数据中心后备冷源蓄冷节能运用的实践

姜 宁

中国移动江苏公司南京分公司

0 引言

目前，4G技术已经全面普及，并逐步向5G技术过渡，随之而来的是数据中心大规模的建设。众所周知，数据中心具有高能耗的特点，而数据中心的耗能主要由信息设备、空调系统、电源系统及其他功能配套系统四部分组成。在传统数据中心运行中，空调系统能耗约占数据中心总能耗的40%，所以随着空调技术日益更新，降低数据中心能耗，打造绿色节能数据中心已逐渐从设想变为现实。目前，越来越多的数据中心在建设时放弃传统的直膨式风冷机房空调，采用水冷机房空调或间接蒸发冷机房空调，以追求更低的PUE值。

另一方面，随着社会经济的发展，人们对于电力的需求越来越大，电力供应矛盾愈加突出。2010年11月，发展改革委、电监会等六部委联合印发《电力需求侧管理办法》，针对电力需求侧提出了十六项定性或定量的管理和激励措施，其中提到“将推动并完善峰谷电价制度，鼓励低谷蓄能”等内容，并于2011年1月1日起实施。那么，如果数据中心空调系统可以充分利用谷电运行，在降低数据中心能耗同时，还可以大幅度减少数据中心的运行费用。所以本文以南京市溧水区某数据中心空调系统实践情况为例，进行后备冷源蓄冷系统节能运用的分析。

1 后备冷源蓄冷节能运用分析

大型数据中心大多选用承压水罐作为灾备的应急冷源，为了更好的提高数据中心中央空调的能效比，充分利用现有的设备（或者新增部分设备），通过制定合理的水蓄冷运行策略，改变原有的运行模式，利用现有的峰谷的电价差，降低系统能耗，提高系统的综合COP值，具有现实意义。一般而言，数据中心的设备负荷加载是个渐进过程，数据中心运行初期，蓄冷系统完全可以考虑用于节能运行，其运行模式为“谷段及平段电价时蓄冷，峰段电价时放冷”，模式如图1所示。

图1 蓄冷系统运行模式

以江苏移动某数据中心机房楼为例，该机房楼位于南京市溧水区，其中一期工程建筑面积10000平方米，地上五层，其中首层主要作机电设备用房，二层机房备用，三至五层作数据机房使用。冷冻水机组选用六台自然冷源风冷螺杆冷水机组，冷水机组安装在楼顶天面。为防止市政电网断电影响数据机房正常运行，机房选用1个60m3蓄冷罐作为后备冷源。具体设备参数详见表一。

1.1 实际运行与分析

自2016年起，工作人员开始对蓄冷罐进行有效利用，以减少系统的运行费用，对该运用模式的节能性进行了探索。

蓄冷罐放冷初始温度为7℃，经过长时间节能运行测试得出终止温度为14℃，机房温度未有明显波动，比热容取4.187,那么蓄冷及放冷冷量为：

其中，C是比热容； M是物质质量；ΔT是进出水温差。

现有的设备情况如表1所示。

表1 设备情况

2016年南京市峰谷电价政策如表2。

表2 南京市峰谷电价

设备及耗电情况如表3。

表3 设备及耗电情况

蓄冷节能运行的具体操作流程为晚间低谷电价0:00～8:00期间运行27.91分钟蓄冷；8:00～12:00期间运行39.08分钟放冷；12:00～17:00电价为平段时运行27.91分钟进行蓄冷；晚间17:00～21:00期间运行39.08分钟放冷。

(1)蓄冷节能运行费用为一次谷段蓄冷、一次平段蓄冷和两次峰段放冷运行费用之和：谷（主机+冷冻泵）+平（主机+冷冻泵）+峰（放冷泵+放冷泵）

(2)常规工况运行费用相当于两次峰段蓄冷费用之和，为：峰（主机+冷冻泵）*2

(3) 蓄冷节能运行模式下节省的运行费用为：

(4) 年蓄冷节能运行模式下节省的运行费用为：

为实现蓄冷时停止一套主机运行的功能，在系统中还需增加一套阀门，如图2所示。

图2 主机系统图

如上文所述，由于蓄冷水罐容积比较小，每天蓄冷放冷时间仅有27.91分钟×2=55.82分钟，虽然每天放冷2次，利用低谷电、平段电进行蓄冷，但是每年节省的运行费用并不多。所以要节约更多费用,需要考虑增加蓄冷罐。

1.2 增加蓄冷水罐的可行性分析

考虑到数据中心需要安全可靠的运行，数据中心冷冻水主机多为冗余设计，按照现有备用冷机的蓄冷能力条件，如果要采用水蓄冷系统移峰填谷的功能，减少系统的运行费用，那么就需加大蓄冷水罐的容积。根据目前系统的情况，有一台1050KW备用机组可改造成水蓄冷系统，那么蓄冷水罐的容积如表4所示。

表4 蓄冷水罐容积

蓄冷水罐增容后运行的具体操作流程为低谷电价0:00～8:00期间运行8小时，向两个蓄冷水罐同时蓄冷；8:00～12:00期间运行4小时放冷；12:00～17:00平段电价运行5小时，向650 m3蓄冷水罐进行蓄冷；晚间17:00～21:00期间运行4小时放冷。

蓄冷节能运行费用为一次谷段蓄冷、一次平段蓄冷和两次峰段放冷运行费用之和，即：

部分时段需启用两台防冷泵，加快放冷。常规工况运行费用相当于两次峰段蓄冷费用之和，即：

蓄冷节能运行模式下节省的运行费用为：

年蓄冷节能运行模式下节省的运行费用为：

根据目前数据机房运行现状分析，数据机房的负载总是逐步增加的，如采用常规工况，难免出现大马拉小车的情况，造成更大的能源浪费，运行费用也会更加高昂。若蓄冷罐增容，则可在全天使用谷、平段电价运行制冷系统，实现1500m3机房的供冷需求。

2 结论

本文对数据中心机房空调后备冷源蓄冷节能运用进行了分析，对其使用特点和可行性进行了归纳和总结，整理出一套切实可行的降低空调运行费用的方式方法。同时对南京移动某数据中心机房楼空调系统进行了改造分析，对空调系统节能改造进行了实践及推论。

经过对江苏移动南京分公司数据中心机房楼空调系统运行的实例分析，可以看出空调系统蓄冷节能运行，可大大降低运行费用，特别是投运前期(负荷轻时),具有良好的经济效益，同时对国家电网电力资源峰、谷平衡做出了贡献，体现了良好的社会价值。本文在对数据中心冷冻水空调运行提供参考的同时，希望对该节能运行模式进行交流与探讨，特别是在放冷时，有二次泵系统,在运行中涉及频率、循环流量（蓄冷罐放冷流量），以及如何控制放冷时小于正常运行流量等问题。

以不降低制冷系统安全可靠性为原则，以节能降耗为目的，数据中心配置蓄冷系统，是目前积极探讨并推广的最佳节能运行模式之一。