(huán)水泵、板式換熱器、冷卻塔也按4+2進(jìn)行配置。

空調(diào)冷凍水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為二次泵系統(tǒng)，一次泵、板式換熱器、冷卻塔與冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng)，冷凍水二次泵、冷卻水泵采用變頻水泵，一次管路設(shè)計(jì)為環(huán)路，二次管路為雙支路環(huán)路，保證系統(tǒng)可在線維護(hù)，提高可靠性。設(shè)計(jì)聯(lián)系供冷系統(tǒng)，二次泵，精密狂徒機(jī)組風(fēng)機(jī)。兩路UPS供電。

采用開(kāi)式蓄冷罐，設(shè)置在室外。平時(shí)夜間蓄冷罐處于蓄冷狀態(tài)，充滿14℃的冷凍水。平時(shí)白天部分電價(jià)高峰時(shí)段，關(guān)閉電制冷機(jī)運(yùn)行，采用蓄冷罐補(bǔ)充供冷，至少可以提供2h的供冷，降低冷機(jī)運(yùn)行費(fèi)用。當(dāng)市電斷電，制冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)入柴機(jī)供電，在冷水機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前，二次泵，機(jī)房精密空調(diào)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，蓄冷罐處于供冷狀態(tài)，提供精密空調(diào)機(jī)組冷凍水，保證IT機(jī)房15min的連續(xù)供冷。當(dāng)蓄冷罐出現(xiàn)故障時(shí)，常閉電動(dòng)閥開(kāi)啟，閥門正常開(kāi)啟信號(hào)確認(rèn)后，可關(guān)閉蓄冷供回水管上的電動(dòng)閥。

3.2 蓄冷罐配置

本項(xiàng)目采用開(kāi)式非承壓水蓄冷鋼罐，直徑14m，總高35.1m,液位高度33m，體積5154m3，供回水溫度14～21℃，有效蓄冷量35605kWh，作為數(shù)據(jù)中心應(yīng)急冷源及削峰填谷使用。蓄冷罐產(chǎn)品由蓄冷罐專業(yè)廠家進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與施工。

（1）罐體設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目蓄冷罐設(shè)計(jì)為滿足高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，采用壓力容器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)罐體壁板、底板厚度，焊接工藝及探傷等級(jí)要求。

（2）蓄冷罐布水器設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目蓄冷罐設(shè)計(jì)了多種組合式布水器，運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)原理使用CFD專業(yè)軟件對(duì)蓄冷罐的使用狀態(tài)進(jìn)行模擬，不斷的校核布水器設(shè)計(jì)參數(shù)，修正斜溫層厚度，使蓄冷罐的有效利用率達(dá)到90%以上，保證了蓄冷罐可以高效運(yùn)行。

4 蓄冷罐在系統(tǒng)中的作用

4.1 應(yīng)急冷源

數(shù)據(jù)中心保持每年365d，每天24h的常年運(yùn)行工況，為滿足數(shù)據(jù)中心應(yīng)急制冷的需求，蓄冷罐可作為應(yīng)急冷源使用。在數(shù)據(jù)中心電力故障期間為空調(diào)系統(tǒng)提供所需冷量，保障數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行。

根據(jù)計(jì)算，滿足15min應(yīng)急冷量為：19173×0.25=4793kWh，所需蓄冷罐體積約為700m3。

4.2 削峰填谷

本項(xiàng)目用于削峰填谷的蓄冷罐體積為4454m3，蓄冷量30812kWh，用于峰谷電價(jià)運(yùn)營(yíng)調(diào)優(yōu)，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。利用峰谷電力價(jià)格的差異，選擇在夜間蓄冷，白天通過(guò)蓄冷罐給數(shù)據(jù)中心制冷的模式進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本蓄冷罐自2016年5月完工運(yùn)行至今，通過(guò)對(duì)蓄冷罐各高度溫度的監(jiān)測(cè)可知，蓄冷罐實(shí)際運(yùn)行工況為14～18℃。通過(guò)對(duì)蓄冷罐下部2個(gè)溫度探點(diǎn)（T5、T10），上部3個(gè)溫度探點(diǎn)（T20、T25、T30）連續(xù)10天的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，本蓄冷罐下部水溫一直保持在14℃左右，說(shuō)明下部蓄冷罐一直處于數(shù)據(jù)中心應(yīng)急冷源備用狀態(tài)，上部水溫隨著時(shí)間有規(guī)律的在14～18℃變化，夜間溫度降低，白天溫度升高，說(shuō)明上部蓄冷罐夜間蓄冷白天釋冷，作為建筑物削峰填谷使用。溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 蓄冷罐溫度變化曲線

統(tǒng)計(jì)蓄冷罐T5、T10、T20、T25、T30，5天的溫度變化曲線可知，蓄冷罐下部溫度一直穩(wěn)定在14℃左右波動(dòng)，蓄冷罐上部溫度變化在14℃和18℃區(qū)間變化，說(shuō)明上部分蓄冷罐處于釋冷和蓄冷工況。

6 節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用估算

15min 應(yīng)急冷負(fù)荷為：19173×0.25=4793kWh；冷水機(jī)組參數(shù)：制冷量5627kW，耗電功率776kW，COP為7.25；削峰填谷冷負(fù)荷為：30812kWh，耗電量為4250kWh。

本項(xiàng)目峰谷電價(jià)差約為0.9元/kWh，所以每日節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用3825元。數(shù)據(jù)中心在冬季可采用自然冷源進(jìn)行自由冷卻，上海地區(qū)自由冷卻時(shí)間約為84天，采用電制冷的時(shí)間為281天，則年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用107.5萬(wàn)元。

7 結(jié)論

蓄冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，不僅可作為應(yīng)急冷源使用，在條件允許的情況下，也可以作為實(shí)現(xiàn)電力削峰填谷功能使用。蓄冷技術(shù)削峰填谷功能將會(huì)在未來(lái)的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中占據(jù)主流，隨著數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗的日趨增長(zhǎng)以及很多數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目配置2N系統(tǒng)，利用備用機(jī)組在電價(jià)低谷時(shí)段蓄冷，白天電價(jià)高峰時(shí)段釋冷是平衡電網(wǎng)負(fù)荷，降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)行費(fèi)用的新舉措。所以，在數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)計(jì)中，合理科學(xué)地應(yīng)用水蓄冷技術(shù)，可以提高數(shù)據(jù)中心在運(yùn)行使用過(guò)程中的節(jié)能效果，提高數(shù)據(jù)中心的PUE值。