張修誠, 劉俊紅

(山東建筑大學 熱能工程學院, 山東 濟南 250101)

1 概述

隨著大數(shù)據(jù)、云計算的興起,國內建成許多數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心能耗主要分為3部分[1]:互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(簡稱IDC)設備、供配電系統(tǒng)、空調系統(tǒng),其中IDC設備和空調系統(tǒng)的能耗占比均大于40%?，F(xiàn)階段對于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗,主要是對空調系統(tǒng)的優(yōu)化。

空調系統(tǒng)的優(yōu)化主要是借助自然冷源盡可能縮短機械制冷的時間。位于中國郴州的東江湖數(shù)據(jù)中心,全年99%的時間采用湖水自然水冷方式供冷[2]。位于美國俄勒岡州的Facebook數(shù)據(jù)中心,采用自然風直接冷卻技術,將電源使用效率(簡稱PUE)降低至1.09[3]。此外還有學者及業(yè)內公司正在研發(fā)與應用間接蒸發(fā)技術[4]、液冷技術[5]等,進一步助力數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)的優(yōu)化。

水資源的消耗也引起了人們的注意。盡管在2010年定義了水利用效率(WUE),但該指標并未像PUE一樣被廣泛應用。本文介紹借助自然冷源的數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)工藝流程。結合濟南地區(qū)某數(shù)據(jù)中心項目,計算數(shù)據(jù)中心一次回風空調系統(tǒng)的凝結水生成量,對凝結水利用途徑提出建議。

2 借助自然冷源的空調系統(tǒng)

新的數(shù)據(jù)中心多選擇在中西部地區(qū)建設,遠離一線城市,從而形成數(shù)據(jù)中心集群。在這樣的發(fā)展趨勢下,越來越多借助自然冷源的數(shù)據(jù)中心應運而生。借助自然冷源的數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)工藝流程見圖1?？赏ㄟ^動力及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)對于冷卻水出水溫度及室外濕球溫度進行監(jiān)控,從而自動調節(jié)空調系統(tǒng)運行工況。

圖1 借助自然冷源的數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)工藝流程

① 供冷期

當冷卻塔出口冷卻水溫度大于13 ℃,且室外濕球溫度大于10 ℃時,空調系統(tǒng)處于冷水機組全制冷工況。三通閥1～3的B-C導通,二通閥1、2關閉。冷卻塔出口冷卻水進入冷水機組冷凝器,冷卻制冷劑,然后回到冷卻塔進行冷卻。被冷卻的制冷劑經(jīng)節(jié)流閥進入蒸發(fā)器,與機房空調的冷水回水進行換熱,被冷卻后的冷水進入機房空調冷卻空氣。

② 過渡期

當冷卻塔出口冷卻水溫度大于8 ℃且小于等于13 ℃,并且室外濕球溫度大于6 ℃且小于等于10 ℃時,空調系統(tǒng)處于冷水機組部分制冷工況。三通閥1、2的A-B及B-C均導通,三通閥3的A-C導通,二通閥1導通,二通閥2關閉。冷卻塔出口冷卻水一部分進入板式換熱器與冷水回水進行換熱實現(xiàn)預冷,另一部分進入冷水機組冷卻制冷劑,兩部分冷卻水匯合后回到冷卻塔進行冷卻。經(jīng)板式換熱器部分預冷后的冷水回水進入冷水機組蒸發(fā)器與制冷劑進行換熱,冷卻后的冷水進入機房空調冷卻空氣。

③ 供暖期

當冷卻塔出口冷卻水溫度小于等于8 ℃,且室外濕球溫度小于等于6 ℃時,空調系統(tǒng)處于全自然冷卻制冷工況。三通閥1、2的A-B導通,三通閥3的A-C導通,二通閥2導通,二通閥1關閉,冷水機組關閉。冷卻水經(jīng)板式換熱器與機房空調冷水回水換熱后,回到冷卻塔繼續(xù)冷卻。機房空調冷水回水全部由板式換熱器冷卻。

3 凝結水生成量

3.1 項目概況

對濟南某數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)的凝結水生成量進行計算。該數(shù)據(jù)中心以A級機房標準建設,數(shù)據(jù)中心為3層結構,單層建筑面積4 000 m2,層高為5 m,總計布置3 800個機柜。數(shù)據(jù)中心全年運行。

