数据中心水冷空调冷源系统的节能运行

电 子 技 术 设 计 与 应 用 Electronics Design & Application10.3969/j.issn.1000-0755.2016.01.023数 据 中 心 水 冷 空 调 冷 源 系 统 的 节 能 运 行谢 静 蒋 雅 靖上 海 邮 电 设 计 咨 询 研 究 有 限 公 司摘 要 ： 空 调 冷 源 系 统 耗 电 在 数 据 中 心 总 用 电 量 中 占 比 接 近 一 半 。 本 文 主 要 针 对 现 有 的 数 据 中 心 空 调 冷源 系 统 ， 通 过 对 水 冷 系 统 经 济 运 行 模 式 的 研 究 分 析 ， 提 出 了 多 种 行 之 有 效 的 节 能 运 行 策 略 ， 可 显 著 地 降 低系 统 运 行 费 用 ， 同 时 为 今 后 数 据 中 心 水 冷 系 统 的 节 能 减 排 起 到 重 要 的 示 范 作 用 。关 键 词 ： 数 据 中 心 ； 空 调 冷 源 系 统 ； 经 济 运 行 ； 节 能引 言据 预 测 ， 到 2016 年 中 国 数 据 中 心 市 场 规 模 将 突破 1000 亿 人 民 币 1。 就 目 前 原 始 设 备 出 口 总 量 而 言 ，中国及亚太已经远超世界其他区域。从全球视角而言 ， 中 国 正 在 成 为 全 球 最 大 的 数 据 中 心 市 场 。 然 而 ，在大型数据中心建设中仍存在着许多问题，值得深入 探 索 并 不 断 完 善 。统计显示，数据中心的冷却用电占机房总功耗的 40%左 右 。 如 何 降 低 大 型 数 据 中 心 水 冷 系 统 的 的运 行 能 耗 ， 从 根 本 上 降 低 PUE(评 价 数 据 中 心 能 源 效率 的 指 标 )成 为 亟 待 解 决 的 课 题 。 本 文 分 别 从 制 冷 主机 运 行 及 控 制 策 略 、 IDC 机 房 空 调 的 合 理 设 计 及 系统轻载运行等方面进行了阐述，提出了一系列行之有 效 的 数 据 中 心 空 调 冷 源 系 统 的 经 济 运 行 模 式 。正 文1 制 冷 主 机 运 行 及 控 制 策 略空调冷水系统一般包括冷水机组、冷却塔、水泵 等 主 要 部 件 ， 大 多 数 建 筑 物 都 是 使 用 两 台 (或 两 台以 上 )的 冷 水 机 组 供 冷 ， 冷 水 机 组 大 部 分 时 间 内 均 在部分负荷下运行。优化制冷主机运行台数，同时对冷冻水、冷却水系统进行控制调节，能使冷水机组高 效 、 可 靠 地 运 行 。1.1 制 冷 主 机 运 行 台 数 优 化1.1.1 离 心 式 冷 水 机 组 部 分 负 荷 的 能 效 比 特 点离心式冷水机组在部分负荷下运行的条件不同，其部分负荷的能效比变化趋势不同，根据冷却水进水温度变化，冷水机组在部分负荷时的运行规律见 表 12。表 1 冷 却 水 进 水 温 度 对 冷 水 机 组 部 分 负 荷 的 能效 比 影 响 (参 见 右 栏 )冷水机组是按照设计工况选择的，当冷却水进水温度低于设计工况时，冷水机组的满负荷制冷量可 能 会 大 于 其 设 计 冷 量 (额 定 冷 量 )。 超 额 冷 量 一 般表 1 冷 却 水 进 水 温 度 对 冷 水 机 组 部 分 负 荷 的 能 效 比 影 响是 5%左 右 ， 它 不 仅 受 到 “压 缩 机 过 电 流 保 护 ”的 限 制 ，而 且 受 到 冷 凝 器 与 蒸 发 器 的 压 差 不 宜 过 低 的 限 制 。另 外 ， 在 冷 水 机 组 负 荷 相 同 的 条 件 下 ， 若 冷 却 水 进水 温 度 降 低 ， 则 冷 水 机 组 的 COP 会 升 高 。