中大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)常用節(jié)能措施及技術(shù)分析

1、<p>　　中大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)常用節(jié)能措施及技術(shù)分析</p><p>　　【摘要】從空調(diào)風、水系統(tǒng)設(shè)計的角度，介紹在大型數(shù)據(jù)中心項目中經(jīng)常采用的幾種節(jié)能技術(shù)，分析其原理。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】冷卻塔自由冷卻 高溫冷凍水 冷熱通道封閉 </p><p>　　中圖分類號： TE08 文獻標識碼： A </p><p>　

2、　一、引言隨著中國IT技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息量的急速膨脹，數(shù)據(jù)中心應(yīng)運而生，從90年代的幾十平米的只有幾臺低密度服務(wù)器和交換機的小型數(shù)據(jù)中心發(fā)展到現(xiàn)今數(shù)萬平米的高密度的數(shù)據(jù)中心，只有短短20幾年時間。由于數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)備耗電量巨大，電氣行業(yè)對電氣設(shè)備的應(yīng)用效率已經(jīng)發(fā)掘到了極致，例如UPS的效率有的甚至可高達97%。目前空調(diào)系統(tǒng)仍有巨大的節(jié)能潛力可挖掘，在項目的前期設(shè)計階段，或在運行階段，將這些節(jié)能技術(shù)應(yīng)用上去，對節(jié)約整個空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗

3、有巨大作用。二、提高冷凍水供回水溫度 （一）有利于增加冬季或過渡季節(jié)利用冷卻塔進行全部自由冷卻或部分自由冷卻的時間 </p><p>　　在中國的北方地區(qū)，甚至南方的一些區(qū)域，冬季和春秋過渡季節(jié)室外有較長時間的低溫天氣，當室外濕球溫度低于某一個值時，冷卻塔可制備低于冷凍水溫度的冷卻水，冷卻水與冷凍水之間通過板式換熱器進行熱量交換，此時冷水機組可停止運行，僅運行冷凍水泵與冷卻水泵。低溫濕球溫度的時間越長，其節(jié)能效果

4、越顯著。下圖1為一個制冷系統(tǒng)的示意圖： </p><p>　　圖1現(xiàn)以上圖1為例進行分析，制冷機為600RT的離心式冷水機組，冷凍水進出水溫度為18/12℃，冷卻水進出水溫度為32/37℃。經(jīng)冷卻塔廠家選型，在室外濕球溫度為4℃時冷卻塔可制備11℃的冷卻出水，在室外濕球溫度為12℃時冷卻塔可制備17℃的冷卻出水。冷凍水泵、冷卻水泵均為變頻水泵，冷卻塔風機變頻，板式換熱器選擇1℃溫差的板換。當室外濕球溫度高于12℃

5、時，冷卻塔風機根據(jù)冷卻水出水溫度進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，保證冷卻塔出水溫度高于冷水機組冷凝側(cè)最低允許溫度（一般為15℃），以避免冷凝器低壓報警的情況發(fā)生。此時冷卻側(cè)的水循環(huán)路由為A-B-C-D-E-H-I-J-A，冷卻水經(jīng)冷卻塔降溫后直接通過水泵供至冷水機組；冷凍水側(cè)的水循環(huán)路由為a-b-c-d-e-h-i-j-a，冷水機組負擔全部末端負荷。當室外濕球溫度大于4℃、小于等于12℃時，冷卻塔可制備低于等于17℃、大于11℃的冷卻水，將低溫冷卻水經(jīng)過

6、板式換熱器與18℃的冷凍水回水進行換熱，降低冷凍回水溫度，以減少冷水機組承擔的負荷。此時冷卻水側(cè)的水循環(huán)路由為A-B-C-D-E-F-G-H-I-J-A，冷凍水側(cè)的水循環(huán)路由為a-b-c-d-e-f-g-h</p><p>　　目前，提高冷凍水供回水溫度已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心行業(yè)的趨勢，有些數(shù)據(jù)中心已經(jīng)采用15/21℃的供回水溫度的冷凍水。但需要注意的是，提高供回水溫度將導(dǎo)致空調(diào)末端制冷能力的衰減，導(dǎo)致空調(diào)末端數(shù)量、初

7、投資增以及末端風機能耗的增加。因此采用何種供回水溫度應(yīng)進行初投資和運行費用的綜合分析比較。 </p><p>　?。ǘ┯欣谔岣呃渌畽C組的制冷效率對于同一臺冷水機組，當冷卻水供回水溫度保持不變，將冷凍水供回水溫度提高，其制冷量增加，輸入功率增加，COP值增大，效率更高。以一臺600RT的離心式冷水機組為例，其COP值對比表1如下： </p><p><b>　　表1 </

