數據中心冷凍水供水溫度設計取值探討

陸瓊文

華東建筑設計研究總院

關鍵字：數據中心；冷凍水供水溫度；冷水機組；冷卻塔供冷

0 引言

數據中心機房是包含計算機系統及配套的數據連接系統、網絡系統、環境控制系統、監控設備系和安全裝置等，是對一個企業的業務系統與數據資源進行集中、集成、共享和分析的場所。

近年來，隨著信息技術的快速發展和待處理數據信息量的激增，我國數據中心機房，尤其是大型和超大型的數據中心機房在未來數年內將呈現井噴式增長。

由于數據中心內部的高性能服務器機柜發熱密度急劇增加，因此，數據中心機房較其他功能建筑，其建筑冷負荷需求大幅增加、空調能耗巨大。據統計，數據中心的能耗約占我國全社會總能耗的2%，占總建筑能耗的10%。數據中心機房巨大的能耗需求，對我國當前的能源形勢造成了一定程度的挑戰。

根據數據中心機房的負荷特點，合理選取數據中心機房空調系統的冷凍水供水溫度，不僅能合理選取設備容量、降低工程設備造價，而且能有效降低數據中心電能利用率PUE值和數據中心能耗，達到節能環保與經濟效益兼顧的雙重目標。

1 冷凍水供水溫度對冷水機組的影響

數據中心冷負荷主要是服務器、UPS等用電設備的散熱形成的顯熱負荷，潛熱負荷占比很小，因此可用較高的冷凍水供冷溫度來滿足冷負荷需求。提高冷水機組蒸發溫度和提高冷凍水供水溫度，可以顯著提高機組的運行效率。制冷機運行性能可以用性能系數COP（Coefficient of Performance）值加以評價。影響制冷機性能系數的因素有：蒸發溫度、冷凝溫度和機組負荷率。

圖1是蒸汽壓縮式制冷循環壓-焓圖，1-2為絕熱壓縮過程，2-3為等壓冷凝過程，3-4為絕熱節流過程，4-1為等壓蒸發過程。當蒸發溫度升高，制冷循環由1-2-3-4-1變為1’-2’-3-4’-1’。對制冷循環產生如下影響：

圖1 蒸發溫度升高對制冷循環的影響

制冷劑的單位質量制冷量由q0增大為q0’；

制冷劑的單位質量壓縮功由w減小為w’，壓縮機COP值增大；

制冷劑排氣溫度由t2下降至t2’。排氣溫度過高會使潤滑油黏度降低甚至炭化，影響機件的潤滑和機組的正常運行；

制冷劑節流后的干度由χ4下降到χ4’，制冷循環節流損失減小。

根據上述分析，當冷水機組的冷凍水供水溫度提高時，機組的性能系數COP會相應增大。此外，由于冷凍水供水溫度提高，機組供冷量會相應增加，意味著對應同樣的冷量需求，機組容量的選型可相應減小，單位供冷量的造價會相應降低。表1是某品牌冷水機組的不同冷凍水供水溫度情況下機組的COP值。

表1 冷凍水供水溫度對制冷機組運行性能的影響

由表1可知，隨著冷凍水供水溫度的提高，冷水機組COP增大。當冷凍水供水溫度為15℃時，較7℃時的COP提高26．3%，每提高1℃冷凍水供水溫度，冷水機組COP約提高3．3%。

2 冷凍水供水溫度對冷卻塔供冷的影響[1]

冷卻塔供冷是指建筑物需要供應空調冷水時，停止運行或部分運行冷水機組，利用為冷水機組配置的冷卻水系統，通過冷卻塔與室外低溫空氣進行熱交換，獲取低溫冷卻水，為空調系統提供冷量的技術。