冷 水 机 组 在 非 设 计 工 况 下 ， 仍 可 能 满 负 荷 运 行 。在 多 台 冷 水 机 组 运 行 管 理 中 ， 空 调 系 统 负 荷 逐 步 减少 时 ， 会 关 闭 部 分 冷 水 机 组 ， 使 剩 余 的 冷 水 机 组 在较 高 负 荷 区 域 满 负 荷 运 行 。 因 此 在 设 计 选 型 时 适 当增 加 冷 水 机 组 台 数 ， 在 空 调 系 统 部 分 负 荷 时 ， 减 少冷 水 机 组 的 运 行 台 数 是 节 能 的 措 施 之 一 。1.1.2 多 台 离 心 式 冷 水 机 组 并 联 运 行 规 律据 统 计 只 有 15%左右的建筑物使用单台冷水机组供冷，而 85%左右的建筑物使用两台（或以上）的 冷 水 机 组 供 冷 。 为 了 让 每 台 冷 水 机 组 运 行 在 高 能效 的 较 高 负 荷 区 域 ， 冷 水 机 组 的 群 控 方 案 应 确 保 每台冷水机组绝大部分时间运行在 50%以上负荷范围内 ， 以 达 到 既 节 约 冷 水 机 组 运 行 费 用 ， 又 节 约 与 之相 对 应 的 水 泵 、 冷 却 塔 的 运 行 时 间 及 电 费 的 目 的 。当 建 筑 物 中 的 冷 水 机 组 的 数 量 越 多 时 ， 每 台 机 组 接近 满 负 荷 运 行 的 概 率 越 大 。由 于 大 部 分 建 筑 物 都 是 使 用 两 台 (或 两 台 以 上 )81电 子 技 术 设 计 与 应 用 Electronics Design & Application冷水机组供冷，并且冷水机组的群控方案基本保证每 台 冷 水 机 组 绝 大 部 分 时 间 运 行 在 50%以 上 负 荷 范 围内 ， 因 此 在 选 择 离 心 式 冷 水 机 组 台 数 时 ， 需 注 意 ：1） .离 心 式 冷 水 机 组 的 NPLV 值 不 能 真 实 反 映 多台冷水机组运行时的实际能耗情况，因此可采取比较 离 心 式 冷 水 机 组 的 COP 为 主 ， 比 较 其 NPLV 值 为 辅的 方 式 ， 评 估 多 台 冷 水 机 组 运 行 时 的 实 际 能 耗 情 况 。2） .合 理 选 择 冷 水 机 组 的 台 数 ， 综 合 考 虑 两 方面因素。增加设计的冷水机组台数是节能运行的措施之一，在空调系统负荷减少时，可减少冷水机组的 运 行 台 数 。 但 是 需 综 合 考 虑 由 于 冷 水 机 组 台 数 增 加 ，导致冷水机组的单机制冷量减少，对于同一系列的机 组 而 言 ， 单 机 制 冷 量 减 小 ， 其 COP 值 也 相 对 较 小 ，对 冷 水 机 组 的 节 能 运 行 不 利 。3） .从 实 际 出 发 选 择 冷 水 机 组 的 台 数 和 单 机 制冷量。一般工程以 3 5 台冷水机组为宜，基本上是多台同一冷量的冷水机组。这样既考虑离心式冷水机组在不同冷量范围的性价比和 COP 值，又考虑冷水机组、水泵、冷却塔的互为备用，还考虑冷水机组的群控系统的复杂程度及其成本。冷水机组台数过多，会相应增大冷水机房面积，因为每一台冷水机组都需要维修空间，并且水泵、冷却塔所需的空间 也 相 应 增 大 。根据能效和设备性能，提供最优设备运行组合和优化每台冷水机组负荷分配，可根据日常运行数据，经专业软件提供智能控制算法以便最大限度的根据负载需求实现节能运行，合理控制冷水机组运行台数，实现系统高效节能地运行。为了让每台冷水机组运行在高能效的较高负荷区域，应确保每台冷 水 机 组 绝 大 部 分 时 间 运 行 在 50%以 上 负 荷 范 围 内 ，以达到既节约冷水机组运行费用，又节约与之相对应 的 水 泵 、 冷 却 塔 的 运 行 时 间 及 电 费 的 目 的 。