蓄冷罐對于數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的優(yōu)化

王斌

【摘 ?要】蓄冷罐在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中近年得到了大量的應(yīng)用，絕大部分新建的冷凍水制冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心都設(shè)置了蓄冷罐，以滿足機(jī)房連續(xù)制冷的要求。主要用于數(shù)據(jù)中心的連續(xù)制冷使用。本次介紹的數(shù)據(jù)中心是一座位于上海市新建的Uptime Tier III 等級的數(shù)據(jù)中心，本文將以此數(shù)據(jù)中心為例，通過不同的角度分析蓄冷罐方案對于數(shù)據(jù)中心整體造價、能效、可靠性等方面的影響。

【關(guān)鍵詞】蓄冷罐;峰谷電;連續(xù)制冷;冷水機(jī)組;二次泵系統(tǒng)

本文介紹的數(shù)據(jù)中心建筑面積約20000平米，總IT用電量12000kW，數(shù)據(jù)中心采用了1600冷噸10kV冷水機(jī)組3+1冗余設(shè)置，二次泵系統(tǒng)，設(shè)置了水蓄冷罐，本項目在設(shè)計初期對蓄冷罐方案進(jìn)行了詳細(xì)的比選，最初原設(shè)計方案考慮設(shè)置15分鐘蓄冷的閉式蓄冷罐，安裝于室外地面上。冷機(jī)采用N+1冗余，N制冷容量為4800冷噸，單臺冷機(jī)制冷量1600冷噸。但是1600冷噸冷水機(jī)組制冷量較大，數(shù)據(jù)中心初期運(yùn)行時，冷水機(jī)組難以穩(wěn)定運(yùn)行，因此在方案設(shè)計時進(jìn)行了方案比選，通過對不同方案組合比選，在初投資和運(yùn)行效率等方面進(jìn)行了對比分析，得出最終的蓄冷罐建設(shè)方案，最后的實施方案選擇了適合本項目實際運(yùn)行狀況的大型蓄冷罐方案，從初投資，運(yùn)行效率、可靠性等方面對比均優(yōu)于原方案，。

此項目園區(qū)室外場地緊張，在有限的場地上主要安裝了集裝箱柴油發(fā)電機(jī)和室外儲油罐，剩余面積則布置了地下蓄水池。園區(qū)內(nèi)沒有位置再布置大型蓄冷裝置，原方案是將蓄冷罐貼鄰建筑物，由于直徑較小，無法設(shè)置高大的開式蓄冷罐，只能考慮設(shè)置小型立式閉式蓄冷罐，儲存冷凍水600立方米。

方案一按照此思路進(jìn)行設(shè)計，考慮采用兩臺800冷噸400V變頻冷水機(jī)組加三臺10kV高壓冷水機(jī)組的方式，在初期低負(fù)荷時采用兩臺小功率冷機(jī)輪換工作，在極低負(fù)荷狀態(tài)采用蓄冷罐充放冷運(yùn)行。假設(shè)數(shù)據(jù)中心總冷負(fù)荷在達(dá)到單臺冷機(jī)制冷能力的25%即約700kW時即可進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)房可由一臺800冷噸冷水機(jī)組為機(jī)房持續(xù)制冷。此方案數(shù)據(jù)中心在滿負(fù)荷工作期間，主要使用大功率冷機(jī)進(jìn)行制冷，小功率冷機(jī)作為備用冷源使用。方案一通過小功率冷機(jī)解決機(jī)房低負(fù)荷運(yùn)行問題。此方案在以往項目中應(yīng)用較多，但是小功率冷機(jī)為400V供電，需要為冷機(jī)設(shè)置相應(yīng)的變配電系統(tǒng)。而在機(jī)房滿負(fù)荷運(yùn)行時，由于大功率冷機(jī)效率較高，因此通常小功率冷機(jī)很少運(yùn)行。而如果數(shù)據(jù)中心低負(fù)荷的時間很短則小功率冷機(jī)很快就面臨退出日常運(yùn)行，成為備用設(shè)備，投資利用率較低。

根據(jù)以上的優(yōu)缺點(diǎn)分析，在第一種方案討論的基礎(chǔ)上我們進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，形成了第二種方案，也是項目最后實施的方案。此方案對現(xiàn)場場地進(jìn)行分析，對方案一進(jìn)行了優(yōu)化，通過運(yùn)行效率、初投資，運(yùn)行效益多方面的對比，此方案采用了蓄冷達(dá)到2個小時以上的大型蓄冷罐，占用了原方案預(yù)留給地下蓄水池的位置，建設(shè)兩座蓄冷罐。由于蓄冷罐直徑比較大，在高徑比合理的前提下，采用兩個與數(shù)據(jù)中心樓等高的開式蓄冷罐，冷水機(jī)組全部采用10kV高壓冷水機(jī)組，1600冷噸制冷量3+1配置。蓄冷罐位置占用了原設(shè)計方案地下蓄水池的位置。

