数据中心湖水源自然冷却系统的节能模拟优化

临中心湖水源自然冷却系统的节能模拟优化曾丽萍;雷奥军;张泉;凌丽【摘要】利用Trnsys仿真平台,分析了湖水源自然冷源系统的运行参数对能耗的影响.以能耗函数为目标，优化制冷系统的最佳送风温度和冷冻水供水温度.模拟结果表明:该系统全年的总能耗随机房送风温度与冷冻水温度温差的增大呈先减小后增大的趋势,温差为7°C时，系统能耗达到最小.设定温差为7°C,优化机房送风温度和冷冻水供水温度，当机房送风温度为21C,冷冻水供水温度为14C时，系统能耗最低.其运行能耗相比优化前(机房送风温度为12C、冷冻水供水温度为18C)节能34.3%,相比于传统制冷系统节能59.7%.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷)，期】2018(037)011【总页数】5页(P63-66,46)【关键词】湖水源冷却;数值摸拟;节能【作者】曾丽萍;雷奥军涨泉;凌丽【作者单位】湖南工程学院建筑工程学院;湖南大学土木工程学院;湖南大学土木工程学院;湖南大学土木工程学院【正文语种】中文0引言随着互联网的高速发展，以大数据，云计算，人工智能和区块链为代表的新一代信息技术，正在加速全球的智能化变革，也促进了数据中心的大幅增长。据工信部2016年发出的报道，中国数据中心市场规模达到714.5亿元，数据中心的耗电量占全社会用电量的1.5%[1]，而且全球数据中心的耗电量也达到了1.1~1.5%1.1~1.5%[2]。预计到2020年，数据中心还会继续增长[3],能耗也会跟着需求大增长。在保证数据机房环境要求的同时，如何降低数据机房制冷系统的能耗问题成为研究热点。目前数据中心制冷最节能的方式是利用自然冷源制冷。Facebook设在瑞典吕勒奥城市的数据中心，微软公司设在爱尔兰都柏林的数据中心，都是利用全年室外环境温度低的特点，采用室外空气自然冷却，实现了低能耗。我国阿里公司设在杭州千岛湖的数据中心[4],采用湖水冷却空调系统，充分的利用湖水自然冷源，从而大幅度降低数据中心的能耗。新建的云巢数据中心以郴州资兴市的东江湖水为自然冷源，实现数据中心的低能耗。本文云巢数据中心为例，研究湖水源自然冷却系统，采用trnsys软件对系统进行数值模拟，对冷水机组、冷却塔、湖水换热器三种制冷模式，进行方案模拟，获取最优运行参数。1模拟方法及结果1.1东江湖年平均水温东江湖最深的水位达到280m，湖面面积有160km2，水库容量达到81.2亿m3,根据当地东江站测试的水文资料（测试点位于水下3m处），全年湖水平均温度为12.9C，如图1所示，其水温完全可以为数据中心机房提供充分的冷源。图1东江湖年平均水温1.2模型的建立为了优化东江湖数据中心的湖水源冷却系统，本文采用Trnsys软件对湖水源自然冷却系统进行模拟，如图2所示，该数据中心采用两种方式进行制冷：一种是采用冷水机组制冷。另一种是采用湖水作为自然冷源，通过板式换热器与冷冻水回水进行热交换，达到制冷目的。制冷系统主要有三种运行方式：当换热器出口水温（Thx,o）低于冷冻水供水温度（Tchw,s）时，则采用湖水自然冷却。当换热器出口温度高于冷冻水供水温度（Tchw,s），而湖水温度（Tlake）低于机房回水温度（Trw）时，则湖水源和制冷机组一起运行制冷。当湖水温度（Tlake）高于机房回水温度（Trw）时，关闭湖水源，采用冷水机组制冷。图2数据中心冷却系统图根据节能需求，数据中心的冷水机组、冷却塔、湖水泵、冷冻泵均采用变频设计。依据室外环境温度、湖水温度、机房回风温度、冷冻水供水温度、冷冻水供回水温差等参数，构建负荷和换热器的出口温度的能耗模型。