1.2 变 工 况 节 能 冷 却 水 系 统1.2.1 冷 却 水 温 度 的 优 化 点 确 定冷水机组提供冷量的同时还产生热量，通过冷却塔散热。冷却水温度变化后，冷水机组能耗和冷却 塔 能 耗 的 变 化 趋 势 却 相 反 ， 见 表 2。表 2 冷 却 水 的 温 度 对 冷 却 塔 和 冷 水 机 组 能 耗 的 影 响故 把 冷 却 塔 能 耗 与 冷 水 机 组 能 耗 相 加 ， 可 以 寻找 冷 却 水 温 度 的 优 化 点 ， 对 应 于 总 能 耗 曲 线 上 的 最低 点 。1.2.2 冷 却 水 温 度 优 化 点 随 运 行 工 况 变 化 而 改 变冷 却 水 温 度 的 优 化 点 取 决 于 很 多 参 数 ， 如 冷 却负 荷 、 空 气 的 湿 球 温 度 或 环 境 状 态 等 。 冷 水 机 组 和冷 却 塔 的 综 合 能 耗 最 低 点 不 是 对 应 于 恒 定 的 冷 却 水温 度 点 ， 如 图 1 所 示 2。图 1 系 统 负 荷 变 化 与 冷 却 水 最 优 化 温 度 点 关 系 图假 如 在 室 外 湿 球 温 度 18时 ， 一 台 1550 冷 吨 的离 心 式 冷 水 机 组 满 负 荷 的 工 作 状 态 曲 线 如 图 1，它表 明 在 此 负 荷 、 此 湿 球 温 度 下 ， 随 着 冷 却 水 温 度 的不 同 ， 冷 水 机 组 和 冷 却 塔 的 总 能 耗 也 随 之 不 同 。 在此 状 态 下 的 冷 却 水 的 优 化 温 度 为 24， 对 应 于 总 能耗 曲 线 上 的 最 低 点 。 当 随 着 负 荷 减 少 ， 室 外 湿 球 温度 的 下 降 ， 冷 却 水 的 优 化 温 度 也 会 随 之 发 生 变 化 。在 冷 水 机 组 荷 载 达 到 1160 冷 吨 时 ， 湿 球 温 度 在 14的 条 件 下 ， 冷 却 水 的 优 化 点 移 到 了 21。 因 此 ， 不同 的 湿 球 温 度 ， 不 同 的 冷 水 机 组 荷 载 会 产 生 出 不 同的 优 化 温 度 点 。冷 水 机 组 能 耗 与 冷 水 机 组 的 性 能 曲 线 有 关 ， 而冷 却 塔 能 耗 与 冷 却 塔 的 性 能 曲 线 有 关 ， 需 采 用 智 能化 的 控 制 系 统 将 冷 却 塔 运 行 控 制 与 冷 水 机 组 运 行 控制 紧 密 地 结 合 。1.2.3 变 工 况 调 节冷 却 水 温 度 主 要 由 冷 水 机 组 和 冷 却 塔 性 能 曲 线 、空 气 湿 球 温 度 和 环 境 状 态 以 及 冷 却 负 荷 这 三 个 方 面来 确 定 的 。变 工 况 冷 却 系 统 实 质 是 把 系 统 的 发 热 量 用 最 小的 功 耗 带 走 ， 并 为 系 统 提 供 相 对 理 想 的 冷 却 水 温 度 ，适 应 不 同 空 气 湿 球 温 度 及 不 同 冷 负 荷 工 况 变 化 ， 为系 统 综 合 COP 做 贡 献 。由 于 空 调 系 统 大 部 分 时 段 均 运 行 于 部 分 负 荷 下 ，冷 却 塔 容 量 按 照 满 负 荷 配 置 ， 同 时 配 有 备 用 冷 却 塔82电 子 技 术 设 计 与 应 用 Electronics Design & Application及 自 由 冷 却 系 统 冷 却 塔 (此 部 分 塔 在 非 自 由 冷 却 时 段可 与 主 机 配 备 的 塔 体 联 合 使 用 )， 这 些 设 备 配 置 就 为变 工 况 冷 却 系 统 的 实 施 奠 定 了 基 本 的 物 质 基 础 。