水蓄冷空調系統在數據中心應用的節能效益分析

文_羅苗苗 姚文炳 蔡宇 北京英灃特能源技術有限公司

隨著我國互聯網技術的迅速發展，對數據中心的技術提出了更高的要求，而數據中心作為用電大戶，在能源利用上更是位列前茅。若在數據中心設置一套水蓄冷空調系統，把夜間谷期的電能蓄存起來供日間峰期使用，不僅能大大改善電力供需矛盾，提高發電設備的利用率，保障新能源消納利用，有效均衡城市電網負荷，節約電能、耗煤量，還能在夜間有效提高主機的運行效率，從而達到節約能耗、提高主機能效的目的。同時數據中心設置蓄冷罐，還起到了應急冷源的作用，真正實現了節電、節水、節材、降耗的應用效果，保障了數據中心安全穩定的運行，推動實現“雙碳”目標。

本文以北京某數據中心的水蓄冷系統為例，分析數據中心利用蓄冷罐實現制冷系統電力負荷削峰填谷的工作原理，分析水蓄冷空調系統節電、節水、節材、降耗的應用效果。

1 設計思路

在保障數據中心服務器設備等運行安全的前提下，通過蓄冷罐削峰填谷，從而降低系統運行費用，達到節電、節水、節材、降耗的應用效果。

為保證對重要等級數據機房不間斷供冷，數據機房需設置應急冷源（蓄冷罐），以解決市電中斷、油機啟動至冷水機組恢復運行這段時間的空調系統供冷，以保證空調系統與通信設備不間斷的同步運行。

某些地區存在峰谷電價的政策，通過加入蓄冷系統，利用冷水機組在夜間電價低谷時段蓄冷，白天電價高峰時段蓄冷罐優先供冷，不足的冷量由主機提供。在滿足末端負荷需求的同時，削減冷水機組的數量，提高主機的利用率，同時利用峰谷電價差轉移高峰用電量，節約系統的運行費用。

2 方案設計

2.1 工程概況

本項目數據中心空調冷負荷為8496.8kW，設計3臺額定負荷為5627kW、供冷為870kW的冷水機組（2+1），系統供回水溫度為12/18℃。數據中心第一年機架裝機率約為30%，第二年機架裝機率約為50%，第三年機架裝機率約為100%。

電價：谷段（00：00～08：00）：0.3139元/kWh；平段（12：00～17：00；21：00～24：00）：0.6418元/kWh；峰 段（08：00～12：00；17：00～21：00）：1.0697元/kWh。

2.2 工作原理

二級泵并聯系統，蓄冷罐設計在一、二級泵匯接處，根據一、二級泵流量差，實現多種運行模式的轉變；采用UPS電源來保證二次循環泵的供電。

夜間主機供冷，同時為蓄冷罐蓄冷。蓄冷完畢后,主機僅向末端供冷；白天電力高峰時段，主機停機，一級泵關閉，二級泵開啟，蓄冷罐向末端供冷。當蓄冷罐蓄存的冷量不足時，一、二級泵同時開啟，主機與蓄冷罐聯合向末端供冷。數據中心意外斷電后，一級泵無流量，二級泵循環流量完全經過蓄冷罐，蓄冷罐的冷量直接提供至末端。電源恢復后，主機和一級泵重新工作，二級泵流量小于一級泵，這時主機承擔所有末端負荷，同時對蓄冷罐進行充冷。

3 系統節能效益分析

3.1 分析思路

水蓄冷空調系統將轉移多少高峰負荷，應儲存多少冷量才具有經濟效益，首先取決于采用哪一種運行策略。這里需要考慮的因素很多，主要有建筑物空調負荷分布、電力負荷分布、電價計價結構、設備容量及儲存空間等，具體考慮時需以實際情況為依據。所謂運行策略是指蓄冷系統以設計循環周期（如設計日等）的負荷及其特點為基礎，按電費結構等條件，對系統以蓄冷容量、釋冷供冷或以釋冷連同主機共同供冷做出最優的運行安排考慮。