一般情況下，板式換熱器與冷水機組為并聯連接。濕球溫度達到某一數值時，冷水機組停止運行，系統冷量全部由冷卻塔提供。圖2為典型的冷卻塔供冷系統。

圖2 典型冷卻塔供冷系統

2.1 冷水系統綜合性能系數

冷水系統綜合性能系數WSCOP定義為：空調冷水系統供冷量與冷水機組、冷水泵、冷卻塔及冷卻水泵凈輸入能量之比。

WSCOP用于評價冷水系統在一定供冷量工況下的系統運行能效。

2.2 分析模型

按圖2所示原理，建立分析模型，各設備參數如表2所示：

2.3 冷水機組供冷模式

當系統按冷水機組在供冷模式運行時，圖2中各設備及閥門運行工況如表3所示：

假定冷水機組負荷率為100%，此時機組COP僅與冷卻水進水溫度有關，而冷卻水進水溫度與濕球溫度ts有關，可以通過計算獲得WSCOP與ts的關系式，即：

隨著室外濕球溫度的降低，WSCOP線性上升。當濕球溫度為t1時，冷卻塔出口溫度達到冷水機組最低冷卻水允許溫度，此時圖2中冷卻水系統旁通管V7進行開度調節，保證進入機組的冷卻水溫度等于t1，自此WSCOP值不隨濕球溫度而變化。t1與機組性能、冷凍水供水溫度有關，同樣的機型隨著冷凍水供水溫度的提高，其最低冷卻水允許溫度相應升高。

表2 主要設備參數

表3 冷水機組供冷模式設備及閥門狀態

2.4 免費供冷模式

隨著濕球溫度的進一步降低，當板式換熱器的供冷量可全部滿足系統供冷量需求時，系統便可轉換為冷卻塔免費供冷模式。各設備及閥門工況見表4。

此時，冷水機組停止運行，系統僅依靠冷卻塔冷卻就可獲得所需供冷量，V5進行旁通調節，控制冷凍水供水溫度。此時WSCOP為一定值。切換溫度t2與冷凍水供水溫度成正比，冷凍水水溫越高，相應的切換溫度也越高，見表5。

2.5 全年運行曲線

根據上述分析及計算，可以獲得全工況運行曲線，如圖3所示：

圖3 冷卻塔供冷WSCOP值與濕球溫度關系

切換溫度t1與機組性能、冷凍水供水溫度有關，同樣的機型隨著冷凍水供水溫度的提高，其最低冷卻水允許溫度相應升高；切換溫度t2與冷凍水供水溫度、冷卻塔性能有關。在同樣的冷卻塔選型情況下，較高的冷凍水供水溫度意味著系統可以有較高的切換溫度；濕球溫度的分布近似于正態分布，如圖4所示，這意味著冷卻塔免費冷卻供冷的時長會明顯增加，系統的運行費用會有相應的減少。

圖4 上海地區濕球溫度時間分布頻數

根據上海地區濕球溫度統計結果，計算不同冷凍水供水溫度下的冷源側單位冷量年耗電量值，結果如圖5所示。隨著冷凍水供水溫度提高，冷源側電量消耗逐步降低。當冷凍水供水溫度為7℃時，冷源側電量為1 617kWh/kW；冷凍水供水溫度為11℃時，冷源側電量為1 483kWh/kW，降幅為8．3%；冷凍水供水溫度提高至15℃時，冷源側電量為1 263kWh/kW，降幅為21．9%。

圖5 不同冷凍水供水溫度下冷源側單位冷量年耗電量

3 冷凍水供水溫度對機房空調的影響

機房空調是數據機房類建筑常用的末端換熱設備，其熱工性能主要受到以下4個因素影響：進口空氣參數、處理風量、冷凍水供水溫度和冷凍水流量。

選取JW20-4型表冷器，按照文獻[2]介紹的基于熱交換效率的熱工計算方法，計算不同工況條件下的表冷器供冷量，可以獲得供冷量與供水溫度之間的關系。

假設表冷器進口空氣干球溫度24℃，相對濕度50%，迎風速度2．5m/s，水流速1．5m/s，計算不同冷凍水供水溫度下的供冷量，計算結果見表6。

表4 免費冷卻模式設備及閥門狀態

表5 冷凍水供水溫度與冷卻塔免費供冷切換溫度的關系

表6 不同冷凍水供水溫度下的表冷器供冷量

假定供水溫度7℃時的供冷量為100%，圖6為不同供水溫度對供冷量的影響情況。根據圖6可以得到以下結論：（1）供水溫度與全熱供冷量分階段呈線形關系；（2）濕工況下，冷凍水供水溫度每提高1℃，全熱供冷量降低約8%，顯熱供冷量降低5%；（3）干工況下，供冷量下降約6%。