在日常运行中，根据环境湿球温度、冷却水流量、进回水温度，控制风机运行状态与数量，为主机 提 供 最 佳 冷 却 水 温 ， 做 好 相 关 数 据 的 纪 录 与 整 理 ，从中归纳汇总找出内在的联系及规律，为主机运行提 供 最 佳 的 冷 却 温 度 ， 优 化 冷 却 水 系 统 运 行 方 案 。同时应当明确增加冷却塔运行台数、降低冷却水出水温度，必然导致冷却塔蒸发损失、排污损失及飘逸损失的加大，不可避免的会增大冷却水系统的补水量，所以确定冷却水最佳冷却温度，需同时考 虑 补 水 量 的 影 响 。1.3 适 当 提 高 空 调 供 水 温 度 的 节 能 运 行适当提高制冷主机的蒸发温度及冷水的出水温度 是 提 升 制 冷 系 统 整 体 节 能 效 果 的 一 个 有 力 措 施 。随着冷水机组的出口冷水温度升高，冷水机组的 制 冷 量 逐 渐 增 加 ， COP 值 逐 渐 增 加 ， 从 4.4到9.5， 冷 水 温 度 升 高 5.1， 冷 水 机 组 的 冷 量 增 加了 30.2%， COP 值 增 加 了 7.9%。 冷 水 温 度 的 升 高 使冷水机组的蒸发压力和蒸发温度升高，从而改善主机 的 制 冷 性 能 ， 使 得 制 冷 量 和 COP 值 增 加 (见 图 2)。如空调负荷发生变化，可以通过调节离心式制冷机进口导叶或者调节转速，改变蒸气吸入量，以适应供冷量的要求。所以提高冷水供水温度不会引起供冷 量 偏 大 的 问 题 。图 2 冷 水 温 度 对 机 组 性 能 的 影 响下图显示了在不同的出水温度条件下，冷水机组 的 制 冷 量 与 用 电 功 率 的 典 型 关 系 。图 3 冷 水 机 组 出 水 温 度 与 制 冷 量 和 用 电 功 率 的关 系 (参 见 右 栏 )不难看出，随着出水温度的提升，制冷量和用电功率都在增加，但制冷量的增幅更大。以上分析表明，根据气象条件和空调负荷的变化，确定合理的供水温度，这样既可提高制冷机组运行能效比，又 可 延 长 自 由 冷 却 使 用 时 间 。图 3 冷 水 机 组 出 水 温 度 与 制 冷 量 和 用 电 功 率 的 关 系确 定 冷 水 温 度 的 运 行 参 数 ， 需 根 据 数 据 机 房 空调 负 荷 、 室 外 气 象 参 数 、 末 端 专 用 空 调 处 理 能 力 三方 面 的 因 素 确 定 。值 得 注 意 的 是 ， 冷 水 机 组 的 出 水 温 度 也 不 可 以不 受 限 制 的 提 高 ， 且 对 于 末 端 空 调 设 备 而 言 ， 当 来自 冷 水 机 组 的 冷 冻 水 供 水 温 度 提 升 时 ， 其 制 冷 量 将随 之 下 降 ， 专 用 空 调 的 运 行 台 数 必 然 会 有 所 增 加 ，其 对 应 的 功 耗 也 会 有 一 定 程 度 的 上 升 ； 当 专 用 空 调制 冷 量 衰 减 过 大 ， 即 会 出 现 末 端 专 用 空 调 制 冷 总 量无 法 满 足 数 据 机 房 所 需 冷 负 荷 ， 那 势 必 会 导 致 数 据机 房 环 境 温 度 升 高 。2 IDC 机 房 空 调 的 合 理 设 计2.1 IDC 机 房 的 气 流 组 织合 理 的 冷 热 通 道 分 布 ， 可 以 避 免 因 局 部 热 点 ，导 致 空 调 温 度 设 定 过 低 从 而 引 起 的 高 功 耗 。 机 架 “背对 背 ”、 “面 对 面 ”布置是最基础的冷热通道布置(如图 4)， 在 此 基 础 上 ， 应 进 一 步 考 虑 封 闭 热 通 道(如图 5)或 冷 通 道 (如 图 6)， 进 而 提 高 气 流 组 织 的 效 率 ，使 空 调 运 行 在 高 效 状 态 3。 