免費制冷在某數據中心的應用及分析

沈意成

華為技術有限公司

0 引言

隨著5G 時代的來臨，ICT 行業技術和概念不斷推陳出新，以及云計算市場呈爆發式增長，不止互聯網企業，一些傳統行業，如保險、金融、制造行業，尤其是政企客戶開始嘗試上云業務，帶動了大量的公有云,私有云和混合云的快速發展，這也促使了我國數據中心的建設也呈現出了爆發式增長。數據中心的能耗主要由信息設備能耗、空調系統能耗、電源系統能耗三部分構成。其中信息設備能耗約占數據中心能耗的50%，空調系統能耗約占40%[1]。根據相關研究表明，數據中心的能耗仍然以每年15%～20%的速度快速增長。

在當前能源形勢以及國家大力提倡節能減排的基本政策下，提高數據中心的能源利用率，特別是降低空調系統能耗對數據中心的節能具有重大的意義。很多新工藝、新技術、新產品已經應用到數據中心的節能降耗領域，節能技術種類也比較多，整體投資也在可承受范圍內，且節能效果明顯。目前數據中心節能措施主要有空調系統的設備側的節能，氣流組織優化以及利用合理利用自然冷源等[2]。

空調設備側的節能措施包括使用能效比高的變頻冷機、水泵、風機、空調末端等，以及采用溫濕度獨立控制和背板空調等新技術、新設備。氣流組織優化措施目前在大中型數據中心主要是采用計算流體動力學（CFD）技術對計算機房的風場、壓力梯度、溫度場等進行模擬，排除機房局部熱點，優化機柜和空調設備的布置，以及采用合理的送風方式例如地板下送風、冷熱通道封閉等避免冷熱空氣混合，減少不必要的冷量浪費。合理利用冷源指利用室外自然界的冷源（室外冷空氣、江河湖泊等地表水）將機房內機柜的熱量帶走，從而減少空調設備的運行時間達到節能的目的。

1 免費制冷應用分析

1.1 免費制冷介紹

免費制冷是指通過運用自然的冷空氣或水代替制冷機組等設備使數據中心機房內達到降溫的目的。在典型的壓縮式制冷空調系統夏季工況中，冷凍水在機組內部通過蒸發器和冷凝器把熱量傳遞給冷卻水，冷卻水通過冷卻塔把熱量排至大氣環境中。當室外空氣的濕球溫度降低到一定的數值時，通過閥門切換冷凍水直接就可以和冷卻水在板式換熱器中進行熱交換，無需開啟電制冷冷水機組，從而滿足冷凍水的溫度要求，對機房進行降溫，設備布置詳見圖1：

圖1 免費制冷流程圖

1.2 項目情況簡介

某數據中心項目地處北方城市天津，建筑面積為23000 m2。機房樓空調系統采用電制冷冷水機組，4+1冗余。冷凍水采用15 ℃/21 ℃的二次泵系統，一次泵、二次泵、板式換熱器、冷卻塔與冷水機組一一對應，且都是4+1 冗余設計。項目在設計階段即考慮了冬季免費制冷的在項目中的運用：當室外大氣溫度達到一定要求時，冷機停止工作，經過相關電動閥的切換，冷凍水和冷卻水進入板式換熱器，進行熱交換制備滿足溫度要求的冷凍水，送至機房達到制冷目的。暖通制冷設備配置情況如表1 所示：

表1 冷凍站暖通設備配置表

1.3 冷卻塔切換溫度確定

暖通系統在運行過程中，冷卻塔的免費制冷切換溫度與室外空氣的濕球溫度密切相關，冷卻水在理論上只能被冷卻到室外濕球溫度，圖2 為天津全年室外干球空氣溫度：

圖2 天津全年室外干球溫度

開式冷卻塔設置板式換熱器時，可考慮1 ℃～2 ℃的換熱溫差[2]。本項目供回水溫度為15 ℃/21 ℃，考慮換熱溫差1.5 ℃的情況下冷卻水進入板換的溫度低于13.5 ℃時，即可開啟全面制冷模式。在實際情況下，冷卻塔出口冷卻水溫度一般比室外空氣的濕球溫度高3 ℃～5 ℃[3]，取經驗值4 ℃后可得冷卻塔室外空氣的濕球溫度的切換溫度為9.5 ℃。圖3 為天津全年室外濕球溫度：

