淺談深圳地區數據機房制冷系統節能措施

【摘 ?要】Internet Data Center簡稱IDC，計算機輔助設備和更多高密度、高功率專業服務器的使用也日漸普及，IDC機房一時間如雨后春筍般大量涌現，但IDC機房能耗也是相當的驚人，這嚴重制約了IDC業務的可持續發展。針對主機中心能耗問題，以深圳某數據中心項目為例，采用eQUEST分析軟件模擬計算建筑負荷特點，據此分析研究IDC建筑節能措施，分析冷卻塔免費制冷在夏熱冬暖地區的適用性。

【關鍵詞】IDC;eQuest;分析模擬;免費制冷1.建筑概況

本項目為深圳某信息產業園廠房改造數據中心建設，建筑占地面積3115㎡，總建筑面積18615㎡，廠房共有層數6層，每層約3115㎡，主體高度28.35m。一層預留面積1500㎡為后期三聯供規劃設計，二層～六層為主要數據機房功能，實際可用機柜最大總功率15220KW，按建設投運分期規劃考慮部分負載（25%/50%/75%）時的設計需求，配置離心式水冷機組8087KW兩臺，4044KW兩臺，配套兩大兩小冷水泵、冷卻泵及冷卻塔。

1.建筑能耗模擬計算模型的建立

采用全年8760h的逐時能耗模擬軟件eQUEST對該項目進行模擬計算。該軟件以DOE-2的算法為內核，DOE-2可以提供整棟建筑物每小時的能量消耗分析，用于計算系統運行過程中的能效和總費用，也可以用來分析圍護結構（包括屋頂、外墻、外窗、地面、樓板、內墻等）、空調系統、電器設備和照明對能耗的影響，進而得出方案比選結果。

1.1建筑幾何模型

根據項目的平面設計圖紙進行幾何建模，同時對建筑外立面及內部建筑細節進行簡化，分析模型如圖所示。

由于是改造項目，原始設計資料缺失，圍護結構數據按《公共建筑節能設計標準》規范值要求選取，與模擬軟件中的材料庫進行匹配，具體參數見表1。

由于本項目外立面幾乎沒有外窗，暫不考慮遮陽影響。

1.2內部負荷

IDC機房能耗主要分為以下4部分：1.設備（IT設備以及網絡通信設備）用電;2.變壓器以及供電系統（低壓配電系統以及UPS系統）;3.空調制冷系統;4.其他部分：辦公設備、照明等。

將整棟樓進行典型區域劃分，由于數據機房運行特點，辦公監控室及主要機房空間為全年24小時運行，按設計計算及規范取值對模擬軟件輸入建筑的人員密度、照明負荷及設備負荷。建筑典型區域劃分如圖2、3，各區域內部負荷見表2。

1.3空調系統運行參數設定

模擬的主要內容為空調系統，設定空調系統運行參數如表4。

2.分析模擬計算

本實例中主要模擬計算的是全年范圍內逐時、逐月建筑的冷、熱、電負荷變化情況，模擬計算負荷量覆蓋全年8760h，根據深圳市夏熱冬暖氣候條件，由建筑物仿真模型，利用廣州典型氣象年逐時氣象數據進行目標建筑全年負荷計算，如圖4出示了本項目全年8760h的建筑能耗計算的結果。

從模擬計算分析結果可以看出其中設備用電、變壓器以及供電系統、空調制冷系統這三部分能耗占了IDC機房能耗95%以上，數據中心冷負荷常年穩定，主要由服務器、UPS等散熱轉化而成的潛熱負荷，幾乎沒有潛熱負荷，冬夏季冷負荷相差不大。通過模擬計算可以得到該建筑的一系列能耗指標，100%負載時年總耗電量為113Kwh，由此推算電能利用率。電能利用率（PUE）是國內外IDC普遍采用的一種衡量IDC能效水平的綜合指標。電能利用率（PUE）=數據中心總用電量/IT設備總用電量本項目100%負載時全年總PUE為1.35，見圖5：

通過模擬得出75%、50%及25%負載時PUE值分別為1.37、1.38、1.41。

3.節能措施

降低數據中心PUE值是現在行業的一大課題，根據上述模擬分析并結合本項目的實際運行情況，提出以下幾項節能措施。

1.根據項目分階段投運需求，冷源采用大小兩種規格的高效離心式冷水機組，可根據分期安裝特點以及設備負荷變化組合出多種供冷運行模式，合理開啟或關閉主機，避免機房冷凍水空調系統“大馬拉小車”的現象。在初裝時就考慮各種負載開啟下的備用設備問題，確保安全運行的通知減免后期加載擴容改造換機浪費。