本文以能耗函数为目标函数，建立湖水源自然冷却系统的目标函数为：式中：Pchiller表示冷水机组消耗的电能，kWh；Pct表示冷却塔消耗的电能，kWh；Pcwp表示冷却水泵消耗的电能，kWh；Pchwp表示冷水泵消耗的电能，kWh；Plwp表示湖水泵消耗的电能，kWh；Pcrah表示CRAH风机消耗的电能，kWh。2模拟结果与讨论2.1优化机房送风温度与冷冻水供水温度之间温差为了分析机房送风温度与冷冻水供水温度温差对数据中心能耗影响，设定机房送风温度与冷冻水温度温差在6~10^,冷却水供水温度（Tcw,s）为32°C,机房回风最高温度为35C，模拟冷冻水供水温度（Tchw,s）在12、13、14、15C时的四种不同工况，如表1所示。表1四种不同工况的模拟条件？由图3可知，数据中心的系统能耗随温差的增加呈先减小后增大的趋势，在温差为7C时，系统能耗均达到最小。一方面随着温差与机房送风温度的增加，送回风温差减小，由于机房的冷负荷不变，导致CRAH风量增加，从而导致CRAH风扇能耗增加。另一方面，机房送风温度影响冷冻水泵的流量，机房送风温度增加，冷冻水泵流量则减小，从而冷冻水泵能耗则减小。冷冻水量减小，机房负荷不变，冷冻水供水温度不变，导致回水温度增加，从而导致换热器出口温度也增加，为了达到供水温度设定点，机组运行时间增加，最后导致冷却水系统能耗增加。因系统各设备能耗增减程度不一致，使得总能耗随着温差的增加呈先减小后增大。因而，在CRAH换热能力一定时，存在恒定的温差使得系统能耗最低，不随冷冻水供水温度发生变化。针对该系统，在温差7°C时，湖水源制冷系统能耗最小。图3不同冷冻水供水温度下能耗随温差的变化2.2优化机房送风温度和冷冻水供水温度对机房送风温度（Tsa）在18~24C的范围内进行模拟，机房回风最大允许温度为35C,冷却水供水温度（Tcw,s）设定为32C，根据机房送风温度与冷冻水供水温度温差的优化分析，设定温差为7C,模拟分析以下七种不同工况，如表2所示。表2七种不同工况的模拟条件根据Durand-Estebe的报道[5],系统使用自然冷却的时间随机房送风温度的提高而增加，冷水机组的能耗虽然减少了，但整体能耗不一定减少，影响了服务器运行的稳定性和可靠性。从图4中可知，湖水源冷却的运行时间随着送风温度的增加先减小后增加，当机房送风的温度24C时，可以完全采用湖水冷却。送风温度增加后，系统湖水冷却的时间增加，系统的总能耗并不是一直呈减小趋势，在机房送风温度为22C时反而开始增加。从图5中也可以看出：冷水机组和冷却水泵的能耗随着送风温度的增加而减少，CRAH风机能耗却增长很快，导致总能耗表现为先减小后增加的趋势。图4不同送风状态点下的运行状态及全年能耗图5不同送风状态点下的各设备能耗图6不同送风状态点下的能耗主要影响参数变化趋势当回水温度高于湖水温度，且换热器出口温度高于冷冻水供水温度时，系统由湖水源冷却模式（WSE）更换到部分湖水源冷却模式（IWSE）。当系统的冷冻水供水温度随机房送风温度增加时，湖水源冷却模式（WSE）的运行时间也增加，而冷水机组，冷却塔和冷却水泵运行时间减少，导致系统的全年总能耗也随之减小。从图6可以看出，冷水机组能耗（Pchiller）随着送风温度的提高而降低，在机房送风温度为2UC时，机组能耗减小95.4%。但是这部分减少的能耗逐渐被CRAH风机增加的能耗（Pcrah）抵消了。CRAH的风扇风量随着送风温度的提高而增加，从图5中看出Pcrah的增长几乎是呈线性增长，而风扇的能耗与风量之间的关系呈非线性变化，在机房送风温度为21C时，风扇风量增加19.3%，其能耗却增加了84.8%，在机房送风温度为24C时，风扇已达到极限速度。因此，当冷冻水供水温度为14C、机房送风温度为21C时，系统能耗最小，运行状态最优。当系统运行状态点（冷冻水供水温度12C,送风温度为18C）优化至最优状态点（冷冻水供水温度14C,送风温度21C）时，系统能耗由3818554kWh减小至2507569kWh，可见优化后的湖水源冷却系统相比于优化前节能34.3%，相比于传统制冷系统能耗（6223752kWh）节能59.7%。