數(shù)據(jù)中心在不同空調(diào)方案下的PUE 及經(jīng)濟性比較

王彬 鄧斌 易強 李筱秋

奧意建筑工程設(shè)計有限公司

近年來，隨著數(shù)據(jù)中心迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能耗問題日°C顯著。據(jù)美國勞倫斯伯克利國家實驗室的測試研究表明，數(shù)據(jù)中心能耗是普通商業(yè)建筑能耗的數(shù)十倍，高達1080-3230 W/m2[1]。空調(diào)系統(tǒng)能耗平均占數(shù)據(jù)中心整體能耗的40%左右，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心甚至接近或超過50%[2]。國外數(shù)據(jù)中心采用多樣節(jié)能改造措施，將平均平均值控制在1.2 以下。Google 公司位于芬蘭哈米納的數(shù)據(jù)中心不使用其他冷卻設(shè)備，只利用附近波羅的海的海水來循環(huán)降溫，PUE 約為1.14[3]。Elahee 和Jugoo 研究了毛里求斯海灣附近的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用毛里求斯的深海層海水對數(shù)據(jù)中心進行冷卻，與常規(guī)冷卻系統(tǒng)相比，節(jié)約了94%的電能[4]。在我國，80%以上的數(shù)據(jù)中心PUE 均大于2.0，有的甚至高達3.0[5]。采用可靠技術(shù)措施降低數(shù)據(jù)中心能耗刻不容緩，由于受到氣候條件、地理位置等方面的限制，各個地區(qū)數(shù)據(jù)中心采用的空調(diào)形式有所不同，將不同地區(qū)的不同空調(diào)系統(tǒng)形式能耗對比具有實際意義。

1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)

1.1 數(shù)據(jù)中心模型

本文以某實際數(shù)據(jù)中心作為物理原型（數(shù)據(jù)中心包含2 個數(shù)據(jù)機房，每個機房設(shè)置425 個8 kW 機柜，總計850 個，與數(shù)據(jù)機房匹配設(shè)置相應(yīng)的冷凍機房、空調(diào)機房以及電氣輔房）。結(jié)合現(xiàn)在主流的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)形式，選取了三種空調(diào)系統(tǒng)方案進行相應(yīng)的計算比較：

方案1：常規(guī)水冷冷機制冷系統(tǒng)，冷源采用變頻離心冷水機組+冷卻塔+冷卻水泵+冷凍水泵，末端為冷凍水型機房空調(diào)。

方案2：水冷冷機+自然冷卻制冷系統(tǒng)，冷源采用變頻離心冷水機組+冷卻塔+冷卻水泵+冷凍水泵+板換，末端為冷凍水型機房空調(diào)。

方案3：間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，數(shù)據(jù)機房末端為間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組，電氣輔房末端為風(fēng)冷冷媒型機房空調(diào)+全新風(fēng)通風(fēng)。

1.2 模型初始條件

1.2.1 冷負(fù)荷條件

為了將比較分析突出重點，空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷只考慮數(shù)據(jù)機房及相應(yīng)輔助電氣用房內(nèi)的冷負(fù)荷，其中圍護結(jié)構(gòu)、新風(fēng)負(fù)荷較小，本文不做探討，具體負(fù)荷如表1。

表1 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷

1.2.2 空調(diào)送回風(fēng)及冷凍水條件

數(shù)據(jù)機房采用封閉熱通道方式，機房空調(diào)和間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)均采用送風(fēng)26°C，回風(fēng)38°C（熱通道）。冷機系統(tǒng)的冷凍水供回水溫度15/22°C，冷卻水供回水溫度32/37°C。

電氣輔房，方案1 及方案2 采用機房空調(diào)（冷凍水型）送風(fēng)22°C，回風(fēng)30°C。方案3 無冷凍水，采用風(fēng)冷冷媒型的機房空調(diào)，送風(fēng)22°C，回風(fēng)30°C。

1.2.3 氣象參數(shù)條件

引用中國氣象局氣象信息中心氣象資料室編著的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中的國家典型氣象年的全年逐時氣象參數(shù)。本文選取兩個具有代表性的地區(qū)作為研究對象，如下：寒冷地區(qū)，北京；夏熱冬暖地區(qū)，廣州。

2 設(shè)備選型

根據(jù)各地不同氣象參數(shù)數(shù)據(jù)及不同空調(diào)方案特征選擇合適的空調(diào)設(shè)備，具體選型如下：

1）方案1

冷源選型：冷機，1200RT 變頻離心式機組，共3臺（2+1 備用）；冷卻塔，濕球溫度20°C，供回的水溫度24/29°C，共3 臺（2+1 備用）；冷卻水泵，流量：900 m3/h，揚程：32 m，功率：110 kW，共3 臺（2+1 備用）；冷凍水泵，流量：550 m3/h，揚程：35 m，功率：75 kW，共3 臺（2+1 備用）。

