數據中心水冷空調系統節能研究

陳 佳，方衛東，許 晟

（中國聯通東莞市分公司網絡BG云網運營中心，廣東 東莞 523009）

0 引 言

某運營商數據中心水冷空調系統相關動力設備自動化運行管理水平不高，運行能耗成本一直達不到最理想的效果，通過引入樓宇自動控制系統，對數據中心水冷空調系統進行節能改造，加強對空調系統動力設備自動運行的管理。利用PID調節技術、變頻技術，可以有效地降低數據中心能耗成本，實現降本增效，同時可以大大降低運行維護成本。

1 研究背景

1.1 水冷空調系統概況

該數據中心水冷空調系統安裝有4臺額定功率為589 kW、制冷量為1100RT的離心式冷水機組，按三主一備運行，確保空調系統安全。理論設計可提供10 444 kW的制冷量，滿足制冷需求。水冷空調系統配置有4臺110 kW冷凍水泵、4臺110 kW冷卻水泵、2臺55 kW蓄冷水泵、2臺55 kW放冷水泵、5臺補水泵、8臺22 kW冷卻塔、337個各類電動或手動閥門及其他附屬設施如冷凝器在線清洗裝置、全程水處理器、軟水器等。

為確保機房供冷的安全性，本系統設置有1個4 200 m3的消防水池作為蓄冷罐，加上管路系統中的冷凍水資源，可以保證數據中心機房滿負荷約6 h左右的持續供冷能力[1]。

1.2 水冷空調系統前期運行所面臨的焦點問題

該數據中心水冷空調系統自投入運行以來，自動化運行水平一直不高，運行能耗成本居高不下，焦點問題主要集中在以下幾個方面：

（1）冷凍水變頻器控制和壓差旁通閥均為獨立控制，導致水泵運行與壓差旁通閥調節不同步，水泵長時間高頻運行，造成冷量短路而能耗增加；

（2）系統不能正常自動化開啟和切換備用設備，需要依靠人工開啟主機和調節冷量，無法最大化利用制冷主機冷量；

（3）冷卻水溫差旁通閥采用普通溫控器獨立控制，未同空調群控系統關聯，造成冬天室外溫度較低時，冷卻塔風機依然高頻運行，極大地增加了能耗成本；

（4）管道上冷量計安裝位置不能滿足測量要求，測量的數值不準確，無法精確計算冷水主機制冷量；

（5）末端沒有安裝壓差傳感器，水泵的變頻調節單一的依據供水管壓力傳感器，造成水泵長期處在高頻率運行，且無法很好地保證機房末端的供水流量。壓差調節閥與水泵變頻間的節能關系不匹配導致的系統耗能增加；

（6）系統冷量與水流量、供回水溫差的不匹配導致系統耗能增加[2]。

2 節能改造舉措

通過節能改造，實現了對冷凍機組內部參數的監測、冷凍水系統、冷卻水系統、冷凍機組與膨脹水箱的監測與控制，改造后的空調群控系統按預先編好的邏輯程序來控制水冷空調系統的啟停和監視各設備的工作狀態。

在改造后的水冷空調自動控制系統內，多臺冷水機、冷卻泵、冷凍泵可以按先后有序地運行，通過執行最新的優化程序和預定時間程序，達到最大限度的節能，同時減少了人工操作可能帶來的誤差，并將冷源系統的運行操作簡單化[3]。通過集中監視和報警及時發現設備的問題，進行預防性維修，以減少停機時間和設備的損耗，大大地降低了運行維護成本。

同時將機房內水冷空調系統現有各種機電設備的信息進行分析、歸類、處理、判斷，利用直接數字控制器和最優化的自動控制手段對各系統設備進行集中監控和管理，使各子系統設備始終處于有條不紊、協同一致的高效、有序狀態運行[4]。通過水冷空調系統節能改造，為數據中心維護人員創造出了一個高效、舒適、安全的工作環境，同時也降低了系統運行成本。

具體的節能改造措施如下：

（1）設置冷機定時切機時間，水泵和冷機自動輪巡，實現系統設備的合理有效均衡使用；

（2）設置全自動運行模式，利用自動控制技術實現水冷空調系統全自動智能化運行，設備故障自動切機、冷機自動加減載、故障語音播報，降低維護人員操作難度，有效減少人力投資；

