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数据中心冷源水蓄冷的节能设计

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时间: 2019-04-15
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数据中心的核心计算机房是需要常年供冷的。在过渡季节和冬季,有很长一段时间室外环境温度低于室内机房温度,通过相应的技术手段直接或间接将室外低温空气引入建筑物内将热量带走,以达到降温的目的,实现数据中心的自然冷却。


随着数据中心规模的不断扩大,服务器热密度的不断增大,数据中心的能耗在能源消耗中所占的比例不断增加。据统计制冷系统在数据中心的能耗高达40%,将自然冷却技术引入到数据中心应用,使用水蓄冷技术可大幅降低制冷的能耗。


一、自然冷却方案


自然冷却技术方案根据应用冷源的方式又可以分为直接自然冷却和间接自然冷却。


直接自然冷却又称为新风自然冷却,直接利用室外低温冷风作为冷源引入室内,为数据中心提供免费的冷量。新风自然冷却节能有很多的优点:相对于间接自然冷却,新风自然冷却无需冷液作为媒介,无需水泵及室外风机的功耗,节能效果更佳显著。


间接自然冷却,利用循环液(水、制冷剂、乙二醇水溶液等)为媒介,用泵作为动力驱动循环液循环,将数据中心的热量带到室外。间接自然冷却应用解决方案主要有:

  • 机房精密空调解决方案:带有自然冷却盘管的水冷型机房精密空调机组+干冷器等配件(DX系统的自然冷却技术在节能白皮书中);

  • 风冷冷水机组解决方案:带有自然冷却盘管的风冷冷水机组+冷冻水型机房精密空调;

  • 水冷冷水机组解决方案:利用冷却塔、板式换热器+冷冻水型机房精密空调。

风冷冷水机组的自然冷却可以通过两种方式实现,一种是整体式自然冷却风冷冷水机组,通过在风冷冷水主机冷凝器上增加自然冷却水盘管,实现低环境温度下的自然冷却,此系统专一内置Free cooling控制算法,三种制冷模式智能切换,完全无需人工干预。第二种是在水路系统上增加干冷器,实现冬季和过渡季节的节能运行。第二种配置灵活但需额外配置干冷器和水泵及自控系统。


1、带自然冷却的风冷冷水系统


内置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组工作原理:

                           


数据中心冷源水蓄冷的节能设计


内置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组夏季工作模式


在夏季,机组运行在压缩机循环制冷模式,和常规风冷冷水机组相同,完全由压缩机循环制冷,此时自然冷却盘管不工作,如图所示。



数据中心冷源水蓄冷的节能设计


内置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组过渡季节工作模式


春秋过渡季节和晚上,当环境温度达到比冷冻水回水温度低2℃或以上时,开启自然冷却预冷冷冻水,此部分为自然冷却制冷。自然冷却不够的部分,再由压缩制冷接力(有压缩机功耗)达到需求冷量,如图所示。



数据中心冷源水蓄冷的节能设计


内置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组冬季工作模式


在冬季,当环境温度达到比冷冻水供水温度低8℃或以上时,自然冷却运行达到100%,压缩机制冷系统完全停止运行,机组无压缩机功耗,仅有很少量的风扇运转功率。如图所示。


(1)内置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组分类:


当系统载冷剂为防冻液(如乙二醇)时,可将防冻液系统与自然冷却盘管串联,此时防冻液通过进入自然冷却盘与外界低温空气进行热交换。如图所示。



数据中心冷源水蓄冷的节能设计


内置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组

(载冷剂与自然冷却盘管串联,直接进行热交换)


当系统载冷剂为普通的水时,为防止自然冷却盘管在极端低温环境下冻裂,机组内需增加一套换热器,此时自然冷却盘管通过外界低温空气制取低温水,而系统冷冻水则通过换热器与自然冷却盘管的低温水进行热交换。如图所示。



数据中心冷源水蓄冷的节能设计


内置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组

(载冷剂通过换热器与自然冷却盘管进行热交换)


(2)内置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组特点:


  • 随着环境温度的降低,自然冷却的比例越来越大,机组的功耗越来越低,直至完全自然冷却,仅有少量风扇功耗,从而大幅降低机组用电量;

  • 冬季压缩机无需运行,提高系统可靠性;

  • 春秋过渡季节和晚上,开启自然冷却预冷冷冻水,同时开启压缩机,由于自然冷却盘管和机组原有冷凝盘管一体化设计,室外低温空气先经过自然冷却盘管,空气温度有所上升后再经过机组原有冷凝盘管,热交换效果受影响;

  • 与外置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组相比,将冷却盘管与冷凝器一体化设计,可使机组更加紧凑,从而节省占地面积;

  • 与外置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组相比,内置自然冷却盘管式自然冷却风冷冷水机组的自然冷却和冷水机组运行程序已经全部由生产厂商在机组自身集成,无需另外进行程序设计,且程序成熟度高,控制成本低,可靠性高。