全天24h濕球溫度都在變化，濕球溫度影響冷卻塔出水溫度，理論上冷卻塔出水極限溫度為室外濕球溫度，室外濕球溫度越低，冷卻塔出水溫度越低，主機運行效率越高，當冷卻塔出水溫度低于一定值時，主機停機，實現自然冷卻。晝夜濕球溫度變化較大，夜間濕球溫度偏低，冷卻塔出水溫度低，主機運行效率高，從而能保證夜間蓄冷工況下，主機始終保持高效率運行。

根據24h濕球溫度確定冷卻塔出水溫度，修正主機供冷負荷及功率。主機供冷負荷修正要根據所選擇的主機在對應冷卻塔出水溫度范圍內的修正系數進行修正，而功率修正系數可根據經驗公式進行修正，即1-（最高冷卻水出水溫度-實際運行水溫度）×（每攝氏度影響因素2%～3%），然后根據修正后的主機負荷與修正后的主機功率比值，得到系統實際運行能效比COP，同時根據24h系統運行模式確定機組運行的時間。

系統的耗水量也與24h濕球溫度有關，系統的耗水量=冷卻水側的水耗+冷凍水側的水耗，而冷卻水側水耗可根據經驗公式得到，即（主機冷凝負荷）÷(水的蒸發熱)×（排污系數1.3）+冷卻水飄水量，冷凍水側的耗水量近似為空調側循環水量的千分之一。

系統的運行費用是根據24h峰谷平電價×對應時間段耗電量+24h平均水費×對應時間段耗水量得到的。

3.2 分析結果

本項目數據中心空調冷負荷為8496.8kW，根據機架裝機率30%、50%和100%分別進行系統運行分析。常規系統運行模式為夜間開啟2臺冷水機組（2用1備），而削峰填谷蓄冷系統運行模式下，夜間將備用冷水機組也投入使用，即開啟3臺冷水機組，在滿足末端負荷需求的情況下，將多余的冷量蓄存到蓄冷罐中，用于白天高峰時段供冷使用。

本項目自然冷卻時間為120d（當年11月～次年2月），因兩種系統自然冷卻期能耗一樣，故系統運行分析暫不考慮自然冷卻時期的能耗，僅考慮空調系統運行245d的能耗。以每月典型設計日分析該月份系統運行的能耗及水耗，最后匯總至全年能耗及水耗，根據能耗及水耗測算系統的運行費用，進而分析節電、節水、節材、降耗的節能效益。

根據兩種運行數據的分析結果，匯總兩種方案全年（制冷期245d）的耗電量、耗水量及系統運行費用、機組運行時間。而標煤量可根據經驗公式進行折合，即耗用的標煤量=折算標煤系數×耗電量。將兩種運行數據進行對比，即可測算出年節約耗電量、耗水量、運行費用、主機運行時間及標煤量,詳見表1。

表1 數據中心運行數據及節能效益的分析

按100%負荷率，可節約耗水、耗電費用約287.0979萬元，折算成標準煤約319t/a，減少CO2排放量約829.4t/a，減少SO2排風量約2.72t/a，減少NOx排放量約2.37t/a。

4 結語

鑒于對上述方案的綜合評估，數據中心削峰填谷蓄冷系統可與原空調系統“無縫”連接，冷源系統按照N+1配置，無需再額外配置蓄冷冷源或對原系統主機進行調整。水蓄冷系統出冷水溫度與原系統空調冷水溫度相近，可直接使用，不需設額外的設備對冷水溫度進行調整。

在保障數據中心安全運行的情況下，利用蓄冷設備削峰填谷降低系統運行費用，節能減排，蓄冷罐出水可直接供末端系統使用，既滿足了數據中心突然斷電，蓄冷罐作為應急冷源使用的功能，又無需擔憂蓄冷罐出水溫度過低對末端系統的影響。在不降低數據中心制冷系統安全可靠性為原則的前提下，以節能降耗減排為目的配置水蓄冷系統，進一步推動了“雙碳”的目標的實現。