（3）設置最不利末端壓差傳感器，根據最不利末端壓差利用變頻技術、PID調節技術實現水泵變頻運行，有效減少水泵能耗；

（4）在相關管路及合理位置加裝流量計，合理分配系統冷量；

（5）冷卻塔供、回水管路上加裝溫度傳感器，利用PID調節，實現冷卻塔風機降頻運行甚至停機，有效減少冷卻塔能耗；

（6）實現自動蓄冷和放冷，通過電價的峰谷調節，實現錯峰用電，有效降低系統能耗成本；

（7）通過增加溫度傳感器，實現水冷空調系統與天面冷卻水溫控比例旁通閥聯動，有效減少水冷空調系統能耗；

（8）通過有效控制冷卻水回水溫度和冷凍水出水溫度，提高制冷主機的能效值，在制冷量相同的前提下，有效降低制冷主機能耗。

3 節能效果

通過以上的措施對數據中心水冷空調系統進行節能改造后，能夠大大降低數據中心空調水冷空調系統冷水主機、水泵、冷卻塔的能耗值[5]。

根據冷水主機廠家給出的冷機節能數據，冷機制冷能力隨著冷凍水出水溫度的升高而增大，隨冷卻水出水溫度的升高而降低。不同冷凍出水溫度與冷卻水溫下制冷量曲線如圖1所示，不同冷凍出水溫度與冷卻水溫下能效曲線如圖2所示。

圖1 不同冷凍出水溫度與冷卻水溫下制冷量曲線

圖2 不同冷凍水溫與冷卻水溫下能效曲線

冷水主機的冷凍水出水溫度每提高1 ℃，在制冷量相同情況下，理論上單臺主機最高節能可達5%；冷水主機的冷卻水出水溫度每降低 1 ℃，在制冷量相同情況下，理論上單臺主機最高節能可達20%。數據中心水冷空調系統節能改造完成后具體的節能理論數據如表1所示（按目前單套水冷空調系統供冷計算）。

表1 節能理論數據

數據中心水冷空調系統節能改造完成后，現場實測設備功耗節能數據如圖3所示。

圖3 改造前后設備能耗對比

水泵功率與運行頻率成3次方關系：

水泵滿頻運行時的理論功率為110 kW,冷凍水泵現場滿頻運行實際功率為98 kW，冷卻水泵滿頻運行時實際功率為103 kW，冷卻塔滿頻運行時理論功率為44 kW，現場滿頻運行實際功率為48 kW。如果采用變頻方式降頻運行，則冷凍水泵理論運行功率為110 kW*(40 Hz/50 Hz)3=80 kW，實測功率為50 kW；冷卻水泵降頻后理論運行功率為110 kW×(35 Hz/50 Hz)3=38 kW，實測功率為40 kW；冷卻塔理論運行功率為44 kW×(30 Hz/50 Hz)3=9.5 kW，實測功率為23kW。節能改造完成后，數據中心冷凍水出水溫度設定值由7 ℃提高為8.5 ℃，改造前理論功耗為589 kW，現場實際運行功耗為453 kW，改造后冷機現場實際運行功耗為396 kW。

節能改造完成后，水冷空調系統每年實際節能數據為[(98 kW-50 kW)+(103 kW-40 kW)+(48 kW-23 kW)+(453 kW-396 kW)]×24 h×365=1.691×106kW·h。

通過節能改造數據中心水冷空調系統每年能夠節省168.1萬kW·h，約143.7萬元（平均電價0.85元/（kW·h）），而本次節能改造項目投資約84萬，工程投資靜態回收期不到一年，節能改造收益可觀。

4 結 論

該數據中心水冷空調系統節能改造對所有使用水冷空調且具有節能改造需求的局機房、數據中心或計劃建設水冷空調的數據中心、大型通信局機房，具有普遍的借鑒意義。

（1）通過設置水泵變頻器，利用PID調節以及水泵變頻技術，確保最不利末端供回水壓差的前提下，使系統處于最為合理的流量和溫差區間，同時減少水泵運行功耗，實現系統節能，過水泵變頻調節技術可以減少水泵近20%能耗。

（2）通過壓差調節閥來調節系統流量與末端需求流量，通過PID調節，將壓差調節閥與水泵變頻配合好，通過一套完整的水泵變頻與壓差調節閥配合邏輯，在安全的前提下始終保證系統節能的優先級。

（3）在滿足機房供冷需求的前提下，通過適當提高冷機冷凍水出水溫度，降低冷卻水回水溫度，有效提高冷機能效化，有效降低水冷空調系統5%-20%的能耗。