陸瓊文

華東建筑設計研究總院

關鍵字：數(shù)據(jù)中心；冷凍水供水溫度；冷水機組；冷卻塔供冷

0 引言

數(shù)據(jù)中心機房是包含計算機系統(tǒng)及配套的數(shù)據(jù)連接系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、監(jiān)控設備系和安全裝置等，是對一個企業(yè)的業(yè)務系統(tǒng)與數(shù)據(jù)資源進行集中、集成、共享和分析的場所。

近年來，隨著信息技術的快速發(fā)展和待處理數(shù)據(jù)信息量的激增，我國數(shù)據(jù)中心機房，尤其是大型和超大型的數(shù)據(jù)中心機房在未來數(shù)年內(nèi)將呈現(xiàn)井噴式增長。

由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的高性能服務器機柜發(fā)熱密度急劇增加，因此，數(shù)據(jù)中心機房較其他功能建筑，其建筑冷負荷需求大幅增加、空調能耗巨大。據(jù)統(tǒng)計，數(shù)據(jù)中心的能耗約占我國全社會總能耗的2%，占總建筑能耗的10%。數(shù)據(jù)中心機房巨大的能耗需求，對我國當前的能源形勢造成了一定程度的挑戰(zhàn)。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心機房的負荷特點，合理選取數(shù)據(jù)中心機房空調系統(tǒng)的冷凍水供水溫度，不僅能合理選取設備容量、降低工程設備造價，而且能有效降低數(shù)據(jù)中心電能利用率PUE值和數(shù)據(jù)中心能耗，達到節(jié)能環(huán)保與經(jīng)濟效益兼顧的雙重目標。

1 冷凍水供水溫度對冷水機組的影響

數(shù)據(jù)中心冷負荷主要是服務器、UPS等用電設備的散熱形成的顯熱負荷，潛熱負荷占比很小，因此可用較高的冷凍水供冷溫度來滿足冷負荷需求。提高冷水機組蒸發(fā)溫度和提高冷凍水供水溫度，可以顯著提高機組的運行效率。制冷機運行性能可以用性能系數(shù)COP（Coefficient of Performance）值加以評價。影響制冷機性能系數(shù)的因素有：蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和機組負荷率。

圖1是蒸汽壓縮式制冷循環(huán)壓-焓圖，1-2為絕熱壓縮過程，2-3為等壓冷凝過程，3-4為絕熱節(jié)流過程，4-1為等壓蒸發(fā)過程。當蒸發(fā)溫度升高，制冷循環(huán)由1-2-3-4-1變?yōu)?’-2’-3-4’-1’。對制冷循環(huán)產(chǎn)生如下影響：

圖1 蒸發(fā)溫度升高對制冷循環(huán)的影響

制冷劑的單位質量制冷量由q0增大為q0’；

制冷劑的單位質量壓縮功由w減小為w’，壓縮機COP值增大；

制冷劑排氣溫度由t2下降至t2’。排氣溫度過高會使?jié)櫥宛ざ冉档蜕踔撂炕?，影響機件的潤滑和機組的正常運行；

制冷劑節(jié)流后的干度由χ4下降到χ4’，制冷循環(huán)節(jié)流損失減小。

根據(jù)上述分析，當冷水機組的冷凍水供水溫度提高時，機組的性能系數(shù)COP會相應增大。此外，由于冷凍水供水溫度提高，機組供冷量會相應增加，意味著對應同樣的冷量需求，機組容量的選型可相應減小，單位供冷量的造價會相應降低。表1是某品牌冷水機組的不同冷凍水供水溫度情況下機組的COP值。

表1 冷凍水供水溫度對制冷機組運行性能的影響

由表1可知，隨著冷凍水供水溫度的提高，冷水機組COP增大。當冷凍水供水溫度為15℃時，較7℃時的COP提高26．3%，每提高1℃冷凍水供水溫度，冷水機組COP約提高3．3%。

2 冷凍水供水溫度對冷卻塔供冷的影響[1]

冷卻塔供冷是指建筑物需要供應空調冷水時，停止運行或部分運行冷水機組，利用為冷水機組配置的冷卻水系統(tǒng)，通過冷卻塔與室外低溫空氣進行熱交換，獲取低溫冷卻水，為空調系統(tǒng)提供冷量的技術。

一般情況下，板式換熱器與冷水機組為并聯(lián)連接。濕球溫度達到某一數(shù)值時，冷水機組停止運行，系統(tǒng)冷量全部由冷卻塔提供。圖2為典型的冷卻塔供冷系統(tǒng)。

圖2 典型冷卻塔供冷系統(tǒng)

2.1 冷水系統(tǒng)綜合性能系數(shù)