2、水冷冷水系统间接自然冷却


(1)水冷冷水机组间接自然冷却原理


水冷冷水主机本身无法利用室外自然冷却节能,该系统的自然冷却主要通过系统集成来实现的:在冷却水与冷冻水之间增加换热器,在室外温度较低时,通过控制冷却水部分或全部流向新增换热器,直接利用低温冷却水冷却冷冻水,以减少压缩机的运转从而实现节能,在系统设计时需要注意冷却水低温防冻问题防止管路冻裂暴管。由于在系统级别上集成,设计方案及控制逻辑通常由设计单位设计,而设备由不同的厂家提供,控制程序由第三方提供,故需要充分考虑切换时的应急方案避免风险。其原理示意图如图所示:



数据中心冷源水蓄冷的节能设计


水冷冷水机组的自然冷却


(2)水冷冷水机组间接自然冷却控制


该系统跟据室外温度和负载,由集中控制平台自动进行运行模式的切换,具体运转模式如下:


  • 冷水机组压缩机运行模式

当室外温度不满足系统自然冷却模式或混合模式运行条件时,制冷系统将启动冷水机组压缩机制冷运行,为数据中心提供冷源。按照负载需求,机组自动调节压缩机制冷量输出。


  • 混合模式

当室外温度低于某设定温度,或低于室内设定温度一定值时,制冷系统将进入混合制冷模式。


此模式下压缩机按照负荷需求调节制冷量输出,自然冷却换热器提供的冷水继续为机房空调提供冷源,为机房提供部分冷量。混合模式在全年中所占比例较大,混合模式可以最大程度上减少压缩机运行的时间或减少压缩机制冷输出比例,从而达到节能的目的。


  • 自然冷却模式

此模式下冷水机组压缩机不工作。冷却塔运行,风机根据需求调节转速,水泵(冷冻水泵及冷却水泵)持续运行,冷冻水在自然冷却换热器与冷却水交换热量,冷冻水温度降低,为室内侧精密空调提供冷源。室内侧精密空调,则按照智能备机管理模式运行,根据机房负荷需求调节EC 风机转速及冷液流量。


(3)水冷冷水机组间接自然冷却优势


水冷冷水机组间接自然冷却的应用,具备以下优势:

  • 环境适用性更好:由于无新风制冷,间接自然冷却对室外空气的质量要求降低,适用范围更广;

  • 节能效果显著:尤其是北方地区;

  • 安装、设计更加灵活方便:冷却塔可放在屋顶或地面均可,应用更加方便;


(4)冷却塔的冬季运行与配置


  • 冷却塔系统的冬季防冻和冷却水温控制,避免水温过低影响水冷冷水机组的运行安全;

  • 水冷冷水机组需要考虑低温冷却水运行的影响,需要采用满足低温冷却水型机组;

  • 为了冬季的更节能运行,考虑到冷却塔在冬季散热能力的衰减,通常需要加大冷却塔,和常规冷却水系统相比相应需要放大。


(5)水冷冷水机组应用间接自然冷却区域

  • 间接自然冷却适用于中国大部分区域;

  • 间接自然冷却对室外空气要求降低,适合更复杂的安装环境;

  • 以应用规模来讲,水冷冷水机组自然冷却系统适用于大规模及超大规模的数据机房。


自然冷却技术根据数据中心规模、所在地理位置、气候条件、周围环境、建筑结构、实施成本等选择自然冷却方式。


三、变频方案


数据中心在全年24小时不间断运行过程中,空调负荷及室外环境温度都在不断的变化,冷水机组将近99%的时间运行在非额定工况,只有1%的时间运行在额定工况。因此这给变频系统创造了节能空间。数据中心在应用变频系统时,建议冷水机组及对应的水泵和冷塔都可采用变频控制(系统示意图)。其中冷机变频主要由空调负荷或室外环境温度的变化实现节能;水泵变频由水系统流量或扬程的变化实现节能;冷却塔风扇变频由空调负荷或室外环境温度的变化实现节能。



数据中心冷源水蓄冷的节能设计


水冷冷水机组的自然冷却


四、余热回收


数据中心在全年运行中,随着服务器等相关设备的不间断工作,将有大量的热量排出。空调系统为数据中心提供冷源的同时,也是一个良好的热源,通过余热回收技术,可为数据中心或周边建筑提供空调供热或者生活热水。


1、热回收机组应用

热回收机组在结构上比常规冷水机组增加了一个热回收换热器。夏天不需供热时,热回收机组开启常规制冷模式,蒸发器出冷冻水供数据中心制冷,冷凝器排出的热量通过冷却塔散热排向室外;冬天及过渡季节需要供热时,热回收机组开启热回收模式,此时蒸发器侧水温不变,机组的热量优先进入热回收冷凝器,满足供热需求。如果机组排热超出系统供热需求,可开启冷却塔辅助散热。



数据中心冷源水蓄冷的节能设计


水冷型冷热源热回收机组示意图



数据中心冷源水蓄冷的节能设计


风冷型冷热源热回收机组示意图

 


