數據中心空調系統冷源與凝結水回收利用

張修誠, 劉俊紅

(山東建筑大學 熱能工程學院, 山東 濟南 250101)

1 概述

隨著大數據、云計算的興起,國內建成許多數據中心。數據中心能耗主要分為3部分[1]:互聯網數據中心(簡稱IDC)設備、供配電系統、空調系統,其中IDC設備和空調系統的能耗占比均大于40%。現階段對于數據中心的節能降耗,主要是對空調系統的優化。

空調系統的優化主要是借助自然冷源盡可能縮短機械制冷的時間。位于中國郴州的東江湖數據中心,全年99%的時間采用湖水自然水冷方式供冷[2]。位于美國俄勒岡州的Facebook數據中心,采用自然風直接冷卻技術,將電源使用效率(簡稱PUE)降低至1.09[3]。此外還有學者及業內公司正在研發與應用間接蒸發技術[4]、液冷技術[5]等,進一步助力數據中心空調系統的優化。

水資源的消耗也引起了人們的注意。盡管在2010年定義了水利用效率(WUE),但該指標并未像PUE一樣被廣泛應用。本文介紹借助自然冷源的數據中心空調系統工藝流程。結合濟南地區某數據中心項目,計算數據中心一次回風空調系統的凝結水生成量,對凝結水利用途徑提出建議。

2 借助自然冷源的空調系統

新的數據中心多選擇在中西部地區建設,遠離一線城市,從而形成數據中心集群。在這樣的發展趨勢下,越來越多借助自然冷源的數據中心應運而生。借助自然冷源的數據中心空調系統工藝流程見圖1。可通過動力及環境監控系統對于冷卻水出水溫度及室外濕球溫度進行監控,從而自動調節空調系統運行工況。

圖1 借助自然冷源的數據中心空調系統工藝流程

① 供冷期

當冷卻塔出口冷卻水溫度大于13 ℃,且室外濕球溫度大于10 ℃時,空調系統處于冷水機組全制冷工況。三通閥1～3的B-C導通,二通閥1、2關閉。冷卻塔出口冷卻水進入冷水機組冷凝器,冷卻制冷劑,然后回到冷卻塔進行冷卻。被冷卻的制冷劑經節流閥進入蒸發器,與機房空調的冷水回水進行換熱,被冷卻后的冷水進入機房空調冷卻空氣。

② 過渡期

當冷卻塔出口冷卻水溫度大于8 ℃且小于等于13 ℃,并且室外濕球溫度大于6 ℃且小于等于10 ℃時,空調系統處于冷水機組部分制冷工況。三通閥1、2的A-B及B-C均導通,三通閥3的A-C導通,二通閥1導通,二通閥2關閉。冷卻塔出口冷卻水一部分進入板式換熱器與冷水回水進行換熱實現預冷,另一部分進入冷水機組冷卻制冷劑,兩部分冷卻水匯合后回到冷卻塔進行冷卻。經板式換熱器部分預冷后的冷水回水進入冷水機組蒸發器與制冷劑進行換熱,冷卻后的冷水進入機房空調冷卻空氣。

③ 供暖期

當冷卻塔出口冷卻水溫度小于等于8 ℃,且室外濕球溫度小于等于6 ℃時,空調系統處于全自然冷卻制冷工況。三通閥1、2的A-B導通,三通閥3的A-C導通,二通閥2導通,二通閥1關閉,冷水機組關閉。冷卻水經板式換熱器與機房空調冷水回水換熱后,回到冷卻塔繼續冷卻。機房空調冷水回水全部由板式換熱器冷卻。

3 凝結水生成量

3.1 項目概況

對濟南某數據中心空調系統的凝結水生成量進行計算。該數據中心以A級機房標準建設,數據中心為3層結構,單層建筑面積4 000 m2,層高為5 m,總計布置3 800個機柜。數據中心全年運行。