冷水系統(tǒng)綜合性能系數(shù)WSCOP定義為：空調冷水系統(tǒng)供冷量與冷水機組、冷水泵、冷卻塔及冷卻水泵凈輸入能量之比。

WSCOP用于評價冷水系統(tǒng)在一定供冷量工況下的系統(tǒng)運行能效。

2.2 分析模型

按圖2所示原理，建立分析模型，各設備參數(shù)如表2所示：

2.3 冷水機組供冷模式

當系統(tǒng)按冷水機組在供冷模式運行時，圖2中各設備及閥門運行工況如表3所示：

假定冷水機組負荷率為100%，此時機組COP僅與冷卻水進水溫度有關，而冷卻水進水溫度與濕球溫度ts有關，可以通過計算獲得WSCOP與ts的關系式，即：

隨著室外濕球溫度的降低，WSCOP線性上升。當濕球溫度為t1時，冷卻塔出口溫度達到冷水機組最低冷卻水允許溫度，此時圖2中冷卻水系統(tǒng)旁通管V7進行開度調節(jié)，保證進入機組的冷卻水溫度等于t1，自此WSCOP值不隨濕球溫度而變化。t1與機組性能、冷凍水供水溫度有關，同樣的機型隨著冷凍水供水溫度的提高，其最低冷卻水允許溫度相應升高。

表2 主要設備參數(shù)

表3 冷水機組供冷模式設備及閥門狀態(tài)

2.4 免費供冷模式

隨著濕球溫度的進一步降低，當板式換熱器的供冷量可全部滿足系統(tǒng)供冷量需求時，系統(tǒng)便可轉換為冷卻塔免費供冷模式。各設備及閥門工況見表4。

此時，冷水機組停止運行，系統(tǒng)僅依靠冷卻塔冷卻就可獲得所需供冷量，V5進行旁通調節(jié)，控制冷凍水供水溫度。此時WSCOP為一定值。切換溫度t2與冷凍水供水溫度成正比，冷凍水水溫越高，相應的切換溫度也越高，見表5。

2.5 全年運行曲線

根據(jù)上述分析及計算，可以獲得全工況運行曲線，如圖3所示：

圖3 冷卻塔供冷WSCOP值與濕球溫度關系

切換溫度t1與機組性能、冷凍水供水溫度有關，同樣的機型隨著冷凍水供水溫度的提高，其最低冷卻水允許溫度相應升高；切換溫度t2與冷凍水供水溫度、冷卻塔性能有關。在同樣的冷卻塔選型情況下，較高的冷凍水供水溫度意味著系統(tǒng)可以有較高的切換溫度；濕球溫度的分布近似于正態(tài)分布，如圖4所示，這意味著冷卻塔免費冷卻供冷的時長會明顯增加，系統(tǒng)的運行費用會有相應的減少。

圖4 上海地區(qū)濕球溫度時間分布頻數(shù)

根據(jù)上海地區(qū)濕球溫度統(tǒng)計結果，計算不同冷凍水供水溫度下的冷源側單位冷量年耗電量值，結果如圖5所示。隨著冷凍水供水溫度提高，冷源側電量消耗逐步降低。當冷凍水供水溫度為7℃時，冷源側電量為1 617kWh/kW；冷凍水供水溫度為11℃時，冷源側電量為1 483kWh/kW，降幅為8．3%；冷凍水供水溫度提高至15℃時，冷源側電量為1 263kWh/kW，降幅為21．9%。

圖5 不同冷凍水供水溫度下冷源側單位冷量年耗電量

3 冷凍水供水溫度對機房空調的影響

機房空調是數(shù)據(jù)機房類建筑常用的末端換熱設備，其熱工性能主要受到以下4個因素影響：進口空氣參數(shù)、處理風量、冷凍水供水溫度和冷凍水流量。

選取JW20-4型表冷器，按照文獻[2]介紹的基于熱交換效率的熱工計算方法，計算不同工況條件下的表冷器供冷量，可以獲得供冷量與供水溫度之間的關系。

假設表冷器進口空氣干球溫度24℃，相對濕度50%，迎風速度2．5m/s，水流速1．5m/s，計算不同冷凍水供水溫度下的供冷量，計算結果見表6。

表4 免費冷卻模式設備及閥門狀態(tài)

表5 冷凍水供水溫度與冷卻塔免費供冷切換溫度的關系

表6 不同冷凍水供水溫度下的表冷器供冷量

假定供水溫度7℃時的供冷量為100%，圖6為不同供水溫度對供冷量的影響情況。根據(jù)圖6可以得到以下結論：（1）供水溫度與全熱供冷量分階段呈線形關系；（2）濕工況下，冷凍水供水溫度每提高1℃，全熱供冷量降低約8%，顯熱供冷量降低5%；（3）干工況下，供冷量下降約6%。