2.采用變頻控制技術，冷水機組、水泵均采用變頻控制，實現部分負荷時段的節能運行。

3.提高送回風溫度與溫差，提升設備運行效率。

4.采用冬季冷卻塔供冷自然冷卻“免費供冷”，此項措施將在下一章節詳述。

經模擬分析比對，建筑全年能耗由原來的165MKwh下降到152.97MKwh，節能效果明顯（未采用冷卻塔供冷，在下章詳述），分析結果如下圖。

4.免費制冷

4.1冷卻塔制冷的原理

冷卻塔供冷，是一種不使用制冷機的供冷手段（國外稱為“免費制冷”free cooling），是指在常規空調水系統基礎上增設部分管路和設備，當室外氣象參數達到某些特定值，，特別是室外濕球溫度低于某個值以下時，關閉制冷機組，將流經冷卻塔的循環冷卻水直接或間接向空調系統供冷，提供空調需要的冷負荷。

4.2冷卻塔供冷的可行性及經濟性分析

IDC數據中心的IT設備一年四季均需提供冷源，全年機房內冷負荷變化無季節特點，這一特點為冷卻塔供冷提供較大潛力。但本項目位于深圳，屬于夏熱冬暖型氣候，日平均濕球溫度小于等于切換溫度的理論累計小時數很少，理論供冷天數節能潛力又相對較弱，參考《中國建筑熱環境分析專用氣象數據及》，可得到在三中冷水供回水溫度組合下，冷卻塔供冷兩種工況在典型措施的供冷時數1、表2，用于數據中心節能分析。筆者在此簡單談一下夏熱冬暖地區IDC數據機房免費制冷的適用性。

對于夏熱冬暖地區冷卻塔供冷最大的問題就是要延長免費制冷或聯合制冷的時長，提高室外濕球溫度的工況轉換點。本項目擬采用水側免費供冷的方式，考慮到直接自然冷卻方式冷水污染造成末端污垢阻塞問題，而閉式冷卻塔價格在開式冷卻塔的4倍左右，故采用冷卻水和冷凍水分別接入板式換熱器的間接供冷系統。但與冷卻塔直接供冷相比，存在中間換熱損失，效率有所降低，常規公共民用建筑板式換熱器溫差一般在2～3℃，為減小這部分損失，本項目擬采用1℃溫差的板換，相對會增加一定的初投費用。系統圖如下：

室外濕球溫度一定的情況下，冷卻塔填料尺寸越大，其出口水溫越低，需進一步與甲方協商屋頂設備空間，合理選擇冷卻塔，最大限度增加供冷時數。在冷卻塔單獨供冷及聯合供冷時，通過對電動閥的開閉實現串聯多臺冷卻塔的方式來增加冷卻效果，在部分負載工況下，串聯冗余冷卻塔，從而增加供冷時數。選擇16℃冷卻水供水溫度作為冷卻塔單獨供冷工況，16～23℃作為冷水機組和板式換熱器聯合供冷工況，既可以滿足室內冷負荷的要求，又能最大限度增加冷卻塔公歷時間，從而降低運行費用，達到節能效果。

此外在設計過程中注意冷卻水泵的匹配，在直接供冷系統中，冷卻水環路中冷水泵應設旁通，在冷卻塔供冷時，冷凍泵關閉，此時循環水泵動力由冷卻水泵提供。因此，在系統設計時，要考慮轉換供冷模式后，冷卻水泵的流量及揚程與管路系統的匹配問題。另冷卻塔在冬季運行時，室外冷卻水管應進行保溫，集水盤、室外冷卻水管及補水管等需設置電伴熱設施，做好防凍措施。

利用eQUST軟件建立冷卻塔免費制冷節能措施模型進行分析比對，比對結果如下圖，分析結果顯示采用冷卻塔免費制冷后對于本項目全年能耗并沒有明顯降低，從原來的152.97MKwh變為152.14MKwh。

5.結論

1.采用eQUEST軟件可以進行IDC建筑動態負荷變化規律模擬，得到全年逐時PUE，此項數據作為基礎數據，對設備性能分析及設備選型提供支持，在空調系統性能預測、空調系統節能措施等方面可以提供準確的分析計算。

2.針對IDC建筑能耗特點進行節能措施分析，通過采用變頻控制技術、提高送回風溫度與溫差等節能措施，將PUE值從原來的1.46下降到1.35，節能效果顯著。

3.進一步探究夏熱冬暖地區冷卻塔免費供冷的適用性，根據深圳市氣候特點，全年冷卻塔單獨供冷小時數幾乎沒有，聯合供冷時間也很少，當100%負載時，夏季PUE峰值為1.376，而冬季采用免費制冷后僅下降到1.35，提高供回水溫差需要進一步加大冷卻塔容量，此外開式系統需另配板換，將加大設備初投費用，綜合評估項目初投資和運行費用，初步分析夏熱冬暖地區采用冷卻塔免費制冷節能措施經濟性較差。

參考文獻：

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作者簡介：

丁兆豐 男 1984年4月 漢族 甘肅臨洮 中國電子系統工程第二建設有限公司 214028 中級工程師 本科 數據中心

（作者單位：中國電子系統工程第二建設有限公司）