数据中心湖水源自然冷却系统的节能模拟优化

曾丽萍雷奥军张泉凌丽

1湖南工程学院建筑工程学院

2湖南大学土木工程学院

0 引言

随着互联网的高速发展，以大数据，云计算，人工智能和区块链为代表的新一代信息技术，正在加速全球的智能化变革，也促进了数据中心的大幅增长。据工信部2016年发出的报道，中国数据中心市场规模达到714.5亿元，数据中心的耗电量占全社会用电量的1.5%[1]，而且全球数据中心的耗电量也达到了1.1～1.5%1.1～1.5%[2]。预计到2020年，数据中心还会继续增长[3]，能耗也会跟着需求大增长。在保证数据机房环境要求的同时，如何降低数据机房制冷系统的能耗问题成为研究热点。目前数据中心制冷最节能的方式是利用自然冷源制冷。

Facebook设在瑞典吕勒奥城市的数据中心，微软公司设在爱尔兰都柏林的数据中心，都是利用全年室外环境温度低的特点，采用室外空气自然冷却，实现了低能耗。我国阿里公司设在杭州千岛湖的数据中心[4]，采用湖水冷却空调系统，充分的利用湖水自然冷源，从而大幅度降低数据中心的能耗。新建的云巢数据中心以郴州资兴市的东江湖水为自然冷源，实现数据中心的低能耗。本文云巢数据中心为例，研究湖水源自然冷却系统，采用trnsys软件对系统进行数值模拟，对冷水机组、冷却塔、湖水换热器三种制冷模式，进行方案模拟，获取最优运行参数。

1 模拟方法及结果

1.1 东江湖年平均水温

东江湖最深的水位达到280 m，湖面面积有160 km2，水库容量达到81.2亿m3，根据当地东江站测试的水文资料（测试点位于水下3 m处），全年湖水平均温度为12.9℃，如图1所示，其水温完全可以为数据中心机房提供充分的冷源。

图1 东江湖年平均水温

1.2 模型的建立

为了优化东江湖数据中心的湖水源冷却系统，本文采用Trnsys软件对湖水源自然冷却系统进行模拟，如图2所示，该数据中心采用两种方式进行制冷：一种是采用冷水机组制冷。另一种是采用湖水作为自然冷源，通过板式换热器与冷冻水回水进行热交换，达到制冷目的。制冷系统主要有三种运行方式：当换热器出口水温（Thx,o）低于冷冻水供水温度（Tchw,s）时，则采用湖水自然冷却。当换热器出口温度高于冷冻水供水温度（Tchw,s），而湖水温度（Tlake）低于机房回水温度（Trw）时，则湖水源和制冷机组一起运行制冷。当湖水温度（Tlake）高于机房回水温度（Trw）时，关闭湖水源，采用冷水机组制冷。

图2 数据中心冷却系统图

根据节能需求，数据中心的冷水机组、冷却塔、湖水泵、冷冻泵均采用变频设计。依据室外环境温度、湖水温度、机房回风温度、冷冻水供水温度、冷冻水供回水温差等参数，构建负荷和换热器的出口温度的能耗模型。

本文以能耗函数为目标函数，建立湖水源自然冷却系统的目标函数为：

式中：Pchiller表示冷水机组消耗的电能，kWh；Pct表示冷却塔消耗的电能，kWh；Pcwp表示冷却水泵消耗的电能，kWh；Pchwp表示冷水泵消耗的电能，kWh；Plwp表示湖水泵消耗的电能，kWh；Pcrah表示CRAH风机消耗的电能，kWh。

2 模拟结果与讨论

2.1 优化机房送风温度与冷冻水供水温度之间温差

为了分析机房送风温度与冷冻水供水温度温差对数据中心能耗影响，设定机房送风温度与冷冻水温度温差在6～10℃，冷却水供水温度（Tcw,s）为32℃，机房回风最高温度为35℃，模拟冷冻水供水温度（Tchw,s）在12、13、14、15℃时的四种不同工况，如表1所示。

