貴陽某數(shù)據(jù)中心多種空調形式的應用分析

王晨平 魏俊旗 吳 玲 王克勇 陳 璐

(中通服咨詢設計研究院有限公司,南京)

0 引言

近年來我國數(shù)據(jù)中心電能消耗量以每年10%以上的增速遞增,數(shù)據(jù)中心能耗居高不下。據(jù)統(tǒng)計,目前我國現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心年用電量高達2 000億kW·h,預計2030年將突破4 000億kW·h,占全國總用量的3.7%[1]。2020年我國在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出了中國碳達峰目標與碳中和愿景,在“雙碳”背景下,數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排勢在必行。數(shù)據(jù)中心全年持續(xù)制冷,空調設備能耗占數(shù)據(jù)中心非IT設備能耗的80%以上[2]。為了適應日趨嚴格的能源政策,新興空調技術和節(jié)能設備層出不窮。本文以貴陽某數(shù)據(jù)中心為研究載體,對多種空調形式的應用特性進行了分析、探討,為全國數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)的選擇應用提供參考。

1 工程概況

該數(shù)據(jù)中心位于貴州省貴陽市,地上4層,局部地下1層,為多層建筑,采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構。建筑面積共22 060 m2,其中,地上建筑面積21 500 m2,地下建筑面積560 m2。地下功能房為水泵房和水池,地上功能房為數(shù)據(jù)機房、空調機房、高低壓配電室、電力電池室及配套用房等。建筑設計重點考慮了工藝方案的兼容性、靈活性、可持續(xù)性及良好的利用率,平面布置采用模塊化設計,適用于多種空調方案。單機架功率密度為5 kW,機房建設等級按照GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》[3]中的A級機房標準進行設計。

2 氣候和資源條件

貴陽市海拔在1 100 m左右,常年受西風帶控制,屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候,年平均氣溫為15.3 ℃,年極端最高溫度為35.1 ℃,年極端最低溫度為-7.3 ℃,年平均相對濕度為77%。貴陽市夏無酷暑,夏季平均溫度為23.2 ℃,最高溫度平均在25.0～28.0 ℃之間,全年最高溫度高于30.0 ℃的天數(shù)少;冬無嚴寒,1月上旬最冷,平均氣溫為4.6 ℃。全年干、濕球溫度分布統(tǒng)計見表1、2。

表1 貴陽市全年各級干球溫度分布統(tǒng)計

表2 貴陽市全年各級濕球溫度分布統(tǒng)計

由表1、2可以看出,貴陽市全年干球溫度低于20 ℃的總時長為5 833 h,占比為66.6%;全年濕球溫度低于15 ℃的總時長為4 922 h,占比為56.2%。可見,貴陽地區(qū)室外自然冷源極其豐富,是一個天然的“大空調”。

貴陽市境內無大江大河,全市為巖溶地貌,水資源開發(fā)利用難度大、成本高,城市主要供水水源為水庫蓄水,屬于工程性、資源性和水質性缺水城市。貴州是電力大省,其煤炭儲量居全國第5,素有“西南煤海”之稱,且其水能豐富,為貴陽市提供了豐富的電力資源。

3 空調方案

數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)能耗占比大,空調系統(tǒng)方案應結合當?shù)貧夂蚝湍茉刺攸c,從系統(tǒng)比選分析、自然冷源利用、設備配置選型、氣流組織優(yōu)化等多方面降低空調系統(tǒng)能耗。目前,數(shù)據(jù)中心主流的制冷技術應用為：1) 集中水冷式冷水系統(tǒng);2) 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng);3) 磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)。下文將從機柜出架數(shù)量、節(jié)能性、經濟指標等多維度進行對比分析,為該項目空調系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)。

3.1 水冷式冷水系統(tǒng)