通 过 大 量 的 CFD(计 算 流体 动 力 学 仿 真 模 拟 软 件)模 拟 ， 以 及 现 场 实 测 ， 总结 了 大 多 数 情 况 下 ， 封 闭 冷 通 道 效 率 更 高 ， 究 其 原因 是 由 于 冷 通 道 可 以 使 机 柜 得 到 更 多 的 进 风 ， 可 以有 效 冷 却 设 备 ， 降 低 主 设 备 的 出 风 温 度 ， 最 终 的 结果 就 是 可 以 提 高 空 调 回 风 温 度 的 设 定 点 ， 实 现 空 调系 统 的 节 能 。图 4 机 房 冷 热 通 道 布 置 示 意 图图 5 封 闭 热 通 道 后 的 温 度 场图 6 封 闭 冷 通 道 后 的 温 度 场 (参 见 下 页 )机 柜 内 气 流 设 计 是 引 导 空 气 最 大 限 度 改 进 冷 却效 果 的 关 键 因 素 ， 设 计 合 理 的 机 柜 ， 其 气 流 组 织 顺畅 且 无 冷 热 气 流 掺 混 ， 高 效 地 利 用 了 空 调 提 供 的 低温 空 气 ， 提 高 了 冷 风 的 利 用 效 率 。 无 论 是 何 种 形 式的 机 柜 ， 都 要 合 理 设 计 机 柜 内 部 的 气 流 组 织 。 首 先 ，83电 子 技 术 设 计 与 应 用 Electronics Design & Application判 断 开 启 的 空 调 台 数 ；3） .判断机房总的温度控制或湿度控制趋势，保 持 多 台 机 组 协 同 运 行 ， 避 免 出 现 制 冷 、 制 热 同 时出 现 ， 或 加 湿 、 除 湿 同 时 出 现 的 情 况 。3 轻 载 运 行数 据 中 心 通 常 发 热 量 大 ， 导 致 配 置 的 水 冷 主 机容 量 较 大 。 但 数 据 设 备 的 启 用 是 一 个 逐 步 发 展 的 过程 ， 其 发 热 量 必 然 随 之 由 小 到 大 逐 步 增 加 ， 起 始 负图 4 机 房 冷 热 通 道 布 置 示 意 图 荷 甚 至 是 几 十 千 瓦 。 所 以 数 据 机 房 水 冷 空 调 存 在 一个 初 始 启 动 轻 载 运 行 的 阶 段 ， 这 个 阶 段 虽 然 短 暂 ，但 却 必 不 可 少 无 法 逾 越 ， 对 这 个 过 程 必 须 做 出 充 分考 虑 ， 才 能 满 足 数 据 中 心 的 制 冷 需 求 。3.1 风 冷 末 端 的 配 置在 空 调 系 统 初 期 冷 负 荷 较 低 时 ， 可 通 过 配 置 末图 5 封 闭 热 通 道 后 的 温 度 场 图 6 封 闭 冷 通 道 后 的 温 度 场 端 风 冷 专 用 空 调 解 决 数 据 机 房 初 期 平 滑 带 载 问 题 ；应避免气流受阻，在机架中应留出冷风自由上升的通道，避免设备完全将下送的冷风阻挡；其次，应避免气流紊乱，造成冷热风混合，应在空位放置机架 挡 板 （ 盲 板 ） ， 阻 止 热 风 回 流 。2.2 IDC 机 房 热 通 道 温 度 的 提 高适当提高末端专用空调回风温度以提高单台机组的运行效率，减少运行台数，降低末端专用空调的功耗。较高的回风温度，可以增加服务器的前后端 温 度 差 ， 这 能 在 相 同 热 负 荷 的 情 况 下 ， 减 少 风 量 ，同时也可以减少风机风量和转速，风机的功耗它根据的转速比值是一个立方的关系，当风机转速降低一 半 的 时 候 ， 它 的 功 耗 只 相 相 当 于 原 来 的 八 分 之 一 。提高回风温度，可以随之提高供水温度，通过加大进出空调机组的温度差，提高单台专用空调的显 冷 量 ， 消 除 潜 热 损 失 。2.3 专 用 空 调 的 智 能 群 控 管 理空调机房设有多套机房专用空调，如果不进行群 控 管 理 ， 就 会 出 现 如 下 两 种 情 况 ：1） .即 使 空 调 冷 却 需 求 下 降 ， 仍 保 持 多 台 机 组的 运 行 状 态 ；2） .