表1 四种不同工况的模拟条件

由图3可知，数据中心的系统能耗随温差的增加呈先减小后增大的趋势，在温差为7℃时，系统能耗均达到最小。一方面随着温差与机房送风温度的增加，送回风温差减小，由于机房的冷负荷不变，导致CRAH风量增加，从而导致CRAH风扇能耗增加。另一方面，机房送风温度影响冷冻水泵的流量，机房送风温度增加，冷冻水泵流量则减小，从而冷冻水泵能耗则减小。冷冻水量减小，机房负荷不变，冷冻水供水温度不变，导致回水温度增加，从而导致换热器出口温度也增加，为了达到供水温度设定点，机组运行时间增加，最后导致冷却水系统能耗增加。因系统各设备能耗增减程度不一致，使得总能耗随着温差的增加呈先减小后增大。因而，在CRAH换热能力一定时，存在恒定的温差使得系统能耗最低，不随冷冻水供水温度发生变化。针对该系统，在温差7℃时，湖水源制冷系统能耗最小。

图3 不同冷冻水供水温度下能耗随温差的变化

2.2 优化机房送风温度和冷冻水供水温度

对机房送风温度（Tsa）在18～24℃的范围内进行模拟，机房回风最大允许温度为35℃，冷却水供水温度（Tcw,s）设定为32℃，根据机房送风温度与冷冻水供水温度温差的优化分析，设定温差为7℃，模拟分析以下七种不同工况，如表2所示。

表2 七种不同工况的模拟条件

根据Durand-Estebe的报道[5]，系统使用自然冷却的时间随机房送风温度的提高而增加，冷水机组的能耗虽然减少了，但整体能耗不一定减少，影响了服务器运行的稳定性和可靠性。从图4中可知，湖水源冷却的运行时间随着送风温度的增加先减小后增加，当机房送风的温度24℃时，可以完全采用湖水冷却。送风温度增加后，系统湖水冷却的时间增加，系统的总能耗并不是一直呈减小趋势，在机房送风温度为22℃时反而开始增加。从图5中也可以看出：冷水机组和冷却水泵的能耗随着送风温度的增加而减少，CRAH风机能耗却增长很快，导致总能耗表现为先减小后增加的趋势。

图4 不同送风状态点下的运行状态及全年能耗

图5 不同送风状态点下的各设备能耗

图6 不同送风状态点下的能耗主要影响参数变化趋势

当回水温度高于湖水温度，且换热器出口温度高于冷冻水供水温度时，系统由湖水源冷却模式（WSE）更换到部分湖水源冷却模式（IWSE）。当系统的冷冻水供水温度随机房送风温度增加时，湖水源冷却模式（WSE）的运行时间也增加，而冷水机组，冷却塔和冷却水泵运行时间减少，导致系统的全年总能耗也随之减小。从图6可以看出，冷水机组能耗（Pchiller）随着送风温度的提高而降低，在机房送风温度为21℃时，机组能耗减小95.4%。但是这部分减少的能耗逐渐被CRAH风机增加的能耗（Pcrah）抵消了。CRAH的风扇风量随着送风温度的提高而增加，从图5中看出Pcrah的增长几乎是呈线性增长，而风扇的能耗与风量之间的关系呈非线性变化，在机房送风温度为21℃时，风扇风量增加19.3%，其能耗却增加了84.8%，在机房送风温度为24℃时，风扇已达到极限速度。因此，当冷冻水供水温度为14℃、机房送风温度为21℃时，系统能耗最小，运行状态最优。