8、b></p><p>　　從上表中可看出冷凍水溫12/18℃的冷水機組比冷凍水溫7/13℃的冷水機組制冷效率高出9%。 </p><p>　　三、封閉IT機房中的冷通道或熱通道 </p><p>　　數(shù)據(jù)中心中服務(wù)器機柜的標準布置方式為順著氣流方向按列布置，機柜采用面對面、背靠背的方式布置，服務(wù)器機柜從正面吸入冷風，冷風與服務(wù)器發(fā)熱元器件換熱后變成熱空氣，從機

9、柜背面排出。 </p><p>　　數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)鋪設(shè)架空地板，在冷通道中設(shè)置地板送風口，精密空調(diào)為下送上回型。經(jīng)精密空調(diào)降溫處理后的空氣送至架空地板下方，架空地板下方近似于靜壓箱，冷空氣從地板送風口送至冷通道，服務(wù)器機柜從冷通道吸入冷空氣帶走服務(wù)器散熱并排至熱通道，熱空氣再從熱通道回至精密空調(diào)回風口。 </p><p>　　當機柜之間的冷熱通道沒有封閉時，冷空氣吹至冷通道后，一部分被服務(wù)

10、器吸入，另一部分直接從冷通道上部流出，并與熱空氣混合，回至精密空調(diào)回風口。此時由于進入服務(wù)器的實際風量不足，服務(wù)器的排風溫度升高，感溫器反饋至精密空調(diào)控制器，要求精密空調(diào)增大風量，以保證服務(wù)器吸入足夠的風量，使排風溫度保持在設(shè)定范圍。所以，當冷熱通道不封閉時，精密空調(diào)的送風不能被充分利用，其送風利用率較低，導(dǎo)致精密空調(diào)風量增加，風機耗電量增加。 </p><p>　　機柜之間的冷熱通道均可采用鈑金件和玻璃進行封閉

11、。當封閉冷通道時，冷通道內(nèi)的冷空氣均能被服務(wù)器全部吸入，排出的熱空氣不會與冷空氣混合，直接回至精密空調(diào)回風口。并且機房內(nèi)可不做吊頂，熱空氣直接通過機房空間回風。封閉冷通道的方式的缺點是環(huán)境溫度接近回風溫度，舒適度較差。 </p><p>　　當封閉熱通道時，機房內(nèi)需設(shè)置吊頂，熱通道的熱空氣從吊頂內(nèi)回至精密空調(diào)回風口。此時環(huán)境溫度接近于冷通道的溫度，舒適性較佳。 </p><p>　　四、將

12、末端精密空調(diào)的備用機組開啟，使精密空調(diào)總的風機功率降低 </p><p>　　假設(shè)有一個IT機房，有6臺制冷量為150KW的冷凍水型精密空調(diào)，EC風機（電子轉(zhuǎn)向嵌入式風機）的額定功率為9.3KW，5用1備。 </p><p>　　當采用冷備份方式時，既5臺精密空調(diào)100%負載運行，總的空調(diào)風機運行功率為9.3KW*5臺=46.5KW。當采用熱備份方式時，既6臺精密空調(diào)的負擔83%的負載，總

13、的空調(diào)風機運行功率為9.3KW*0.833*6臺=31.9KW。 </p><p>　　從上述分析中可看出，6臺精密空調(diào)83%負載運行的風機總功率比5臺精密空調(diào)100%負載運行的風機總功率節(jié)省14.6KW。 </p><p>　　五、對中等規(guī)模的數(shù)據(jù)中心采用帶自由冷卻功能的風冷式冷水機組 </p><p>　　對于一些改造項目或規(guī)模中等的新建機房項目，以及缺水地區(qū)的

14、機房項目，采用水冷式冷水機組制冷方式可能存在一定困難，設(shè)計中一般采用帶自由冷卻功能的風冷式冷水機組來負擔數(shù)據(jù)中心冷量。 </p><p>　　下圖2為風冷冷水機組自由冷卻的原理圖： </p><p><b>　　圖2 </b></p><p>　　假設(shè)圖2中冷凍水供回水溫度為12/18℃，與水冷式冷水機組空調(diào)系統(tǒng)的自由冷卻模式類似，帶自由冷卻盤

15、管的風冷式冷水機組也有三種運行模式：冷機壓縮機運行工況、冷機壓縮機與自由冷卻盤管共同運行工況、完全自由冷卻工況。 </p><p>　　在室外干球溫度大于等于18℃的時段，此時冷凍水的流程為A-B-C-E-F-G，冷凍水回水直接流經(jīng)蒸發(fā)器，不流經(jīng)自由冷卻盤管。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)負荷完全由風冷冷水機組承擔。 </p><p>　　在室外干球溫度小于18℃、大于完全自由冷卻室外溫度（該溫度與冷機廠

