基于自然冷源的数据中心制冷系统节能潜力的分析

孙海峰

（中国移动通信集团上海有限公司，上海200060）

基于自然冷源的数据中心制冷系统节能潜力的分析

孙海峰

（中国移动通信集团上海有限公司，上海200060）

上海某数据中心制冷系统设计配置自然冷源，然后实际运营效果与理想设计方案存在较大差距，且制冷系统冷机、水泵等组件运行能耗高于设计值。经作者现场调研并发现诸多实际问题，例如：冷却水塔布水效率低，水系统管道阻力大，自然冷源与冷机无法精准切换等。为解决上述矛盾，本文从技术角度着手策划制冷系统整体节能技术改造，以真正达到安全设计之初衷与节约降耗之目的。作者重点强调数据中心制冷系统内外平衡理念，关注系统整体运行能耗，通过改善冷却塔换热效果，降低管道局部阻力，优化水泵组与主机组运行平衡，优化自然冷源节能运行策略等方面，深度挖掘制冷系统的节能潜力。

数据中心；自然冷源；节能；变频；控制柜；喷嘴；改造

表1 制冷系统设备配置

1 数据中心自然冷源与冷机系统工作模式

自然冷源，也叫做Free Cooling，指全部或部分使用自然界的免费冷源进行制冷从而减少压缩机或冷冻机消耗的能量。目前大型数据中心常用的免费冷源主要是冬季或过渡季的室外冷量，通过冷却水塔、板式换热器带走室内热量。

自然冷源与冷机系统通常有三种工作模式，如图1所示。1）完全冷机制冷：夏天完全靠冷机制冷，通过阀门控制使得板式换热器不工作；2）完全自然冷却：冬天时冷机关闭，通过阀门控制冷冻水和冷却水只通过板式换热器；3）部分自然冷却：过渡季节时，冷却水和冷冻水要首先经过板式换热器，预冷降温后再留经冷机，提高冷机运行效率。

2 某数据中心制冷系统运行评价

数据中心位于热工分区夏热冬冷A区的上海，机房总面积约4394m2，单机柜功耗3.5kW的机架844个，单机柜功耗4kW的机架1197个，共计2041个；机房区域配置机房专用空调CRAC满足机房内温湿度要求。

制冷系统采用冷水机组和自然冷源并联模式。其中，中央空调水系统由4台冷水机组（3用1备）、4台冷却塔（3用1备）、4台冷冻水泵（3用1备）和4台冷却水泵（3用1备）构成；自然冷源由2台冷却塔，2个板式换热器和2台自然冷却水泵组成。参照设计文档，当室外湿球温度低于5℃，启用自然冷源，减少冷水机组的开启台数甚至完全关闭冷水机组。当室外湿球温度高于5℃，开启冷机制冷，冷机运行工况为供水9℃/回水15℃，冷却水系统为32℃/37℃。

实际运营中发现问题如下：1）冷却塔出水温度33.5℃偏高，造成主机相对额定工况能耗偏高4.5%；2）冷却塔进出水温差小3.5℃，造成冷却泵组相对额定工况能耗偏高6.3%；3）冷却、冷冻泵组运行电流较高，造成泵组相对额定工况能耗偏高8%；4）Y型过滤器滤孔较大，过滤效果较差，造成泵组相对额定工况能耗偏高6.3%；5）自然冷源运行时间不到1300h较短，节能量比设计预测偏小35%。

原因初步分析:

（1）制冷系统冷却塔组非共用，主机和冷却塔一对一单独对应，制冷淡季时，冷却塔利用率不高，闲置冷却塔填料风化严重。由于水压自身的特性，冷却水无法自动在冷却塔间均匀分布，冷却塔的填料利用率低，冷却效果较差，当蒸发温度和冷机压缩机转数一定的情况下，冷凝温度越高，制冷系数越小，耗电量就越大。另外，冷却塔进出水温差小，冷却水流量需求大，造成冷却泵能耗偏高。

（2）冷却泵、冷冻泵无控制策略，无法根据实际负荷变流量运行。需要技术人员对监测水温、压差没有合理的手段，无法使水泵组工作在最佳运行区间，且泵组间无合适的组合运行状态，容易造成磨损不平衡。

（3）水系统采样Y型过滤器在使用中的局部阻力损耗达到1-3m，造成水泵能源浪费；且Y型过滤器为滤孔10目，过滤效果较差，保养难度大。

（4）在过渡季节和冬季状况下，自然冷源利用时长较短，换热器温差小，换热效率低，无法满足数据机房末端的需求。设计切换点，即参数室外湿球温度5℃，是否符合本地气候特征和自然冷源实际运行工况有待商榷。

