某數據中心蓄冷方式經濟性分析

楊輝青 王新軻 趙 乾 楊靜潔 沙 沙

（1、中國核動力研究設計院，四川 成都610005 2、西安交通大學，陜西 西安710049）

1 概述

《中國數據中心冷卻技術年度發展研究報告（2017）》[1]指出，互聯網信息時代的飛速發展，帶動了數據中心井噴式的發展。從我國數據機房節能潛力的結果來看，IT 設施系統的綜合節能潛力區間為11%～39%，平均為29%；空調系統的綜合節能潛力區間為4%～69%，平均為36%；而供配電系統的綜合節能潛力區間為8%～27%，平均為18%。因此，數據中心配備蓄冷裝置是數據中心避免供冷出現故障所帶來的巨大損失的一種必不可少的重要舉措。

吳冬青[2]等人對于上海某數據中心拿出了2 種蓄冷方法，經過分析水蓄冷的運行控制策略、經濟性指標對比、蓄冷時所用主機的數量和靜態回收期，確定了該工程合適的水蓄冷方案，并為類似數據機房水蓄冷方案的設計提供案例支持。張文湊[3]根據一個工程實例，采用模擬計算與分析，在主機優先的模式下，計算出冰蓄冷空調的投資回收期，能夠得出影響冰蓄冷空調經濟性的主要因素是國家電價政策，特別是峰谷電價之間差值的大小，如果能夠從財政上對冰蓄冷空調加大扶持力度，則可以獲取更大的經濟效益。林庚[4]對于我國網絡通信高速發展趨勢和每年的能耗不斷增加，采用了一種全新的空調系統形式設計和降低能耗概念，即運用相變材料的能源儲存特點，合理運用戶外自然清潔冷源，在滿足數據機房和戶外型數據機柜內部溫度調控的同時，大幅減少空調系統設備能源損耗，確保數據機房節能效果。

通過上述文獻可以發現，現有研究仍存有一些不足，如蓄冷時采用備用主機進行蓄冷，會增加制冷主機的啟停次數，減少主機的使用壽命的同時，也會降低主機的能效等等。因此本文提出一種具有更高能源效率的蓄冷策略，并針對某示范項目數據中心的蓄冷冷源選擇通過經濟性模型進行評價。

2 研究內容

如圖1 所示為某示范數據中心設計日冷負荷曲線圖，按峰谷電價時段劃分，夜間谷時總冷負荷為18727kW，白天峰時和平時總冷負荷為37543kW，可以看出，由于數據中心機房的產熱主要來自于數據中心機房中的機柜散熱，因此其冷負荷隨時間變化時波動較小。

圖2 三種蓄冷方式主機COP 隨蓄冷率變化

在數據機房的空調系統中，為保證數據機房的不間斷供冷，常采用蓄冷技術作為應急冷源使用，除此之外，蓄冷能源作削峰填谷使用的模式將會在今后的數據機房冷卻系統中占據主流，來降低數據中心的運行費用。

因此，對于該數據中心，結合蓄冷形式，對比低溫水蓄冷、高溫水蓄冷、冰蓄冷和PC24 型相變蓄冷這四種蓄冷冷源分別在作為應急冷源和作為削峰填谷時的優劣，如表1 所示，在保障安全的前提下，從經濟性方面進行對比。

表1 四種蓄冷系統形式對比表

蓄冷系統經濟性評價的數學模型由經濟性評價指標、設備費用及運行費用等組成。根據空調水系統的形式、特性及運行狀況，結合文獻查閱及相關設備的市場價格和市電電價對系統的設備費用和年運行費用進行相關計算并匯總，用經濟性評價指標對蓄冷系統進行評估。通常運用的經濟評價指標包括靜態和動態兩種方案。費用模型則包含機房設備初投資和年運行費用。

3 結果分析

作應急冷源使用時，綜合考慮設備費用和蓄冷裝置體積兩個因素，采用單位冷負荷所需的費用與體積的乘積作為評判指標，數值越低則表現越好。從表2 可以看出，PC24 型相變蓄冷系統在設備投資以及蓄冷裝置占用空間上都有不錯的表現，為最優的選擇，其次為冰蓄冷，之后則是水蓄冷。

表2 三種蓄冷方式作為應急冷源時對比表

蓄冷冷源在峰谷電價使用時，一般是利用備用制冷主機在谷時段蓄冷，在峰時段向末端供冷。但是這種運行方式會讓制冷機組不斷重復地進行開啟、關閉操作，這對于常年運行的數據中心空調系統是非常不利的，且會對制冷機組、空調系統造成不好的影響，如發生泄漏、制冷機組能效降低、制冷機組使用壽命下降等。

因此，針對這種情況，本文采用一種全新的蓄冷策略：制冷機組在夜間低谷電價時，在提供末端負荷的制冷量的同時，也要對蓄冷裝置進行蓄冷；在電價峰時及平時，制冷機組在提供末端負荷的制冷量的同時，蓄冷裝置也對末端釋冷。采用這種蓄冷策略后，制冷機組全天候不間斷運行，可以避免制冷主機頻繁的啟停操作，減少制冷機組及空調系統可能出現的隱患，同時，也能讓制冷機組在高能效的負荷率下運行。

對于制冷主機，根據其COP 的大小來確定削峰填谷時對應的蓄冷率，如圖2 所示，為三種蓄冷方式主機COP 隨蓄冷率變化的示意圖，根據COP 大小，可以確定水蓄冷和相變蓄冷的最佳蓄冷率為0.2，冰蓄冷的最佳蓄冷率為0.3。確定好蓄冷率后，便從經濟性角度，對三種蓄冷方式進行對比，確定哪種蓄冷方式更好。

如表3 所示為四種蓄冷方式在幾種經濟性指標及占用空間上的表現。從靜態回收期、凈現值、總費用指標和蓄冷裝置體積等指標可以看出，四者的優先級為PC24 型相變蓄冷＞高溫水蓄冷＞低溫水蓄冷＞冰蓄冷。

4 結論及展望

本文以某數據中心為例，針對該數據中心冷負荷特征，對比低溫水蓄冷、高溫水蓄冷、冰蓄冷和PC24 型相變蓄冷這四種蓄冷介質分別在作為應急冷源和作為削峰填谷時的優劣；在保障安全的前提下，用經濟性模型進行評價。對于夜間利用制冷主機提供末端負荷的制冷量的同時，利用蓄冷裝置進行蓄冷供白天使用的蓄冷策略來講，當蓄冷裝置僅作應急冷源使用時，四種蓄冷方式的優先級為PC24 型相變蓄冷＞冰蓄冷＞低溫/高溫水蓄冷；而當蓄冷技術作削峰填谷使用時，四種蓄冷方式的優先級為PC24 型相變蓄冷＞高溫水蓄冷＞低溫水蓄冷＞冰蓄冷。

表3 三種蓄冷方式經濟性指標對比表

蓄冷技術從制冷主機能效層面考慮，本身并不節能，但其削峰填谷作用不僅能有效改善供電平衡，提高制冷主機的能效，還能兼顧作為應急冷源使用，如何從更大層面考慮數據中心利用蓄冷技術所帶來的節能效益，仍需做進一步研究。