出 现 部 分 机 组 在 制 冷 ， 部 分 机 组 在 加 热 ，或 部 分 机 组 在 加 湿 ， 部 分 机 组 在 除 湿 的 竞 争 运 行 状 况 。在 这 种 情 况 下 ， 就 需 对 多 台 空 调 进 行 群 控 管 理 ，包 括 ：1） . 能 实 现 系 统 中 主 、 备 空 调 机 之 间 的 自 动 切换，系统中空调机应定时轮换作为备份机组，保证整 个 系 统 的 可 靠 性 ；2） .判 断 机 房 总 的 冷 量 需 求 ， 根 据 冷 却 需 求 ，同时避免了水冷主机初期“ 大 马 拉 小 车 ”而 产 生 的 低效 率 、 高 能 耗 问 题 。随 着 装 机 容 量 的 提 高 ， 达 到 水 冷 主 机 的 合 适 启动 负 荷 ， 即 可 启 用 水 冷 主 机 ， 此 时 每 个 机 房 的 风 冷专 用 空 调 转 为 备 用 ； 随 着 冷 负 荷 的 逐 步 增 加 至 满 负荷 时 ， 一 部 分 风 冷 专 用 空 调 可 以 转 为 主 用 ， 以 弥 补水 冷 空 调 冷 量 的 不 足 ， 将 不 会 影 响 水 冷 空 调 规 模 化节 能 效 果 。3.2 蓄 冷 罐 的 运 行为 保 障 数 据 机 房 制 冷 的 连 续 性 ， 空 调 系 统 均 配置 有 支 撑 系 统 满 负 荷 运 行 1520 分 钟 的 蓄 冷 水 量 (贮存 于 蓄 冷 罐 内)。 当 数 据 机 房 运 行 初 期 ， 数 据 设 备发 热 量 很 低 的 轻 载 运 行 阶 段 ， 可 充 分 使 用 蓄 冷 罐 内蓄 存 的 冷 量 ， 减 少 主 机 开 启 次 数 ； 即 使 在 制 冷 主 机可 以 开 启 运 行 的 条 件 下 ， 初 期 冷 负 荷 较 不 稳 定 ， 也会 导 致 主 机 频 繁 启 动 、 影 响 主 机 寿 命 。 由 于 蓄 冷 罐的 存 在 ， 当 低 负 荷 不 稳 定 运 行 时 ， 会 延 长 主 机 运 行及 停 机 时 间 ， 避 免 主 机 频 繁 启 动 。 以 冷 负 荷 为422kW(主机冷量的 10%)为例，蓄冷罐可维持系统运 行 320 分 钟 (5 小 时 20 分 )， 即 主 机 的 启 停 间 隔 为320 分 钟 。3.3 自 由 冷 却 的 运 行冬 季 自 由 冷 却 技 术 是 利 用 自 然 冷 源 实 现 空 调 系统 节 能 的 一 项 重 要 技 术 。 在 过 渡 季 节 和 冬 季 ， 利 用室 外 温 度 较 低 的 空 气 温 度 进 行 降 温 ， 相 对 常 规 空 调系 统 在 相 同 气 候 条 件 下 的 运 行 能 耗 具 有 显 著 的 经 济性 。 对 于 需 要 全 年 供 冷 的 数 据 中 心 机 房 ， 自 由 冷 却技 术 的 使 用 有 很 好 的 节 能 潜 力 。84电 子 技 术 设 计 与 应 用 Electronics Design & Application自由冷却系统与制冷系统并联连接，配置相应的板式换热器、冷却塔、一次水侧循环泵及二次水侧循环泵。在不使用自由冷却系统的季节，冷却塔可与主机配备的冷却塔一并使用，以此降低冷却水温 ， 进 而 提 高 主 机 COP 值 。由于空调系统配有自由冷却系统，如轻载运行阶段处于过渡季节或冬季等室外温度较低时期，可独立运行自由冷却系统，通过冷却塔将内部少量热量 排 至 室 外 ， 保 证 数 据 机 房 室 内 温 湿 度 的 要 求 。4 总 结针对数据机房水冷空调系统的经济型运行策略主 要 有 ：1).根 据 系 统 日 常 运 行 的 情 况 ， 综 合 考 虑 环 境 湿 球温度、冷却水流量，冷却塔运