但是因為蓄冷罐容積設(shè)計的比較大，并且設(shè)置有兩座，因此考慮蓄冷罐可以兼做冷卻水儲水，當(dāng)園區(qū)水源出現(xiàn)故障的情況下，隔離一座蓄冷罐，由其對冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。10kV高壓冷機(jī)系統(tǒng)在低負(fù)荷階段可以采用蓄冷罐充放冷的模式進(jìn)行工作。

我們對兩種方案從運(yùn)行效率，占地面積，可靠性和造價幾個方面進(jìn)行比較，對比發(fā)現(xiàn)，方案二雖然只是適當(dāng)?shù)姆糯罅诵罾涔蓿{(diào)整了一臺冷機(jī)的配置，系統(tǒng)原理未進(jìn)行大的調(diào)整，暖通系統(tǒng)的造價并未增加，但是在系統(tǒng)效率，系統(tǒng)可靠性等各方面都得到了提高。

1）運(yùn)行效率比較：

滿負(fù)荷比較：

在數(shù)據(jù)中心滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，兩種方案均主要以高壓冷機(jī)運(yùn)行為主，運(yùn)行效率相近，方案二的蓄冷罐蓄容積較大，因此熱損耗稍大，方案二采用4500立方米蓄冷罐，在夏季蓄冷罐每100立方米冷量消耗在0.7kW左右，4500立方米蓄冷罐需要消耗32kW制冷量，對比整個冷凍站的16800kW，占總制冷量的0.2%左右，預(yù)計PUE將增加0.001，對能耗影響并不大。

部分負(fù)荷比較：

我們假設(shè)以25%負(fù)荷作為冷機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的起點(diǎn)，設(shè)置有變頻低壓冷機(jī)的方案一在機(jī)房具備700kW（約等于200冷噸）冷負(fù)荷后基本可滿足單臺冷機(jī)25%的穩(wěn)定負(fù)荷工況，方案2 中1600冷噸10kV冷水機(jī)組采用蓄冷罐進(jìn)行緩沖充放冷，制冷系統(tǒng)采用夜間冷機(jī)充冷，白天蓄冷罐放冷的工作方式。以上海地區(qū)夏季工況進(jìn)行測算。采用800冷噸冷機(jī)連續(xù)工作制冷，以某廠家的冷機(jī)運(yùn)行參數(shù)為例：

800冷噸低壓冷機(jī)在25%負(fù)荷夏季工況下，COP為4.9，變壓器附加電功率損耗為5Kw;

1600冷噸10kV冷機(jī)工作在40%～90%負(fù)載范圍內(nèi)的COP均在6.5左右，另計入大型蓄冷罐消耗32kW制冷能力。

以制冷量需求為700kW計算，冷源部分能耗（兩種方案相同的用電設(shè)備未計列）：

800冷噸全天連續(xù)工作，1600冷噸冷機(jī)在晚間以末端所需要冷量的三倍功率進(jìn)行蓄冷工作（夜間8小時蓄冷量能夠滿足白天16小時的機(jī)房蓄冷需求）。進(jìn)行全天冷源部分能耗計算。除以上所預(yù)計用電外，其余設(shè)備（如精密空調(diào)末端、冷凍水二次泵）認(rèn)為兩種方案用能相同。

由于1600冷噸冷機(jī)的制冷系統(tǒng)運(yùn)行在高效區(qū)域，因此可以得出在700kW冷負(fù)荷的情況下，冷源部分用電有很大節(jié)省，全天冷源部分可節(jié)電2200余度。如果從電費(fèi)角度看，由于方案二為全谷電運(yùn)行，節(jié)費(fèi)效果更為明顯。上海地區(qū)夏季，全天平均電價為0.67元，谷電電價為0.242元。