圖3 天津全年室外濕球溫度

根據上文確定的冷卻塔切換溫度以及天津全年室外濕球溫度，可以得知天津全年可以開啟免費制冷的小時數為4868 h。

但是如果某月中雖然通過計算可以有一定的免費制冷開啟時間，但是室外濕球溫度波動較大，導致制冷系統切換頻繁，這樣對整個系統的運行是不利的，設備頻繁啟停導致運行壽命減短或者制冷系統不穩定，也會給數據中心造成嚴重后果，所以這部分時間必須要剔除在外。由于在五月至九月這幾個月份中，能夠開啟免費制冷的時間段比較零碎，長時間（超過4 h）可以連續啟免費制冷的時間并不多，在考慮系統穩定性及安全性因素后扣除掉五月至九月這幾個月的免費制冷開啟時間，于是最終得到天津全年可利用的免費制冷小時數為4696 h，占全年總時間的將近54%。天津全年可開啟免費制冷的時間數分布如圖4 所示：

圖4 天津全年可開啟免費制冷小時數

3 免費制冷經濟性分析

考慮到項目在建設階段，機柜已經全部預出租出去了，數據中心建成后較短時間內機柜即可滿負荷運行，并且相關網絡通信設備的發熱量在全年都比較穩定，所以本文按照滿負荷運行來進行免費制冷的經濟性分析。

在免費制冷模式下，冷凍機房僅需要開啟的大型設備如冷凍二次泵，冷卻水泵和冷卻塔，比常規電制冷情況下少了冷凍一次泵和制冷機。主要區別如表2所示：

表2 常規電制冷和免費制冷設備狀態

數據中心全年24 h 運行，按照全年4696 h 的免費制冷時間來計算，共可以節省電量：4696×(510×4+45×4)=10425120 kWh。

如果按照目前天津一般工商業用電收費標準0.8999 元/kWh，全年免費制冷可以節省：10425120×0.8999=9381000 元=938.1 萬元。

由計算可以得到在免費制冷模式下節省的電費折算成標準煤4212 噸，響應了國家對生態環境保護的要求和號召。免費制冷工況下，冷卻水和冷凍水在板式換熱器中進行熱交換，需要額外增加一套板式換熱器，包括閥門，管道以及自控等成本，根據其他項目的成熟經驗，板式換熱器系統按照300 元/kW 進行初投資估算[3]，根據設計的板式換熱器參數，共需要增加成本：300×3500×5=525 萬元。

顯而易見，增加免費制冷后模式，由于每年可節省較多的電力運行費用，節能的電費大概是板式換熱器成本的1.78 倍，因此板式增加的板式換熱器在一年內就可以回收成本，既節省了大量的運行耗電費用，又對環境產生積極的作用，可以在有一定規模的使用空調水系統數據中心推廣，特別是北方地區。

使用冷卻水免費制冷，需要根據室外環境溫度來確定是否具有經濟性特別是南方地區，如果室外環境濕球溫度較高，全年可利用冷卻塔免費制冷的時間較少，并且常規制冷和免費制冷切換頻繁，則不建議使用冷卻塔免費的制冷模式，應該考慮其他的方式節能途徑。

4 PUE 分析

PUE 是國內外數據中心主流的判定指標，是衡量數據中心基礎設施能效的綜合指標，其值為數據中心總能耗與IT 設備能耗的比值。PUE 的值只能無限接近1，越接近1，就說明數據中心的基礎設施能效越高。

實施免費制冷后

本項目共2298 個機柜，每個機柜5 kW，機柜的耗電量一小時為14990 kWh。

所以實施免費制冷后數據中心的PUE 可以降低0.08。

5 結論

1）數據中心項目中，因為通信和網絡設備發熱量穩定，常年需要制冷，所以冷卻塔免費制冷技術可以廣泛應用。

2）在數據中心的項目中使用冷卻塔制冷技術可以達到較好的經濟效益和環境效益。特別是在全年室外濕球溫度較低的北方地區，滿足冷卻塔制冷模式開啟的時間段較長。

3）在南方地區使用冷卻塔免費制冷技術需要進過經濟性分析，充分考慮室外空氣參數，節省的電能消耗，增加投資成本以及相關不利因素之間的關系。