末端選型：數(shù)據(jù)機房機房空調(diào)，風(fēng)量50000 m3/h，制冷量200 kW，風(fēng)機功率：11 kW，共40 臺（34+6 備用）；電氣附房機房空調(diào)，冷凍水型，風(fēng)量26000 m3/h，制冷量110 kW，風(fēng)機功率：5.5 kW，總共有12 臺（9+3備用）。

2）方案2

冷源選型：冷機，1200RT 變頻離心機組（同時配置換熱量5000 kW 板換），共3 臺（2+1 備用）；冷卻塔，濕球溫度10°C，供回水溫度14/19°C，共3 臺（2+1 備用）；冷卻水泵，流量：900 m3/h，揚程：45 m，功率：160 kW，共3 臺（2+1 備用）；冷凍水泵，流量：550 m3/h，揚程：48 m，功率：110 kW，總共有3 臺（2+1 備用）。

末端選型：數(shù)據(jù)機房機房空調(diào)，風(fēng)量50000 m3/h，制冷量200 kW，風(fēng)機功率：11 kW，共40 臺（34+6 備用）；電氣附房機房空調(diào)，冷凍水型，風(fēng)量26000 m3/h，制冷量110 kW，風(fēng)機功率：5.5 kW，總共有12 臺（9+3備用）。

3）方案3

末端選型：直接/ 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)，風(fēng)量50000 m3/h，制冷量200 kW，壓縮機：74 kW，共40 臺（34+6 備用）。電氣附房機房空調(diào)，風(fēng)冷冷媒型，風(fēng)量26000 m3/h，制冷量110 kW，設(shè)備功率：45 kW，總共有12 臺（9+3 備用）。

3 逐時計算用系統(tǒng)運行策略

3.1 方案1-常規(guī)冷水機組制冷系統(tǒng)

系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷變化自動調(diào)整冷水機組的出力，數(shù)據(jù)中心本身的負(fù)荷基本穩(wěn)定，主要調(diào)節(jié)是冷水主機根據(jù)冷卻水溫度的變化進行自主調(diào)節(jié)輸入功率。

3.2 方案2-冷水機組+自然冷卻系統(tǒng)

冷卻塔按照逼近溫度4°C、板式換熱器按照1°C換熱溫差設(shè)計，主要工況有：

1）冷機模式：tss+4逸Th-1（tss逸17°C），冷水主機運行制冷模式。

2）部分自然冷卻模式：Tg-1臆tss+4＜Th-1（10°C臆tss＜17°C），冷卻水和冷凍水先換熱預(yù)冷后，再經(jīng)冷機制冷運行。

3）自然冷卻模式：tss+4＜Tg-1（tss＜10°C），冷機不開啟，冷卻水直接和冷凍水換熱后供冷。

其中：tss為室外空氣濕球溫度；Tg為冷凍水供水溫度；15°C；Th為冷凍水回水溫度，22°C。

3.3 方案3-直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

間接蒸發(fā)換熱器干工況換熱效率按照0.6、間接蒸發(fā)冷卻效率按照0.7 設(shè)計，主要工況有：

1）直接換熱通風(fēng)模式：t4=(1-η1)×t3+η1×t1臆26°C即t1臆(26-(1-η1)×t3)/η1=22°C時，機房回風(fēng)直接與室外新風(fēng)顯熱交換，降溫后送入機房制冷。

2）間接蒸發(fā)冷卻模式：t4=(1-η2)×t3+η2×ts1臆26°C即ts1臆(26-(1-η2)×t3)/η1=23°C)時，機房回風(fēng)和室外新風(fēng)經(jīng)過間接蒸發(fā)冷卻換熱后送入機房制冷。

3）間接蒸發(fā)冷卻+壓縮機制冷：t4=(1-η2)×t3+η2×ts1＞26°C即：ts1＞(26-(1-η2)×t3)/η1=23°C時，機房回風(fēng)和室外新風(fēng)經(jīng)過間接蒸發(fā)冷卻換熱后再經(jīng)壓縮制冷冷卻后再送入機房制冷。

其中：t1為換熱器一次側(cè)進風(fēng)干球溫度；ts1為換熱器一次側(cè)進風(fēng)濕球溫度；t2為換熱器一次側(cè)出風(fēng)干球溫度；t3為換熱器二次側(cè)進風(fēng)干球溫度，38°C；t4為換熱器二次側(cè)出風(fēng)干球溫度，26°C；干工況換熱效率η1=(t3-t4)/(t3-t1)；間接蒸發(fā)冷卻效率η2=(t3-t4)/(t3-ts1)。

4）電氣輔房采用過渡季和冬季的全新風(fēng)模式，在室外氣溫低于20°C時采用全新風(fēng)通風(fēng)模式，機房空調(diào)停機，氣溫高于20°C時，采用風(fēng)冷冷媒機房空調(diào)制冷，風(fēng)冷冷媒空調(diào)的壓縮機功率隨著室外氣溫的變化而變化。

