【摘要】隨著近年來數(shù)據(jù)中心蓬勃發(fā)展，其面臨巨大的能耗問題也日益突出，因此在數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)維中更多地考慮高效率、低能耗的問題。本文通過分析當(dāng)前數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗情況，提出空調(diào)水泵變頻改造的方案，并結(jié)合改造實(shí)際情況論證其可行性和經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心；空調(diào)系統(tǒng)；水泵變頻；節(jié)能減排

前言

據(jù)工業(yè)和信息化部于2014年發(fā)布的《關(guān)于2011年以來我國數(shù)據(jù)中心規(guī)劃建設(shè)情況的通報(bào)》：255個在規(guī)劃建設(shè)的IDC的設(shè)計(jì)PUE平均為1.73，同時，據(jù)行業(yè)估計(jì)，美國的IDC行業(yè)耗費(fèi)了其國內(nèi)發(fā)電量的2%，中國的IDC行業(yè)耗費(fèi)了本國發(fā)電量的1.5%，是典型的“電老虎”。因此，革新IDC設(shè)計(jì)模式、降低IDC能耗和運(yùn)營成本，已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心行業(yè)相當(dāng)現(xiàn)實(shí)和迫切的課題，同時也是一個影響國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實(shí)現(xiàn)國家可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵課題。

中央空調(diào)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的專用制冷設(shè)備，承擔(dān)著調(diào)節(jié)機(jī)房環(huán)境溫濕度，保障IT設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的重任，同時也是主力耗電設(shè)備之一（約占總體能耗的30%-40%）。因此，開展中央空調(diào)節(jié)能改造，即確保機(jī)房供冷正常，又可減少能耗、壓縮電費(fèi)成本，創(chuàng)造雙贏的局面。

一、中央空調(diào)水泵變頻節(jié)能理論分析

由于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)多以夏季最大冷負(fù)荷設(shè)計(jì)且留有余量，數(shù)據(jù)中心IT負(fù)荷也存在業(yè)務(wù)逐步增加、波峰波谷等影響熱負(fù)荷大小的因素，這造成不同時期、不同發(fā)展進(jìn)程中，實(shí)際熱負(fù)荷與空調(diào)系統(tǒng)輸出冷量之間存在差值，在空調(diào)傳統(tǒng)配置狀態(tài)下形成電能浪費(fèi)[1]。因此，中央空調(diào)系統(tǒng)均有一定的節(jié)能空間。

目前數(shù)據(jù)中心空調(diào)主機(jī)和末端精密空調(diào)大部分采用智能化設(shè)備，能實(shí)時根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)整冷量輸出，一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，但水循環(huán)系統(tǒng)（水泵）按初期額定流量、壓力配置下，當(dāng)實(shí)際負(fù)荷低于設(shè)計(jì)預(yù)期時，絕大部分時間運(yùn)行在低溫差、大流量情況下，造成空調(diào)主機(jī)和水泵能耗的浪費(fèi)。通過調(diào)節(jié)冷凍水泵的頻率（轉(zhuǎn)速），節(jié)約低負(fù)載時水系統(tǒng)的輸送能量，可達(dá)到理想的節(jié)能效果。

水循環(huán)系統(tǒng)中重要的耗電設(shè)備為水泵，改變水系統(tǒng)的輸送能量亦主要靠調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，由于水泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的頻率成正比[2]，因此對水泵系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制即可達(dá)到節(jié)能效果，分析如下。

交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：，其中n為轉(zhuǎn)速，f為頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為極對數(shù)。水泵屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即，而電機(jī)軸的輸出功率，由此可見，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速稍有下降時，電機(jī)功率損耗就會大幅度地下降，耗電量也就大為減少。

二、中央空調(diào)水泵變頻改造設(shè)計(jì)思路

考慮到投資成本和實(shí)際運(yùn)用效果，本次對南方某數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)的冷凍水泵進(jìn)行變頻改造（圖1、2、3），利用溫度傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、變頻器等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，根據(jù)冷凍水的供回水溫差、壓力，以溫控為主、壓力流量為輔，利用變頻技術(shù)在線調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在滿足機(jī)房制冷的需求下使冷凍水泵做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能目的。

方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)如下：

1）綜合考慮在不同空調(diào)冷負(fù)荷情況下空調(diào)主機(jī)和變（工）頻冷凍水泵開啟情況，控制策略應(yīng)使冷凍水水泵具備自動和人工兩種模式下啟動、輪換和停止功能，確?？照{(diào)系統(tǒng)供冷充足、節(jié)能高效。

2）本次使用變頻節(jié)能裝置的最低頻率應(yīng)滿足每棟機(jī)樓最遠(yuǎn)端機(jī)房空調(diào)（或供水最不利端）揚(yáng)程及流量要求，因此需有效地布放溫度和壓力傳感器，制定控制策略以及設(shè)置相關(guān)閥值，確保整棟機(jī)樓供冷正常。

3）每臺變頻器控制的裝置可以人工或自動選擇在工頻模式和變頻模式下運(yùn)行，即在變頻模式故障時可自動轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。

4）變頻器控制系統(tǒng)并聯(lián)在現(xiàn)有啟動控制系統(tǒng)上，兩者間有電氣連鎖及機(jī)械連鎖，當(dāng)變頻器啟動某一臺水泵工作的同時，相應(yīng)的舊啟動主電路將被切斷，禁止其啟動工作，反之亦然。

三、中央空調(diào)水泵變頻改造效益分析

此數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)配置中央空調(diào)主機(jī)4臺（1300RT*3+800RT*1），冷凍水泵6臺（75kw*4+55kw*2），實(shí)際運(yùn)行1300RT主機(jī)1臺、冷凍水泵1臺，系統(tǒng)冗余量較大。變頻改造前后節(jié)電情況如表1所示，測試時間為2015年4月2日。

根據(jù)本期變頻改造完成后的實(shí)測數(shù)據(jù)，在當(dāng)前機(jī)樓負(fù)荷下變頻水泵較原水泵功耗下降約53%，并且機(jī)房末端供冷不受影響，節(jié)能效果理想。按全年將一半時間2臺冷凍水泵變頻運(yùn)行，一半時間3臺冷凍水泵變頻運(yùn)行，以每臺冷凍水泵運(yùn)行時平均頻率可降至45Hz計(jì)算，本次變頻改造每年節(jié)約電費(fèi)約為35萬元，預(yù)計(jì)一年收回投資成本，效益可觀。

四、結(jié)束語

本次數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)水泵變頻改造在不影響空調(diào)系統(tǒng)正常供冷的前提下，通過對冷凍水泵進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)水泵的變頻節(jié)能、高效運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]陳建東.中央空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用分析[J].制冷技術(shù)，2006，4：12-14.

[2]黃建恩.空調(diào)系統(tǒng)冷凍水循環(huán)水泵變頻運(yùn)行的節(jié)能機(jī)理[J].節(jié)能技術(shù)，2005，3（2）：139-142.

作者簡介

何其振，男，1986年10月份，廣東高州，中國移動通信集團(tuán)廣東有限公司，研究方向：數(shù)據(jù)中心動力系統(tǒng)運(yùn)維。