活動地板下送風方式的送風溫差取4 ℃,機房室內設計溫度為23 ℃,機房室內設計相對濕度為50%,機柜進風區(qū)域設計溫度為19 ℃。

數(shù)據(jù)中心采用一次回風空調系統(tǒng),室外新風經(jīng)新風機組過濾器過濾后與室內回風混合,經(jīng)機房空調冷卻降溫至機器露點后,再由電加熱到送風狀態(tài)。最終通過地板下送風方式送風至冷通道,對機柜進行降溫。

3.2 凝結水生成量計算

由于數(shù)據(jù)中心設備散濕量很小,濕負荷視為0,因此室內熱濕比為無窮大?？諝馓幚盱蕽駡D見圖2。圖2中,點W為室外空氣狀態(tài)點。點C為室內回風與室外新風混合狀態(tài)點。點N為機房室內空氣狀態(tài)點,干球溫度為23 ℃,理論相對濕度φ為51.35%。點O為室內設計送風狀態(tài)點,干球溫度為19 ℃,含濕量為8.986 g/kg。點L為機器露點,相對濕度φ為95%,含濕量為8.986 g/kg。

圖2 空氣處理焓濕圖

由于數(shù)據(jù)中心設備散濕量很小,因此凝結水生成量可視為從室外空氣狀態(tài)點至機器露點所產(chǎn)生的凝結水量。新風干空氣質量流量取新風質量流量,凝結水生成量qwat的計算式為[6]:

qwat=qm,a(dW-dL)

(1)

式中qwat——凝結水生成量,kg/h

qm,a——新風質量流量,kg/h

dW——點W含濕量,kg/kg

dL——點L含濕量,kg/kg

GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》第7.4.5條規(guī)定,空調系統(tǒng)的新風量應取下列兩項中的較大值:第1項,按工作人員計算,每人40 m3/h。第2項,維持室內正壓所需風量。由于數(shù)據(jù)中心機房偶有維修人員,無固定日常辦公工作人員,按工作人員數(shù)量計算新風量不合適,因此按維持室內正壓所需風量計算新風量。雖然GB 50073—2013《潔凈廠房設計規(guī)范》給出了按維持室內正壓所需風量計算新風量的計算方法,但計算過程比較繁瑣,因此筆者參照潔凈室的設計經(jīng)驗,將數(shù)據(jù)中心機房換氣次數(shù)取1 h-1。

新風質量流量qm,a的計算式為:

qm,a=ρnAh

(2)

式中ρ——新風密度,kg/m3,隨新風溫度變化而變化

n——換氣次數(shù),h-1,本文取1 h-1

A——建筑面積,m2

h——層高,m

3.3 凝結水生成量

由式(1)計算數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)全年凝結水生成量,室外空氣參數(shù)來自Dest軟件提供的濟南地區(qū)典型年室外空氣參數(shù)。典型年數(shù)據(jù)中心凝結水日生成量見圖3。凝結水日生成量由凝結水當日逐時生成量累加得到。圖3僅給出有凝結水生成的時間。由圖3可知,全年有128 d生成凝結水,主要集中在7～9月,全年總生成量為1 281.88 t,平均凝結水日生成量為10.01 t/d。由此可知,凝結水生成量很大,具有較高利用空間。

圖3 典型年數(shù)據(jù)中心凝結水日生成量

4 凝結水利用途徑

① 園區(qū)綠化噴灌

數(shù)據(jù)中心園區(qū)占地面積大,且根據(jù)相關規(guī)定,大型工業(yè)園區(qū)的綠化覆蓋率不得低于20%,大面積綠化噴灌將消耗大量水資源。城市綠化噴灌水量一般為2 L/(m2·d),該數(shù)據(jù)中心平均凝結水日生成量取10 t/d,可滿足5 000 m2的綠化噴灌需求。而且空調系統(tǒng)凝結水完全滿足綠化用水的水質要求,無需處理。因此,利用數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)生成的凝結水進行綠化噴灌,可節(jié)省大量水資源。

② 冷卻塔補水

開式冷卻塔的水蒸發(fā)和耗散量占數(shù)據(jù)中心耗水量的比例較高,尤其是高溫天氣。而空調系統(tǒng)凝結水是冷卻塔補水的首選[7]。首先,凝結水能夠滿足冷卻塔對補水水質的要求,無需處理即可直接使用,僅需增設水箱、水泵等設備即可實現(xiàn)。其次,凝結水的水溫普遍較低,可對冷卻塔中冷卻水起到降溫的作用。

5 結論

① 全年有128 d生成凝結水,主要集中在7～9月,全年總生成量為1 281.88 t。凝結水生成量很大,具有較高利用空間。

② 凝結水利用途徑包括園區(qū)綠化噴灌、冷卻塔補水。