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1、电子技术设计与应用ElectronicsDesign&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
2、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
3、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
4、，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
5、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ElectronicsDesign&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
6、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35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
7、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
8、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，
9、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。
10、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ElectronicsDesign&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
11、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，
12、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
13、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。2IDC机房空调的合理设计2.1IDC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
14、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ElectronicsDesign&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