大型水冷式冷水系統(tǒng)目前廣泛利用水側自然冷卻技術,即冷水機組+板式換熱器+冷卻塔聯(lián)合供冷[4]。但常規(guī)水冷式冷水系統(tǒng)受技術限制,難以將數(shù)據(jù)中心能效等級維持在2級及以下水平[5]。為了將水冷式冷水系統(tǒng)做到極致節(jié)能,將常規(guī)離心式冷水機組改為磁懸浮離心式冷水機組,冷水機組全年綜合能耗可降低35%以上[6]。此外,降低冷卻塔逼近度,一方面可以降低冷卻水出水溫度,提高冷水機組效率;另一方面可以延長自然冷源利用時長,降低能耗。因此在常規(guī)冷卻塔進風端設置間接蒸發(fā)冷卻段,即間接蒸發(fā)冷卻塔,由于進入淋水填料的室外空氣是經過間接蒸發(fā)冷卻預冷后的空氣,其出水溫度接近于或等于室外濕球溫度,可以大幅度延長自然冷源的利用時間。水冷式冷水系統(tǒng)原理圖見圖1。

注：CV1、CV2為電動調節(jié)閥;V1～V10為電動開關閥。圖1 水冷式冷水系統(tǒng)原理

根據(jù)工程要求及工藝規(guī)劃條件,經計算,冷水主機配置6臺(五用一備)單臺制冷量為3 868 kW(1 100 rt)的高效磁懸浮離心式冷水主機,一一對應配置冷水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、間接蒸發(fā)冷卻塔、板式換熱器等設備。冷水供回水采用高溫、大溫差冷水技術,供/回水溫度為17 ℃/23 ℃,進一步降低空調系統(tǒng)能耗[2]。空調末端采用冷水機房精密空調;氣流組織采用無地板彌漫式送風形式,并對機柜熱通道進行封閉;機房送/回風溫度設置為23 ℃/36 ℃。相比其他形式,其初投資、安全性和節(jié)能性更優(yōu)[7]。主要設備見表3。

表3 水冷式冷水系統(tǒng)主要設備

3.2 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻技術的應用可分為水側和空氣側,本方案主要探討空氣側間接蒸發(fā)冷卻技術。空氣側間接蒸發(fā)冷卻基于間接蒸發(fā)冷卻空調機組,實現(xiàn)直接蒸發(fā)冷卻器和空氣-空氣換熱器功能的復合。在間接蒸發(fā)冷卻中,一次空氣(室內空氣)和二次空氣(室外空氣)交叉流動,在二次空氣側通過濕表面水分的蒸發(fā),降低空氣的干球溫度,然后通過壁面導熱來冷卻間壁另一側的一次空氣,降溫后的一次空氣送入機房內帶走熱量[8]。如圖2所示,間接蒸發(fā)冷卻機組由室外風機、室內風機、換熱芯體、集水盤、噴淋裝置、補冷裝置等組成。

根據(jù)工程要求及工藝規(guī)劃條件,該方案1～3層間接蒸發(fā)冷卻空調機組布置在機房外圍空調區(qū)域,4層間接蒸發(fā)冷卻空調機組布置在屋面。機房模塊化設計,經計算,1～3層單個機房配置5臺(四用一備)單臺制冷量為240 kW的間接蒸發(fā)冷卻空調機組;4層單個機房配置6臺(五用一備)單臺制冷量為240 kW的間接蒸發(fā)冷卻空調機組。氣流組織形式采用封閉熱通道、彌漫式送風方式,機房送/回風溫度設置為23 ℃/36 ℃。主要設備見表4。

圖2 間接蒸發(fā)冷卻機組原理

表4 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要設備

3.3 磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)

磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻空調是一種新興的數(shù)據(jù)中心冷卻技術,由磁懸浮、熱管及蒸發(fā)冷卻三大模塊組成,創(chuàng)造性地集成了熱管相變技術、磁懸浮技術、蒸發(fā)冷卻技術及氟泵技術,是目前氟利昂系統(tǒng)中節(jié)能性較優(yōu)的一種形式。磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)原理見圖3。

根據(jù)工程要求及工藝規(guī)劃條件,機組采用1臺室外機拖多臺室內機的模式,室外機均布置在屋面,室外機由蒸發(fā)冷凝器和泵柜組成,泵柜主要包含氣泵和液泵。機房模塊化設計,經計算,單個機房配置4臺(三用一備)單臺制冷量為450 kW的磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻空調,1臺室外機拖3臺室內機。空調末端采用熱管機房精密空調;氣流組織采用無地板彌漫式送風形式,并對機柜熱通道進行封閉;機房送/回風溫度設置為23 ℃/36 ℃。主要設備見表5。