方案二每日電費(fèi)可節(jié)約3458元，方案二在低負(fù)荷時有著明顯的運(yùn)行效率和電費(fèi)成本的優(yōu)勢。

2）充放冷運(yùn)行附加效益分析：

蓄冷罐的容量選擇需要進(jìn)行詳細(xì)計算，正常谷電時間為8小時，峰電時間也為8小時。如果完全的的削峰填谷，需要蓄冷8小時，在夜間谷電時段數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)需要在承擔(dān)正常數(shù)據(jù)中心制冷的情況下提供額外的制冷量將蓄冷罐充滿。以滿足8小時峰電的放冷需要，因此夜間冷機(jī)需要提供正常兩倍的制冷量，一半用于為機(jī)房制冷，另外一半用于蓄冷。在峰電時段冷機(jī)停止運(yùn)行，用蓄冷罐放冷維持機(jī)房制冷。因此如果采用8小時蓄冷方案，需要調(diào)整系統(tǒng)配置為2N容量的冷機(jī)。可以采用加大冷機(jī)型號或增加冷機(jī)臺數(shù)的方法，具體需要根據(jù)情況和配電系統(tǒng)進(jìn)行匹配優(yōu)化設(shè)計方案。大型蓄冷罐可以充分利用峰谷電價，在峰谷電價差較大的地區(qū)有其優(yōu)勢。8小時蓄冷罐所占面積較大，對場地的要求比較高，造價也比較高，后期峰谷電運(yùn)行進(jìn)行投資回收周期較長。另外需要注意的是峰谷電蓄冷方案在單路市電供電或發(fā)電機(jī)供電的情況下，需要關(guān)閉蓄冷模式以防止電力過負(fù)荷。

以總用電量20MW的數(shù)據(jù)中心為例，配置4臺1600冷噸冷水機(jī)組，如果25%負(fù)荷冷機(jī)可以持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，則需要1400kW冷負(fù)荷保證運(yùn)行。假設(shè)在1400kW負(fù)荷的臨界點(diǎn)，如果只設(shè)置15分鐘蓄冷罐，冷機(jī)剩余冷負(fù)荷4200kW，不足一小時可以將蓄冷罐充滿，并可連續(xù)放冷三小時。但是此種運(yùn)行方式?jīng)]有連續(xù)制冷的保證，因此在預(yù)留足夠制冷量的情況下需要放大蓄冷罐，提供留出制冷的緩沖量。這樣如果將蓄冷罐放大到30分鐘，則可以保證機(jī)房制冷系統(tǒng)可以進(jìn)行緩沖運(yùn)行。但是與低壓冷機(jī)狀況類似，低負(fù)荷狀態(tài)下，系統(tǒng)效率偏低，如果繼續(xù)增大蓄冷罐則可以更為靈活的實現(xiàn)峰谷運(yùn)行等多種運(yùn)行狀態(tài)。在不調(diào)整冷機(jī)3+1配置的情況下，備用冷機(jī)即1臺1600噸冷機(jī)在夜間谷電的8小時內(nèi)可以充滿10個15分鐘蓄冷罐的蓄冷水量，折算容積約5000立方米，

按照以上原則，結(jié)合場地現(xiàn)狀，現(xiàn)場設(shè)置兩座直徑十米蓄冷罐，合計有效容積約4500立方米，接近冗余冷機(jī)蓄冷能力，選擇這樣尺寸的蓄冷罐可以在制冷、配電系統(tǒng)設(shè)備不做大的調(diào)整的情況下，只增加蓄冷罐的容積，實現(xiàn)最大程度的緩沖與蓄冷，4500立方米蓄冷罐在扣除15分鐘應(yīng)急連續(xù)制冷后還可提供園區(qū)滿負(fù)荷連續(xù)制冷約兩小時。同時由于占用了地下蓄水池位置，系統(tǒng)設(shè)計時可以隔離其中一個蓄冷罐，使用2250立方米的蓄冷罐儲水為冷卻水補(bǔ)水箱補(bǔ)水，可為園區(qū)供應(yīng)冷卻水補(bǔ)水48小時以上。（園區(qū)48小時冷卻水補(bǔ)水理論計算量為2100m?）

綜合造價對比：

方案二大型蓄冷罐方案將原有的小型閉式蓄冷罐改為大型開式蓄冷罐。在容積大幅提升的情況下，造價增長并不多。但是由于低壓配電系統(tǒng)的簡化，末端電流電纜母線的量有部分減少，低壓配電柜數(shù)量減少。同時由于蓄冷罐代替了地下蓄水池，地下蓄水池以及水泵房的造價得以節(jié)省。冷機(jī)全部采用大型高壓冷水機(jī)組，與替換一臺為低壓變頻冷機(jī)造價基本持平，綜合對比使用大型蓄冷罐后系統(tǒng)造價反而減少了。

系統(tǒng)可靠性對比：

采用方案二后，冷凍水連續(xù)制冷時間由15分鐘延長到2小時，現(xiàn)場冷卻水儲水由12小時延長到48小時，整個暖通系統(tǒng)的連續(xù)性保障得到了極大的提高。

3）結(jié)論

通過以上綜合分析可見，本項目在系統(tǒng)基本未進(jìn)行調(diào)整的情況下，通過優(yōu)化蓄冷罐設(shè)計，提高了系統(tǒng)初期運(yùn)行效率，降低運(yùn)行費(fèi)用，降低了綜合造價，提高了系統(tǒng)的可用性，達(dá)到了一舉多得的效果。

（作者單位：上海德衡數(shù)據(jù)科技有限公司）