3 节能技改思路与措施

节能技改总体思路就是保障制冷系统安全运行的前提下，深挖节能潜力，将制冷系统的整体运行能耗下降作为抓手，针对单体设备短板和隐患节点有的放矢进行改造和升级。控制制冷系统整体运行能效入手，利用基于原有冷机自控系统，针对冷机运行能耗，冷却水塔运行能耗，冷却、冷冻水泵运行能耗和自然冷源运行逻辑，参照数据中心IT实际冷负荷和外界气候条件进行总量控制。

3.1 冷却水塔改造

冷却水塔工作效率的高低直接影响整个中央空调系统的效率。

为保证冷却水冷却塔中均匀分布，塔群的每张填料都能得到充分利用。采用以下改造技术予以实现优化运行。

3.1.1 水力稳压器

水力稳压器是实现各布水盘间均匀布水的设备。水力稳压器利用U型管原理，在冷却水流量30～100%变化时，实现布水盘间的均匀分水。它构造简洁，不耗能，不易损，可以自动、实时、快速的进行调节。

3.1.2 变流量喷嘴

变流量喷嘴是实现布水盘内均匀布水的设备。立式下水槽设计，进入布水盘的冷却水首先形成积水，然后从每个下水孔流向填料。另外，由于立式下水槽的结构特点，少量的杂物不会影响布水盘的使用。使得单台冷却塔的填料得到充分利用。通过水力稳压器和变流量喷嘴，冷却塔可以自动实现均匀布水，冷却塔的填料改造前后对比情况如图5所示。大（不低于5度），冷却塔的冷却水出水温度低（与湿球温度的温差年均在1.5-2度）。

3.2 循环水泵组改造

3.2.1 冷却、冷冻水泵组改造

采用冷却水能效系统进行自动控制，确保主机流量需求，并且实时跟踪机组因负荷变化造成的加载、减载与最佳冷凝温度，再参考冷却塔的实际冷却效果和能力，调整冷却水循环系统，使其扬程、流量达到最佳匹配状态，保持冷却水系统时刻处在最佳输送系数范围内。

采用冷冻水能效系统确保主机冷冻水流量需求，结合实际负荷与主机运行工作需求，调整冷冻水循环系统，使其扬程、流量达到最佳匹配状态，保持冷冻水系统在最佳输送系数范围内运行。

3.2.2 循环水系统过滤器改造

为了降低管道后期带来的阻力问题，提高水泵效率，在冷却水和冷冻水循环各使用集中式低阻力过滤器，替代原来全部的Y型过滤器。集中式低阻力过滤器阻力小，扬程损耗小于0.02m，有效节约水泵的能耗。

输送300m3/h的水，管道阻力12.5m时，水泵需要的功率（18.5kW）是管道阻力32m时水泵所需功率（45 kW）的41%。过滤网目数大于20目，滤孔较Y型过滤器小，过滤效果更佳。

3.3 优化自然冷源节能运行策略

3.3.1 依据内部负荷和外界气候调节

自然冷源运行模式可根据用户室内负荷需求和室外环境温度自动调节。采用水冷空调系统，当室外环境温度较低时，可以关闭制冷机组，采用板式换热器进行换热。这样减少了开启冷机的时间，减少大量能源消耗。

见表3，两个空调系统中，冷水机组供冷和自然冷源的室外湿球温度选取值不同，并且并联式空调系统在过渡季节时效果不如串联式空调系统效果好。

表2 集中式低阻力过滤器参数

表3 多冷源空调系统自然冷源切换温度

3.3.2 调节供回水温度差

见表4，两个空调系统不同之处在于冷水机组供冷时的供回水温度不同：并联式多冷源空调系统冷冻水运行工况为9℃/15℃，串联式多冷源空调系统冷冻水运行工况为10℃/16℃。从机组运行的角度来看，相同冷负荷下串联式多冷源空调系统机组的COP要高于并联式多冷源空调系统，同时由于较高的冷冻水出水温度导致冷冻水流量增大，其冷冻水泵的能耗也要略高。

表4 多冷源空调系统冷冻水供回水温度

3.3.3全年运行天数

见表5，上海市2015年室外湿球温度低于3℃的天数有32d，并联式空调系统可以采用完全自然冷却；低于2℃的天数有15d，串联式空调系统可以采用完全自然冷却。室外湿球温度3～8℃的天数共有71天，室外湿球温度2～8℃的天数共有88d，并联式空调系统和串联式空调系统可以在部分自然冷却条件下运行。室外湿球温度大于8℃的天数共有262d，两个空调系统在完全冷机冷却模式下运行。