圖3 磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)原理

表5 磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)主要設備

4 綜合分析

4.1 機柜出架數(shù)量

根據(jù)工程現(xiàn)狀、各方案工藝要求及條件進行機柜布置,機柜統(tǒng)計分析見表6。

表6 各方案機柜出架數(shù)量分析

由表6可知,磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻方案的機柜出架數(shù)量最多,單機柜占地面積和單位功耗占地面積最小,而間接蒸發(fā)冷卻方案的機柜出架數(shù)量最少。這是因為磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻空調主機均布置在屋面,數(shù)據(jù)中心1層無需預留集中制冷機房,相較于水冷式冷水方案可節(jié)省面積1 385 m2,用于增加2個模塊化數(shù)據(jù)機房。間接蒸發(fā)冷卻空調機組布置在各模塊機房對應的空調間,1層亦無需設置集中制冷機房。經調研,200～260 kW冷量段的間接蒸發(fā)冷卻空調設備尺寸為6.5 m×3.0 m×4.6 m(長×寬×高),而熱管房間空調設備寬度僅為1.0 m。圖4為模塊化機房平面對比圖。由圖4a可以看出,間接蒸發(fā)冷卻空調設備間應滿足豎向排風井、設備布置、設備前后接管及維護的空間,再加上混風靜壓箱,單個模塊機房對應空調配套區(qū)域寬度為12.10 m,面積為388.41 m2。由圖4b可以看出,熱管房間空調設備配套區(qū)域寬度僅需3.80 m,面積為121.98 m2,單個機房節(jié)省面積266.43 m2,整棟機樓1～3層可節(jié)省面積共2 930.73 m2,以用于增加機柜產出。

圖4 模塊化機房平面對比圖

4.2 節(jié)能性

4.2.1水冷式冷水系統(tǒng)

在冷水供回水溫度一定的情況下,空調系統(tǒng)運行模式切換的濕球溫度主要與冷卻塔逼近度和板式換熱器溫差有關。所選間接蒸發(fā)冷卻塔的逼近度為1.0 ℃,板式換熱器的溫差為1.5 ℃,根據(jù)室外濕球溫度條件,全年分為3種運行模式：1) 當室外濕球溫度tW>20.5 ℃時,無法利用自然冷源,系統(tǒng)切換為機械制冷模式,完全依靠冷水機組機械壓縮供冷;2) 當14.5 ℃

表7 水冷式冷水空調系統(tǒng)全年運行統(tǒng)計

4.2.2間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

根據(jù)機房與環(huán)境溫度變化、室外參數(shù)條件,間接蒸發(fā)冷卻空調機組設計了3種靈活運行模式：1) 當室外干球溫度tD≤16 ℃時,啟用干工況模式,二次側空氣(室外)和一次側空氣(室內)通過換熱芯體直接進行換熱,即可滿足數(shù)據(jù)機房送風要求;2) 當tD>16 ℃及tW≤20 ℃時,啟用濕工況模式,開啟噴淋,二次空氣與噴淋水進行熱濕交換,溫度下降后通過換熱芯體與一次空氣進行等濕冷卻;3) 當tW>20 ℃時,以上2種工況均無法滿足機房送風要求,則需開啟壓縮機進行補冷。空調系統(tǒng)全年運行工況、時長、耗電量和耗水量統(tǒng)計見表8。

表8 間接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)全年運行統(tǒng)計

4.2.3磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)

根據(jù)機房與環(huán)境溫度變化、室外參數(shù)條件,磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻系統(tǒng)主要有2種運行模式：1) 當室外濕球溫度tW≥11 ℃時,啟用混合模式,開啟氣泵;2) 當tW<11 ℃時,啟用液泵模式,氣泵關閉,通過液泵輸送制冷劑。空調系統(tǒng)全年運行工況、時長、耗電量和耗水量統(tǒng)計見表9。

