免費(fèi)制冷在某數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用及分析

沈意成

華為技術(shù)有限公司

0 引言

隨著5G 時(shí)代的來臨，ICT 行業(yè)技術(shù)和概念不斷推陳出新，以及云計(jì)算市場呈爆發(fā)式增長，不止互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，一些傳統(tǒng)行業(yè)，如保險(xiǎn)、金融、制造行業(yè)，尤其是政企客戶開始嘗試上云業(yè)務(wù)，帶動了大量的公有云,私有云和混合云的快速發(fā)展，這也促使了我國數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也呈現(xiàn)出了爆發(fā)式增長。數(shù)據(jù)中心的能耗主要由信息設(shè)備能耗、空調(diào)系統(tǒng)能耗、電源系統(tǒng)能耗三部分構(gòu)成。其中信息設(shè)備能耗約占數(shù)據(jù)中心能耗的50%，空調(diào)系統(tǒng)能耗約占40%[1]。根據(jù)相關(guān)研究表明，數(shù)據(jù)中心的能耗仍然以每年15%～20%的速度快速增長。

在當(dāng)前能源形勢以及國家大力提倡節(jié)能減排的基本政策下，提高數(shù)據(jù)中心的能源利用率，特別是降低空調(diào)系統(tǒng)能耗對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能具有重大的意義。很多新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗領(lǐng)域，節(jié)能技術(shù)種類也比較多，整體投資也在可承受范圍內(nèi)，且節(jié)能效果明顯。目前數(shù)據(jù)中心節(jié)能措施主要有空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備側(cè)的節(jié)能，氣流組織優(yōu)化以及利用合理利用自然冷源等[2]。

空調(diào)設(shè)備側(cè)的節(jié)能措施包括使用能效比高的變頻冷機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)末端等，以及采用溫濕度獨(dú)立控制和背板空調(diào)等新技術(shù)、新設(shè)備。氣流組織優(yōu)化措施目前在大中型數(shù)據(jù)中心主要是采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)對計(jì)算機(jī)房的風(fēng)場、壓力梯度、溫度場等進(jìn)行模擬，排除機(jī)房局部熱點(diǎn)，優(yōu)化機(jī)柜和空調(diào)設(shè)備的布置，以及采用合理的送風(fēng)方式例如地板下送風(fēng)、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(fèi)。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(jī)房內(nèi)機(jī)柜的熱量帶走，從而減少空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到節(jié)能的目的。

1 免費(fèi)制冷應(yīng)用分析

1.1 免費(fèi)制冷介紹

免費(fèi)制冷是指通過運(yùn)用自然的冷空氣或水代替制冷機(jī)組等設(shè)備使數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)達(dá)到降溫的目的。在典型的壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)夏季工況中，冷凍水在機(jī)組內(nèi)部通過蒸發(fā)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(huán)境中。當(dāng)室外空氣的濕球溫度降低到一定的數(shù)值時(shí)，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(jìn)行熱交換，無需開啟電制冷冷水機(jī)組，從而滿足冷凍水的溫度要求，對機(jī)房進(jìn)行降溫，設(shè)備布置詳見圖1：

圖1 免費(fèi)制冷流程圖

1.2 項(xiàng)目情況簡介

某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目地處北方城市天津，建筑面積為23000 m2。機(jī)房樓空調(diào)系統(tǒng)采用電制冷冷水機(jī)組，4+1冗余。冷凍水采用15 ℃/21 ℃的二次泵系統(tǒng)，一次泵、二次泵、板式換熱器、冷卻塔與冷水機(jī)組一一對應(yīng)，且都是4+1 冗余設(shè)計(jì)。項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段即考慮了冬季免費(fèi)制冷的在項(xiàng)目中的運(yùn)用：當(dāng)室外大氣溫度達(dá)到一定要求時(shí)，冷機(jī)停止工作，經(jīng)過相關(guān)電動閥的切換，冷凍水和冷卻水進(jìn)入板式換熱器，進(jìn)行熱交換制備滿足溫度要求的冷凍水，送至機(jī)房達(dá)到制冷目的。暖通制冷設(shè)備配置情況如表1 所示：