数据中心冷源水蓄冷的节能设计


空气源热回收冷热联供示意图



数据中心冷源水蓄冷的节能设计


水地源热回收冷热联供示意图


由于是在机组内部实现热回收,系统大大简化。冷热联供,12/7℃冷冻水和40/45℃热水时,一个kW的输入功率,能得到4kW供冷,同时得到5kW供热。冷热综合能效比在9左右,总体效率显着提升,基本是常规机组的双倍能效。


2、热回收机组优点:


  • 热回收系统充分利用制冷系统的废排热,将系统中产生的热量有效地利用起来,机组效率高,节省运行费用,在标准制冷工况、热回收加热热水到45℃时其冷热综合能效比在9左右,达到了综合利用能源和节约高效使用能源的目的;

  • 使用热回收冷热联供系统,可以取消或减少加热器的配置;热回收系统利用废热来加热生活热水、供暖或其它热需求,基本上是免费使用热副产品,大大节省了相应费用。没有燃烧,减少了二氧化碳等气体排放;

  • 热回收冷热联供制冷机组在机组内实现热回收冷热联供,提供的热水温度相对系统热回收更高,热水温度能到60度左右,可替代大部分其他热源;

  • 热回收冷热联供制冷机组与常规机组相比,在机组内实现热回收冷热联供,系统设计更简便,使用维护更方便。


3、热回收机组缺点:


  • 热回收机组在冬天需要运行,此时无法开启自然冷却模式;

  • 热回收机组产生的热量大于供热需求时,需要开启冷却塔辅助散热,此时系统控制较复杂;

  • 因为制冷机组有一个最小循环水量的限制,对热水进行大温升加热时需要采用二级循环加热,混水加热,不能像锅炉那样一级直接加热;

  • 在夏季全部热回收时,热回收加热的热水比冷却塔的冷却水温度高很多,选型需要考虑冷凝温度升高后对制冷量的修正。


五、热泵的应用

数据中心可以利用冷冻水回水或者冷却水回水作为低位热源,利用热泵机组进行制热,满足供热需求。夏天,热泵机组可开启制冷模式为办公等区域提供冷量;冬天及过渡季节,热泵机组可开启制热模式,为办公等区域提供供热。



数据中心冷源水蓄冷的节能设计


热泵系统示意图


1、热泵机组优点:

  • 热泵机组单独设置,系统灵活,控制简单;

  • 制热模式下,热水温度控制更精准,热水温度波动小;

  • 利用热泵机组取代了锅炉,没有燃烧,减少了二氧化碳等气体排放。


2、热泵机组缺点:

  • 热泵机组单独设置,设备投资高;

  • 热泵机组管路切换较复杂,控制和运维难度较大。


六、水蓄冷


水蓄冷方案在数据中心应用主要有两个方面。一是保障数据中心的连续供冷,当系统断电或故障时,备用的柴油发电机组可以紧急启动提供后备电力,从柴油发电机组启动至稳定供电的过程一般需要3分钟。冷水机组在正常供冷过程中遇到停电故障时会进入故障保护状态,在电力供应恢复后,离心式冷水机组的压缩机导叶先恢复至正常开机的初始状态,再经过冷水机组控制系统对冷水循环水泵、冷却水循环水泵、冷却塔等相关部件进行巡检,并确认正常运行后,冷水机组才能正常启动,这段恢复冷水机组系统恢复正常供冷过程一般需要1~10分钟不等。在数据中心的设计中为了能很好地解决这一安全隐患,在空调系统中可通过设置蓄冷设施,储备备用冷量来解决这一问题。配置的蓄冷设施提供的持续供冷时间一般为10~15分钟。通过蓄冷系统继续提供冷量,保障数据中心能正常运行;另一方面是利用峰谷电价差,在电价低时蓄冷,在电价高时,关闭或少开空调制冷系统,优先使用蓄冷冷量,达到节省电费的目的。目前数据中心内主要应用是前者,利用峰谷电价差的蓄冷在商用建筑有一些应用,在数据中心应用很少,主要原因在于商用建筑晚间基本不需要制冷,同时晚间又是电价的谷底,所以可以利用低电价时段和此时闲置的制冷系统来制冷蓄冷,有较好的经济效益。但数据中心的热负荷全天比较稳定,晚间仍然需要冷量,所以如果要采用蓄冷,就需要比常规方案多配置一倍以上的制冷机组,蓄冷装置占地也非常庞大,经济效益较差。需要说明的是,利用电价差来降低电费的蓄冷方案,耗电量是比普通方案增加的,所以是节费不节能的方案。


另外,数据中心的空调冷负荷主要为机房内设备的散热负荷,在一天24小时中变化较小,属于一个稳定负荷。水蓄冷系统的冷水温度与原系统的空调冷水温度相近,可考虑直接使用,不需设额外的设备对冷水温度进行调整;水蓄冷系统控制简单,运行安全可靠,在出现紧急状况可及时投入使用,水蓄冷系统更能适合数据中心冷量备份的需求。


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