圖6 供水溫度對供冷量的影響

由于提高冷凍水供水溫度，表冷器供冷量會線性減少，因此對于固定的冷量需求，不同的冷凍水供水溫度工況需對應不同的機組選型，表7是某品牌機房空調的選型結果。

對應相同的制冷量（顯熱），隨著冷凍水供水溫度的提升，機組選型不斷加大，對應的風機運行功率以及設備造價隨之增大。圖7是不同冷凍水供水溫度下，對應單位供冷量的機房空調年耗電量。根據前述分析，冷凍水供水溫度的提高對于冷凍機的造價、冷凍機和冷卻塔供冷系統的能耗是有正向作用，但對于末端換熱設備的造價和運行能耗有反向影響，因此，必須綜合分析系統的全年運行能耗和生命周期費用，見圖8和圖9。

圖7 供水溫度對機房空調能耗的影響

圖8 供水溫度對系統耗電量的影響

表7 不同冷凍水供水溫度下的機房空調性能

圖9 供水溫度對系統生命周期費用的影響

冷凍水供水溫度在11℃以下，機房空調表冷器處于濕工況，系統的耗電量以及生命周期費用隨溫度增加緩慢增長，差異不顯著。當冷凍水供水溫度升高至11℃以上后，機房空調表冷器處于干工況，相關數值顯著增大。

4 冷凍水供水溫度對于溫度場的影響

冷凍水供水溫度提升，機房空調的送風量和送風溫度會相應增大，對工藝場所的熱環境會產生不同影響。針對某數據中心機房，利用CFD模擬軟件對冷凍水供水溫度為7℃、11℃、15℃時不同的送風風量和送風參數情況下對機房的熱環境進行模擬。

設定機房面積為640m2，高架地板500mm，層高5m；共228個IT設備機柜，單機柜4kW；機房南北側配置兩組房間級精密空調，每組均為8用2備。按照設計工況進行評估，同時考慮如下影響機房氣流組織的關鍵參數：

①機柜前后網孔門、空氣通過機柜安裝導軌及盲板的泄漏率；

②未獲得統一邊界，空調采用送風控制，相應供水溫度下的額定風量輸出；

③IT設備輸出風量按照EnergyStar流量比曲線設置，流量隨著IT設備進口溫度變化；

圖10～圖13從左到右依次為冷凍水供水溫度7℃、11℃、15℃的模擬結果，包括機柜的最大進風溫度、距高架地板1m處機房截面溫度與相對濕度分布、地板出風口風量分布等。

圖10 機柜進風溫度分布

圖11 機房截面（距高架地板1m）溫度分布

圖12 機房截面（距高架地板1m）濕度分布

地板出風流量分布：

圖13 地板出風流量分布

對于冷凍水供水溫度7℃時的工況，機柜進風溫度在12℃～22℃，相對濕度42%～49%之間；11℃工況，機柜進風溫度在15℃～19℃，相對濕度48%～49%之間；15℃工況，機柜進風溫度在19℃～23℃，相對濕度48%～49%之間；15℃工況機房地板送風風量最大，機柜進風區域的溫度、濕度分布最為均勻。

根據《數據中心設計規范》（GB50174-2017）相關規定，冷通道或機柜進風區域的溫度宜為18℃～27℃，露點溫度宜為5．5℃～15℃，同時相對濕度不宜大于60%。根據模擬結果，當機房空調表冷器處于干工況時，能滿足規范相關要求。當冷凍水供水溫度處于10℃以下，表冷器尚處于濕工況，送風參數處于機器露點附近，對于進風區域的濕度控制是不利的。冷凍水供水溫度的取值應考慮保證機房空調表冷器處于干工況。

5 結論

根據上述分析，冷凍水供水溫度升高，可減少冷水機組造價，降低冷源側運行能耗；但同時末端機房空調表冷器換熱能力減弱，將提高機房空調造價，增大機房空調的運行能耗。綜合分析，在冷凍水供水溫度11℃以下區域系統總造價和運行能耗差異不大，當冷凍水供水溫度高于11℃后，造價和運行能耗上升較快；結合對于數據機房溫度場、流場的模擬結果，建議類數據中心機房項目的冷凍水供水溫度設計值取值10～11℃，機房空調表冷器臨近干濕工況臨界點，可達到節能與低設備投資兼顧的效果。