16、商的設(shè)備有關(guān)，一般為-2~-4℃，取-2℃。）的時段，此時可利用室外較低溫的空氣通過自由冷卻盤管對冷凍回水進行預(yù)冷，以降低風冷冷水機組的進水溫度，從而減小壓縮機的功耗。冷凍水的流程為A-B-D-E-F-G，冷凍水回水先流經(jīng)自由冷卻盤管，利用室外低溫空氣進行降溫，再流經(jīng)冷機蒸發(fā)器。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)負荷由自由冷卻盤管和風冷冷水機組共同承擔。 </p><p>　　在室外干球溫度小于等于-2℃的時段，此時可利用室外低溫空

17、氣通過自由冷卻盤管將18℃的冷凍回水處理到12℃的冷凍供水，冷凍水流經(jīng)風冷機組的蒸發(fā)器，但風冷主機的壓縮機停止運行。冷凍水的流程為A-B-D-E-F-G。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)負荷完全由自由冷卻盤管承擔。 </p><p>　　以北京地區(qū)氣象條件為例，室外溫度大于等于18℃的時長為3349小時，室外溫度大于-2℃、小于18℃的時長為4257小時，室外溫度小于等于-2℃的時長為1154小時。既：耗電量最大的設(shè)備冷水機組有1

18、154小時（約1.6個月）的時間可以停止運行，有4257小時（約5.9個月）是處于部分負荷狀態(tài)下運行。 </p><p>　　六、對IT機房設(shè)置變風量末端（VAV BOX）供應(yīng)新風 </p><p>　　由于數(shù)據(jù)中心IT機房有保持5~10Pa的正壓要求，因此需供應(yīng)新風。目前大部分數(shù)據(jù)中的新風供應(yīng)方式采用新風機組直接供應(yīng)新風至IT機房的方式，通過控制新風管上的電動閥門開度或在房間設(shè)置余壓閥來

19、維持IT機房內(nèi)的正壓。當采用電動閥門控制正壓時，會導(dǎo)致其它房間風量的變化，以致動態(tài)風量不平衡；當采用余壓閥控制正壓時，新風機組為定風量模式，風機能耗較大。因此，可采用變頻新風機組+變風量末端的方式。 </p><p>　　新風機組采用變頻風機，末端采用壓力無關(guān)型變風量末端，變風量末端風量由設(shè)置IT機房內(nèi)的壓差探測器控制。新風機組變風量系統(tǒng)采用定靜壓控制模式。 </p><p>　　采用變風

20、量系統(tǒng)的優(yōu)點：1、新風可按需分配，根據(jù)IT機房的室內(nèi)外壓差來控制送入房間的新風量，比定風量系統(tǒng)更節(jié)能；2、一個IT機房的風量變化不會影響其它IT機房的風量變化，動態(tài)平衡自適應(yīng)性能更佳。 </p><p>　　七、因地制宜，充分利用當?shù)刈匀毁Y源和氣候來設(shè)計空調(diào)制冷模式 </p><p>　　對于南方地區(qū)，其濕熱氣候和冬季較高的干球溫度不利于采用“開式冷卻塔+板式換熱器”的自由冷卻模式，夏季干

21、濕球溫度較高也不利于冷卻塔散熱。由于南方地區(qū)的地表水資源較豐富，在這些區(qū)域的數(shù)據(jù)中心可考慮采用地表水排熱的方式，從地表水上游取水，帶走冷水機組冷凝側(cè)排熱，再排至地表水下游。 </p><p>　　采用地表水散熱的優(yōu)點：1、夏季的地表水溫一般較采用冷卻塔制備的冷卻水溫度低，有利于提高制冷效率；2、節(jié)省了一套冷卻塔，節(jié)省了冷卻塔風機運行費用。 </p><p>　　對于北方嚴寒和寒冷地區(qū)，其過

22、渡季節(jié)和冬季溫度較低，可采用室外新風與室內(nèi)循環(huán)空氣通過叉流板式換熱器進行顯熱交換的方式。對于西北干燥區(qū)域，利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以制備較低溫的空氣，也是一種較好的節(jié)能措施。 </p><p><b>　　八、小結(jié) </b></p><p>　　數(shù)據(jù)中心作為耗能大戶，節(jié)能意義重大。空調(diào)節(jié)能的方式多種多樣，應(yīng)根據(jù)項目的具體情況進行綜合分析，選取適合項目的節(jié)能措施。 </