说明随着送风温度的提高，虽然CRAH风扇的能耗增加，但是冷却水泵和冷水机组的能耗减小，因而总能耗减小。当冷冻水供水温度为14C，机房送风温度为21C时，可以获得最低的总能耗。优化温度设定点后的湖水源自然冷却系统能耗相比优化前节能34.3%，相比于传统制冷系统节能59.7%。2.3最优状态点的运行分析图7为该湖水源自然冷却系统的最优状态点时系统的运行情况，该最优状态点为送风温度为21C,冷冻水供水温度为14C。从图7可知，随着湖水温度的升高，完全自然冷却时间减小，部分时间需要开启机组以满足所需负荷。根据全年湖水平均温度约为13°C，全年都可进行湖水冷却。图7三种模式全年运行时间分配情况在春季（3月~5月），湖水温度较高，平均温度约为13.2C，该系统78%的时间都在进行完全自然冷却，其余22%的时间在进行部分自然冷却。在夏季（6月~8月），湖水温度在六月份达到最高，而七、八月份湖水温度较低，81%的时间在进行完全自然冷却，剩下9%的时间使用部分自然冷却。秋季（9月~11月），湖水温度约为12.8C,满足换热器出口温度低于冷冻水供水温度14C,该系统可完全进行自然冷却。冬季（12月~2月），该系统大部分时间都可进行完全自然冷却，而部分自然冷却运行时间占0.5%。由以上分析可知，冬季比秋季的自然冷源利用率略低，因为在冬季环境温度很低时，湖水会出现逆温层的现象，即随湖水深度的增加，温度跟着增加。而秋季表面冷却引起水循环，形成同温现象，所以湖水温度较冬季还略低一些，故而冬季使用自然冷却的时间较秋季要小一些。夏季自然冷源利用率却比春季还要高一些，这是由于夏季的部分时间湖水会出现正温层现象，即湖水表面温度较高，底层温度较低。而春季湖水表面开始增温，引起湖水循环，湖水再度形成同温现象，所以湖水温度整体较夏季略高一些，故而导致春季完全自然冷却运行时间较夏季少一些。3结论本文针对某数据中心制冷系统，采用Trnsys软件建立制冷系统的仿真平台，分析其运行特点，考虑到环境因素与制冷系统的换热特性，分析系统运行参数对各部分能耗的影响，建立能耗目标函数，分析制冷系统总能耗的影响因素，模拟分析制冷系统在不同影响因素下的能耗变化趋势，从而确定制冷系统的最优送风温度和冷冻水供水温度，且对最佳运行状态点进行能耗分析。1）随着机房送风温度与冷冻水温度温差的增加，全年系统能耗呈先减小后增大的趋势，当冷冻水供水温度分别在12C,13C,14C和15C四种不同的工况下，温差为7°C时能耗最小。当冷冻水供水温度与送风温度设定值一定，自然冷却运行时间随送风温度设定值的提高而增加，总能耗呈现先减小后增加的趋势，这是因为随送风温度设定值的提高，CRAH风扇的能耗往往会使得总能耗增益减小甚至呈负值变化。2）系统运行时，冷冻水供水温度与机房送风温度分别为14C和21C时，模拟结果表明系统运行状态最佳，总能耗最低。比实际运行状态点（冷冻水供水温度12C、机房送风温度18C）时节能34.3%，相比于传统制冷系统节能59.7%。3）当系统在最优状态（冷冻水供水温度12C、机房送风温度18C）下运行时，全年都可采用湖水冷源。在春季（3月~5月）78%的时间可以完全利用湖水进行自然冷却。在夏季（6月~8月）81%的时间在进行完全自然冷却。在秋、冬季节（9月~2月），该系统几乎可以完全采用湖水冷却。参考文献【相关文献】2016-2017年中国IDC产业发展研究报告[R].北京:中科智道科技股份有限公司,2017KoomeyJ.GrowthinDataCenterElectricityUse2005to2010[M].Oakland,CA:AnalyticsPress,2011GantzJ,ReinselD.BigData,BiggerDigitalShadows,andBiggestGr