表5 实际运行天数统计（2015年）

该数据中心制冷系统为并联多冷源空调系统，冷水机组和自然冷源公用冷却塔，过渡季节效果不明显，但是节省了初投资。通过历年数据分析不同供回水温度下运行比较。该制冷系统的冷冻水供回水温度较低，冷冻水流量较小，冷冻水泵能耗较低，但是机组COP略低，导致能耗略高。串联式系统的冷冻水供回水温度较高，机组COP略高，机组能耗略低，但是，冷冻水流量较大，冷冻水泵能耗较高。自然冷源的应用可以有效地提高整个空调系统的运行性能。串联、并联空调系统在冬季的运行能效比相差最大，过渡季节次之，而夏季最小。在完全自然冷却模式下，串联式多冷源空调系统的运行能效比大于并联式多冷源空调系统的能效比，是因为该系统自然供冷下冷冻水出水温度设定值较高，节约了系统能耗。在部分自然冷却模式下，串联式多冷源空调系统在冬季的运行能效比小于并联式多冷源空调系统的能效比，说明前者冷水机组的运行能效比较低。

4 技改经济性评价

经过相关技术改进，通过对冷冻主机，冷却水泵，冷却塔，冷却水泵的相关统计可以发现，见表6，有效降低运营能耗。见表7，设备节能率有了显著提升。

技改项目年度节能效果：节约总电量307.88万度，总电费215.52万元，节能率为26.89%。

改造前总电量为1144.90万度，电费为801.43万元；改造后总电量为837.02万度，电费为585.91万元。

表6 改造前后运行能耗对比

表7 技改项目优化清单

5 结语

数据中心制冷系统设计与运营普遍存在偏差现象，本文通过实际案例剖析，从技术角度着手策划制冷系统整体改造，同时针对制冷系统关键设备短板和隐患有的放矢进行改造和升级，以达到真正安全运行与节约降耗之目的。从提升冷却塔冷却换热，降低管道局部阻力，匹配水泵组与主机组平衡，优化自然冷源节能运行策略等角度，深度挖掘数据中心制冷系统的节能潜力。用简单技术改造手段，把运行中发现制冷系统中常见问题改善解决，年度节约总电量307.88万度，节约总电费215.52万元，节能率为26.89%，不仅提升了设备单体节能率而且节约运行成本。

[1]GB50174-2008，电子信息系统机房设计规范[S].

[2]GB50462-2008，电子信息系统机房施工及验收规范[S].

[3]YDT1821-2008，通信中心机房环境条件要求[S].

[4]TIA-942，数据中心通信设施标准[S].

Analysis on Energy Saving Potential of Central Air-conditioning with Free Cooling System in Data Center

SUN Hai-feng

（China Mobile Shanghai Branch，Shanghai 200060，China）

Based on some telecommunication data center central air-conditioning system’s shortcoming,including high annual energy consumption,low cooling tower efficiency,huge pipe resistance and incorrect free cooling switch mode. The article introduces air-conditioning renovation purpose from technical view to solve above problems.The key issue is to improve whole air-conditioning system operation efficiency,from cooling tower cooling effect,pipe resistance reduction,coordination of chiller plants and pumps and optimization of free cooling performance.System renovation can not only guarantee system safety and automation,but also enlarge energy-saving potential.

data center；free cooling；energy-saving；variable frequency；control cabinet；injector；renovation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.017

TU831

B

2095-3429（2016）04-0069-05

0 引言

孙海峰（1978-），男，江苏南通人，硕士，工程师，从事数据中心配套土建、机电、空调等专业规划、投资及项目管理工作。面离不开优秀的设计、完善的施工和合理的运行管理，另一方面也需要在实际运行中结合自身负荷特点引入成熟可靠的节能技术，既保证运行安全又降低整体系统运行能耗。本文旨在介绍上海某数据中心节能技术改造的成功经验，为同业者提供参考和建议。

2016-04-06

2016-07-27

3.1.3 近湿球温度控制

近湿球温度控制技术，采用图形分辨技术分别分辨机组加载、布水量变化、室外温度变化、湿球百分比变化、大气压变化，尽量使冷却塔的出水温度接近湿球温度。如图6所示，表现为冷却塔的冷却水进出水温差

随着信息化和城市化的迅猛发展，数据中心在全国各地如火如荼建设，其能耗也占社会综合能耗3%，其中制冷系统用能作为数据中心能耗重要组成部分已经被数据中心运营管理者越来越重视。按照十三五规划节能纲领,数据中心制冷系统可持续健康发展一方