4.2.4指標分析

表9 磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻空調系統(tǒng)全年運行統(tǒng)計

對于數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)來說,節(jié)能性主要體現(xiàn)在節(jié)電和節(jié)水2個方面。空調系統(tǒng)耗電指標可以用制冷負載因子(CLF)進行表征,即數(shù)據(jù)中心制冷設備耗電量與IT設備耗電量的比值;數(shù)據(jù)中心耗水指標可以用水資源利用效率(WUE)進行表征,即數(shù)據(jù)中心設備耗水量與IT設備耗電量的比值[9]。經計算,除空調設備耗水量外,該數(shù)據(jù)中心生活、辦公、綠化等設備全年耗水量為24 849.2 m3。圖5顯示了各方案的CLF、WUE指標。由圖5可知,間接蒸發(fā)冷卻方案的CLF和WUE指標均為最低,該方案節(jié)能和節(jié)水量最多,節(jié)能性最佳;磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻方案的CLF指標雖低于水冷式冷水系統(tǒng),但其WUE指標最高,耗水量最大。

圖5 各方案CLF、WUE指標分析

4.3 經濟評價

不同空調形式不僅空調工程投資差異較大,而且相對應的配電工程投資也存在一定差異,因此建設投資的對比不能僅考慮空調工程本身。項目機電配套工程包含高低壓配電工程、柴油發(fā)電機組工程、不間斷電源工程、空調工程、機柜配套工程、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)工程、機房裝修工程。各方案機電配套工程造價指標統(tǒng)計見表10。由表10可知,間接蒸發(fā)冷卻方案機電配套工程造價最低,這是因為間接蒸發(fā)冷卻方案的機架數(shù)量最少,IT負荷最低;但折算到單位功耗造價卻是最高的,這意味著相同IT負荷條件下間接蒸發(fā)冷卻方案需要投入更多的建設資金。

表10 各方案機電配套工程造價指標統(tǒng)計

該項目運營期耗費最大的是電費,約占總運營費用的75%,收入主要考慮機柜的出租費用。因此,各方案的用電量、機柜出架數(shù)量也是經濟評價的重要因素,需要通過全壽命周期的經濟分析才能評判各方案的優(yōu)劣。該項目設定測算期為11年,其中第1年為機電工程建設期,第2～11年為運營期。數(shù)據(jù)中心運營期前2年機柜上架率分別為40%、80%,此后為100%。運營成本主要包含電費、水費、人工工資、管理費和維護修理費等;主要收入為機柜出租費用。各方案年累計利潤統(tǒng)計見圖6。

圖6 各方案年累計利潤統(tǒng)計

由圖6可知,磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻方案前期支出最多,但在第7年即可產生盈利且增幅最快,而另外2個方案在第8年才能盈利。這是因為磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻方案雖然建設投資最多,但是單位功耗造價相對較低;且該方案CLF值較低,年運行成本低。磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻方案的機柜出架數(shù)量高達3 150架,100%上架投入運營后,相較前2個方案每年收入分別多2 100萬元和3 300萬元,每年盈利分別多1 427萬元和1 746萬元。

5 結論

1) 貴陽地區(qū)室外自然冷源極其豐富,是一個天然“大空調”,該地區(qū)可以適應數(shù)據(jù)中心主流的制冷技術,其自然冷源利用率高達80%以上。

2) 在相同的建筑現(xiàn)狀和工藝要求條件下,磁懸浮蒸發(fā)相變冷卻空調方案能夠極致地利用屋面空間,節(jié)省室內空調設備的占用空間,大幅度提高機柜產出率,降低單機柜和單功耗占地面積。雖然建設投資高,但是高產出率能夠給項目帶來高收益回報,是投資方優(yōu)先考慮的建設方案。該空調系統(tǒng)耗電較常規(guī)水冷式冷水系統(tǒng)降低22%以上,但其水資源消耗大,對于中等缺水城市的貴陽來說選擇該系統(tǒng)時應慎重考慮能源技術評價因素。

3) 間接蒸發(fā)冷卻空調方案的節(jié)能性最優(yōu),全年平均CLF和WUE值分別低至0.12和0.778 L/(kW·h),數(shù)據(jù)中心電能比可達到1級能效,利于建設方申請電能指標和通過能評。但是該方案機柜產出率最低,單位功耗造價高,利潤率低,對投資方收益極為不利。

4) 水冷式冷水空調方案作為數(shù)據(jù)中心最為成熟、應用最多的空調系統(tǒng),目前單獨使用已無法滿足越來越嚴格的能效標準。但其低造價、高適配的特性為其與其他空調形式的疊加應用創(chuàng)造了條件。