4 PUE 及經(jīng)濟性計算分析

4.1 能耗統(tǒng)計與分析

根據(jù)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型及運行策略，全年逐時計算了三種不同空調(diào)系統(tǒng)方案在兩個地區(qū)的PUE 值，具體結(jié)果見圖1～6 及表2。

圖1 廣州地區(qū)方案1 全年P(guān)UE 值

圖2 北京地區(qū)方案1 全年P(guān)UE 值

圖3 廣州地區(qū)方案2 全年P(guān)UE 值

圖4 北京區(qū)方案2 全年P(guān)UE 值

圖5 廣州地區(qū)方案3 全年P(guān)UE 值

圖6 廣州地區(qū)方案3 全年P(guān)UE 值

表2 PUE 統(tǒng)計表

通過圖1～6 及表2 結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）同樣方案下廣州地區(qū)PUE 均大于北京地區(qū)；

其主要原因是廣州地處夏熱冬暖地區(qū)，北京處于寒冷地區(qū)，廣州常年氣候干球溫度及濕球溫度都要高于北京，因此在常規(guī)水冷冷機制冷系統(tǒng)及自然冷卻制冷系統(tǒng)中全年冷卻水出水溫度相對較高，冷機能耗較高；在蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中，北京全年可以直接換熱通風(fēng)和間接蒸發(fā)冷卻的時間相對較多，總體空調(diào)能耗較低。

2）兩個地區(qū)的全年P(guān)UE 排序均為：方案1>方案2>方案3。

3）兩個地區(qū)的最大PUE 排序均為：方案3>方案2>方案1。

4）兩個地區(qū)的最小PUE 排序均為：方案1>方案2>方案3。

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的瞬時PUE 最大值要高于其他兩個方案，主要原因在于在濕球溫度較高的條件下，間接蒸發(fā)冷卻需要啟動壓縮制冷，其整體制冷能效較水冷系統(tǒng)低很多，從而導(dǎo)致峰值能耗較大。

自然冷卻系統(tǒng)的瞬時PUE 最大值高于冷機制冷系統(tǒng)，主要原因是自然冷卻系統(tǒng)在同樣條件下管路相對復(fù)雜，多了一些閥門管件，整個系統(tǒng)的阻力有所提高，水泵能耗相對較高。

廣州和北京地區(qū)在各方案下PUE 的峰值和谷值都比較接近，主要原因是：兩地區(qū)全年的最高濕球溫度接近（廣州最高30.6°C，北京最高31.5°C），冷機的最大能耗接近，峰值PUE 接近，而谷值PUE 受限于冷機的最低冷卻水進水溫度限制（室外濕球溫度過低，而冷卻水溫度不能再降低，冷機效率基本穩(wěn)定），兩個地區(qū)的計算要求一致，所以谷值PUE 接近。

綜上，方案3 的全年綜合節(jié)能優(yōu)勢明顯，在數(shù)據(jù)機房的送回風(fēng)溫度較高的條件下，即使在夏熱冬暖地區(qū)，方案3 的PUE 也明顯較低，具有較好的節(jié)能性。

4.2 經(jīng)濟性分析

為了方便比較分析，本文中的分時電費是在統(tǒng)一的峰谷電價條件（峰平谷電價比約為：1.62:1:0.52）下做出的計算比較。初投資方面同時考慮了土建及機電方面所產(chǎn)生的費用差異（其中空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備均選擇市場主流品牌報價進行計算），計算以方案1 的數(shù)據(jù)為比較基準(zhǔn)展開。具體結(jié)果如表3。

表3 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)投資及運行費用對比

廣州地區(qū)，相對于方案1，采用方案2 全年P(guān)UE提升不明顯，投資回收期超過5 年，經(jīng)濟性不是很好。方案3 的全年P(guān)UE 提升明顯，且投資回收期少于2年，經(jīng)濟性較好。

北京地區(qū)，相對于方案1，方案2 和方案3 在PUE方面都有較明顯的提升，投資回收期都在2 年以內(nèi)，經(jīng)濟性均較好。

5 結(jié)論

本文通過對北京和廣州地區(qū)三種不同空調(diào)方案進行對比，得出以下結(jié)論：

1）在同種的方案下，夏熱冬暖地區(qū)的PUE 值均大于寒冷地區(qū)。

2）數(shù)據(jù)中心在較高的送回風(fēng)溫度條件下（送風(fēng)26/回風(fēng)38°C），無論是在寒冷地區(qū)還是夏熱冬暖地區(qū)，間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在全年P(guān)UE 方面都有較大節(jié)能優(yōu)勢。

3）間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在經(jīng)濟性方面較好，相對于常規(guī)冷機系統(tǒng)，基本都能在2 年內(nèi)回收多出的建造成本，而且隨著間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其設(shè)備造價會逐步下降，回收年限會繼續(xù)下降。對于不同于本文的機房設(shè)定送回風(fēng)溫度和電費條件，PUE 和經(jīng)濟性都需要重新進行逐時計算比較，其主要趨勢不會改變。