当系统运行状态点（冷冻水供水温度12℃，送风温度为18℃）优化至最优状态点（冷冻水供水温度14℃，送风温度21℃）时，系统能耗由3818554 kWh减小至2507569 kWh，可见优化后的湖水源冷却系统相比于优化前节能34.3%，相比于传统制冷系统能耗（6223752 kWh）节能59.7%。说明随着送风温度的提高，虽然CRAH风扇的能耗增加，但是冷却水泵和冷水机组的能耗减小，因而总能耗减小。当冷冻水供水温度为14℃，机房送风温度为21℃时，可以获得最低的总能耗。优化温度设定点后的湖水源自然冷却系统能耗相比优化前节能34.3%，相比于传统制冷系统节能59.7%。

2.3 最优状态点的运行分析

图7为该湖水源自然冷却系统的最优状态点时系统的运行情况，该最优状态点为送风温度为21℃，冷冻水供水温度为14℃。从图7可知，随着湖水温度的升高，完全自然冷却时间减小，部分时间需要开启机组以满足所需负荷。根据全年湖水平均温度约为13℃，全年都可进行湖水冷却。

图7 三种模式全年运行时间分配情况

在春季（3月～5月），湖水温度较高，平均温度约为13.2℃，该系统78%的时间都在进行完全自然冷却，其余22%的时间在进行部分自然冷却。在夏季（6月～8月），湖水温度在六月份达到最高，而七、八月份湖水温度较低，81%的时间在进行完全自然冷却，剩下9%的时间使用部分自然冷却。秋季（9月～11月），湖水温度约为12.8℃，满足换热器出口温度低于冷冻水供水温度14℃，该系统可完全进行自然冷却。冬季（12月～2月），该系统大部分时间都可进行完全自然冷却，而部分自然冷却运行时间占0.5%。

由以上分析可知，冬季比秋季的自然冷源利用率略低，因为在冬季环境温度很低时，湖水会出现逆温层的现象，即随湖水深度的增加，温度跟着增加。而秋季表面冷却引起水循环，形成同温现象，所以湖水温度较冬季还略低一些，故而冬季使用自然冷却的时间较秋季要小一些。夏季自然冷源利用率却比春季还要高一些，这是由于夏季的部分时间湖水会出现正温层现象，即湖水表面温度较高，底层温度较低。而春季湖水表面开始增温，引起湖水循环，湖水再度形成同温现象，所以湖水温度整体较夏季略高一些，故而导致春季完全自然冷却运行时间较夏季少一些。

3 结论

本文针对某数据中心制冷系统，采用Trnsys软件建立制冷系统的仿真平台，分析其运行特点，考虑到环境因素与制冷系统的换热特性，分析系统运行参数对各部分能耗的影响，建立能耗目标函数，分析制冷系统总能耗的影响因素，模拟分析制冷系统在不同影响因素下的能耗变化趋势，从而确定制冷系统的最优送风温度和冷冻水供水温度，且对最佳运行状态点进行能耗分析。

1）随着机房送风温度与冷冻水温度温差的增加，全年系统能耗呈先减小后增大的趋势，当冷冻水供水温度分别在12℃，13℃，14℃和15℃四种不同的工况下，温差为7℃时能耗最小。当冷冻水供水温度与送风温度设定值一定，自然冷却运行时间随送风温度设定值的提高而增加，总能耗呈现先减小后增加的趋势，这是因为随送风温度设定值的提高，CRAH风扇的能耗往往会使得总能耗增益减小甚至呈负值变化。

2）系统运行时，冷冻水供水温度与机房送风温度分别为14℃和21℃时，模拟结果表明系统运行状态最佳，总能耗最低。比实际运行状态点（冷冻水供水温度12℃、机房送风温度18℃）时节能34.3%，相比于传统制冷系统节能59.7%。

3）当系统在最优状态（冷冻水供水温度12℃、机房送风温度18℃）下运行时，全年都可采用湖水冷源。在春季（3月～5月）78%的时间可以完全利用湖水进行自然冷却。在夏季（6月～8月）81%的时间在进行完全自然冷却。在秋、冬季节（9月～2月），该系统几乎可以完全采用湖水冷却。