圖6 供水溫度對供冷量的影響

由于提高冷凍水供水溫度，表冷器供冷量會線性減少，因此對于固定的冷量需求，不同的冷凍水供水溫度工況需對應不同的機組選型，表7是某品牌機房空調的選型結果。

對應相同的制冷量（顯熱），隨著冷凍水供水溫度的提升，機組選型不斷加大，對應的風機運行功率以及設備造價隨之增大。圖7是不同冷凍水供水溫度下，對應單位供冷量的機房空調年耗電量。根據(jù)前述分析，冷凍水供水溫度的提高對于冷凍機的造價、冷凍機和冷卻塔供冷系統(tǒng)的能耗是有正向作用，但對于末端換熱設備的造價和運行能耗有反向影響，因此，必須綜合分析系統(tǒng)的全年運行能耗和生命周期費用，見圖8和圖9。

圖7 供水溫度對機房空調能耗的影響

圖8 供水溫度對系統(tǒng)耗電量的影響

表7 不同冷凍水供水溫度下的機房空調性能

圖9 供水溫度對系統(tǒng)生命周期費用的影響

冷凍水供水溫度在11℃以下，機房空調表冷器處于濕工況，系統(tǒng)的耗電量以及生命周期費用隨溫度增加緩慢增長，差異不顯著。當冷凍水供水溫度升高至11℃以上后，機房空調表冷器處于干工況，相關數(shù)值顯著增大。

4 冷凍水供水溫度對于溫度場的影響

冷凍水供水溫度提升，機房空調的送風量和送風溫度會相應增大，對工藝場所的熱環(huán)境會產(chǎn)生不同影響。針對某數(shù)據(jù)中心機房，利用CFD模擬軟件對冷凍水供水溫度為7℃、11℃、15℃時不同的送風風量和送風參數(shù)情況下對機房的熱環(huán)境進行模擬。

設定機房面積為640m2，高架地板500mm，層高5m；共228個IT設備機柜，單機柜4kW；機房南北側配置兩組房間級精密空調，每組均為8用2備。按照設計工況進行評估，同時考慮如下影響機房氣流組織的關鍵參數(shù)：

①機柜前后網(wǎng)孔門、空氣通過機柜安裝導軌及盲板的泄漏率；

②未獲得統(tǒng)一邊界，空調采用送風控制，相應供水溫度下的額定風量輸出；

③IT設備輸出風量按照EnergyStar流量比曲線設置，流量隨著IT設備進口溫度變化；

圖10～圖13從左到右依次為冷凍水供水溫度7℃、11℃、15℃的模擬結果，包括機柜的最大進風溫度、距高架地板1m處機房截面溫度與相對濕度分布、地板出風口風量分布等。

圖10 機柜進風溫度分布

圖11 機房截面（距高架地板1m）溫度分布

圖12 機房截面（距高架地板1m）濕度分布

地板出風流量分布：

圖13 地板出風流量分布

對于冷凍水供水溫度7℃時的工況，機柜進風溫度在12℃～22℃，相對濕度42%～49%之間；11℃工況，機柜進風溫度在15℃～19℃，相對濕度48%～49%之間；15℃工況，機柜進風溫度在19℃～23℃，相對濕度48%～49%之間；15℃工況機房地板送風風量最大，機柜進風區(qū)域的溫度、濕度分布最為均勻。

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》（GB50174-2017）相關規(guī)定，冷通道或機柜進風區(qū)域的溫度宜為18℃～27℃，露點溫度宜為5．5℃～15℃，同時相對濕度不宜大于60%。根據(jù)模擬結果，當機房空調表冷器處于干工況時，能滿足規(guī)范相關要求。當冷凍水供水溫度處于10℃以下，表冷器尚處于濕工況，送風參數(shù)處于機器露點附近，對于進風區(qū)域的濕度控制是不利的。冷凍水供水溫度的取值應考慮保證機房空調表冷器處于干工況。

5 結論

根據(jù)上述分析，冷凍水供水溫度升高，可減少冷水機組造價，降低冷源側運行能耗；但同時末端機房空調表冷器換熱能力減弱，將提高機房空調造價，增大機房空調的運行能耗。綜合分析，在冷凍水供水溫度11℃以下區(qū)域系統(tǒng)總造價和運行能耗差異不大，當冷凍水供水溫度高于11℃后，造價和運行能耗上升較快；結合對于數(shù)據(jù)機房溫度場、流場的模擬結果，建議類數(shù)據(jù)中心機房項目的冷凍水供水溫度設計值取值10～11℃，機房空調表冷器臨近干濕工況臨界點，可達到節(jié)能與低設備投資兼顧的效果。