活動地板下送風方式的送風溫差取4 ℃,機房室內設計溫度為23 ℃,機房室內設計相對濕度為50%,機柜進風區域設計溫度為19 ℃。

數據中心采用一次回風空調系統,室外新風經新風機組過濾器過濾后與室內回風混合,經機房空調冷卻降溫至機器露點后,再由電加熱到送風狀態。最終通過地板下送風方式送風至冷通道,對機柜進行降溫。

3.2 凝結水生成量計算

由于數據中心設備散濕量很小,濕負荷視為0,因此室內熱濕比為無窮大。空氣處理焓濕圖見圖2。圖2中,點W為室外空氣狀態點。點C為室內回風與室外新風混合狀態點。點N為機房室內空氣狀態點,干球溫度為23 ℃,理論相對濕度φ為51.35%。點O為室內設計送風狀態點,干球溫度為19 ℃,含濕量為8.986 g/kg。點L為機器露點,相對濕度φ為95%,含濕量為8.986 g/kg。

圖2 空氣處理焓濕圖

由于數據中心設備散濕量很小,因此凝結水生成量可視為從室外空氣狀態點至機器露點所產生的凝結水量。新風干空氣質量流量取新風質量流量,凝結水生成量qwat的計算式為[6]:

qwat=qm,a(dW-dL)

(1)

式中qwat——凝結水生成量,kg/h

qm,a——新風質量流量,kg/h

dW——點W含濕量,kg/kg

dL——點L含濕量,kg/kg

GB 50174—2017《數據中心設計規范》第7.4.5條規定,空調系統的新風量應取下列兩項中的較大值:第1項,按工作人員計算,每人40 m3/h。第2項,維持室內正壓所需風量。由于數據中心機房偶有維修人員,無固定日常辦公工作人員,按工作人員數量計算新風量不合適,因此按維持室內正壓所需風量計算新風量。雖然GB 50073—2013《潔凈廠房設計規范》給出了按維持室內正壓所需風量計算新風量的計算方法,但計算過程比較繁瑣,因此筆者參照潔凈室的設計經驗,將數據中心機房換氣次數取1 h-1。

新風質量流量qm,a的計算式為:

qm,a=ρnAh

(2)

式中ρ——新風密度,kg/m3,隨新風溫度變化而變化

n——換氣次數,h-1,本文取1 h-1

A——建筑面積,m2

h——層高,m

3.3 凝結水生成量

由式(1)計算數據中心空調系統全年凝結水生成量,室外空氣參數來自Dest軟件提供的濟南地區典型年室外空氣參數。典型年數據中心凝結水日生成量見圖3。凝結水日生成量由凝結水當日逐時生成量累加得到。圖3僅給出有凝結水生成的時間。由圖3可知,全年有128 d生成凝結水,主要集中在7～9月,全年總生成量為1 281.88 t,平均凝結水日生成量為10.01 t/d。由此可知,凝結水生成量很大,具有較高利用空間。

圖3 典型年數據中心凝結水日生成量

4 凝結水利用途徑

① 園區綠化噴灌

數據中心園區占地面積大,且根據相關規定,大型工業園區的綠化覆蓋率不得低于20%,大面積綠化噴灌將消耗大量水資源。城市綠化噴灌水量一般為2 L/(m2·d),該數據中心平均凝結水日生成量取10 t/d,可滿足5 000 m2的綠化噴灌需求。而且空調系統凝結水完全滿足綠化用水的水質要求,無需處理。因此,利用數據中心空調系統生成的凝結水進行綠化噴灌,可節省大量水資源。

② 冷卻塔補水

開式冷卻塔的水蒸發和耗散量占數據中心耗水量的比例較高,尤其是高溫天氣。而空調系統凝結水是冷卻塔補水的首選[7]。首先,凝結水能夠滿足冷卻塔對補水水質的要求,無需處理即可直接使用,僅需增設水箱、水泵等設備即可實現。其次,凝結水的水溫普遍較低,可對冷卻塔中冷卻水起到降溫的作用。

5 結論

① 全年有128 d生成凝結水,主要集中在7～9月,全年總生成量為1 281.88 t。凝結水生成量很大,具有較高利用空間。

② 凝結水利用途徑包括園區綠化噴灌、冷卻塔補水。