表1 冷凍站暖通設(shè)備配置表

1.3 冷卻塔切換溫度確定

暖通系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，冷卻塔的免費(fèi)制冷切換溫度與室外空氣的濕球溫度密切相關(guān)，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(shè)置板式換熱器時(shí)，可考慮1 ℃～2 ℃的換熱溫差[2]。本項(xiàng)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(jìn)入板換的溫度低于13.5 ℃時(shí)，即可開啟全面制冷模式。在實(shí)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(jīng)驗(yàn)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(jù)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(fèi)制冷的小時(shí)數(shù)為4868 h。

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

圖4 天津全年可開啟免費(fèi)制冷小時(shí)數(shù)

3 免費(fèi)制冷經(jīng)濟(jì)性分析

考慮到項(xiàng)目在建設(shè)階段，機(jī)柜已經(jīng)全部預(yù)出租出去了，數(shù)據(jù)中心建成后較短時(shí)間內(nèi)機(jī)柜即可滿負(fù)荷運(yùn)行，并且相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的發(fā)熱量在全年都比較穩(wěn)定，所以本文按照滿負(fù)荷運(yùn)行來進(jìn)行免費(fèi)制冷的經(jīng)濟(jì)性分析。

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

表2 常規(guī)電制冷和免費(fèi)制冷設(shè)備狀態(tài)

數(shù)據(jù)中心全年24 h 運(yùn)行，按照全年4696 h 的免費(fèi)制冷時(shí)間來計(jì)算，共可以節(jié)省電量：4696×(510×4+45×4)=10425120 kWh。

如果按照目前天津一般工商業(yè)用電收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)0.8999 元/kWh，全年免費(fèi)制冷可以節(jié)省：10425120×0.8999=9381000 元=938.1 萬元。

由計(jì)算可以得到在免費(fèi)制冷模式下節(jié)省的電費(fèi)折算成標(biāo)準(zhǔn)煤4212 噸，響應(yīng)了國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求和號召。免費(fèi)制冷工況下，冷卻水和冷凍水在板式換熱器中進(jìn)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(jù)其他項(xiàng)目的成熟經(jīng)驗(yàn)，板式換熱器系統(tǒng)按照300 元/kW 進(jìn)行初投資估算[3]，根據(jù)設(shè)計(jì)的板式換熱器參數(shù)，共需要增加成本：300×3500×5=525 萬元。

顯而易見，增加免費(fèi)制冷后模式，由于每年可節(jié)省較多的電力運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)能的電費(fèi)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(nèi)就可以回收成本，既節(jié)省了大量的運(yùn)行耗電費(fèi)用，又對環(huán)境產(chǎn)生積極的作用，可以在有一定規(guī)模的使用空調(diào)水系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心推廣，特別是北方地區(qū)。

使用冷卻水免費(fèi)制冷，需要根據(jù)室外環(huán)境溫度來確定是否具有經(jīng)濟(jì)性特別是南方地區(qū)，如果室外環(huán)境濕球溫度較高，全年可利用冷卻塔免費(fèi)制冷的時(shí)間較少，并且常規(guī)制冷和免費(fèi)制冷切換頻繁，則不建議使用冷卻塔免費(fèi)的制冷模式，應(yīng)該考慮其他的方式節(jié)能途徑。

4 PUE 分析

PUE 是國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心主流的判定指標(biāo)，是衡量數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效的綜合指標(biāo)，其值為數(shù)據(jù)中心總能耗與IT 設(shè)備能耗的比值。PUE 的值只能無限接近1，越接近1，就說明數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施能效越高。

實(shí)施免費(fèi)制冷后

本項(xiàng)目共2298 個(gè)機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜5 kW，機(jī)柜的耗電量一小時(shí)為14990 kWh。

所以實(shí)施免費(fèi)制冷后數(shù)據(jù)中心的PUE 可以降低0.08。

5 結(jié)論

1）數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中，因?yàn)橥ㄐ藕途W(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)熱量穩(wěn)定，常年需要制冷，所以冷卻塔免費(fèi)制冷技術(shù)可以廣泛應(yīng)用。

2）在數(shù)據(jù)中心的項(xiàng)目中使用冷卻塔制冷技術(shù)可以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。特別是在全年室外濕球溫度較低的北方地區(qū)，滿足冷卻塔制冷模式開啟的時(shí)間段較長。

3）在南方地區(qū)使用冷卻塔免費(fèi)制冷技術(shù)需要進(jìn)過經(jīng)濟(jì)性分析，充分考慮室外空氣參數(shù)，節(jié)省的電能消耗，增加投資成本以及相關(guān)不利因素之間的關(guān)系。