数据中心大温差水蓄冷技术节电应用

景 淼， 贾 峻， 杨 威

(北京电信规划设计院有限公司，北京 100048)

0 前言

随着互联网和数字经济的快速崛起，中国的数据中心建设实现了突飞猛进的增长。数据中心作为承载通信与IT信息系统的大脑与中枢，是数据集中处理、存储、交换和管理的场所。由于数据中心安装有大量的IT设备和机电系统设备，其用电功耗非常大，这也使得如何有效降低数据中心电费支出成为近年来行业的热点问题。

大型数据中心空调系统通常采用冷冻水系统，水蓄冷利用不同温度下水的显热变化来储存冷量，常作为大型数据中心的不间断冷源。目前，我国多地实行峰谷电价，利用价格杠杆调节电力消费不均的状况。因此本文着重研究在峰谷电价格政策背景下，通过水蓄冷移峰填谷技术为数据中心节省电费开支，采用大温差水蓄冷技术的蓄冷装置来降低蓄冷装置造价、减少蓄冷装置占地面积。

1 水蓄冷移峰填谷原理、分类

夜间低谷电价时，利用数据中心备用的冷水机组、水泵、冷却塔为蓄冷装置补充冷量，并在白天电价尖峰或高峰时刻将蓄冷量释放，供空调系统使用。

常规水蓄冷是指水蓄冷系统供回水温度与制冷系统水温一致。而大温差水蓄冷则是将水蓄冷系统的供回水温差提高到10℃以上，减少蓄冷装置容积。蓄冷装置原理详见图1。

图1 蓄冷装置原理图阀门控制要求：(1)夜间蓄冷工况：V1、V2、V4～V7：开；V3、V8：关；(2)峰时释冷工况；V1、V2：关；V3、V4、V5、V8：开；V6、V7：调。

采用大温差水蓄冷技术的数据中心，以空调系统冷冻水供/回水温度12℃/18℃，备用冷机采用双工况冷机为例。蓄冷时，蓄冷罐进水/出水温度为7℃/18℃，蓄冷结束后蓄冷罐内水温为7℃，水蓄冷温差达到11℃。释冷时，蓄冷罐内低温冷水(7℃)与系统冷冻水回水(18℃)混合，提供12℃的冷冻水供水。大温差水蓄冷技术控制相对复杂，自控系统、阀门调节精度需满足系统运行要求。

2 项目案例

2.1 概况

北京某数据中心建筑面积为1.3万m2，空调冷负荷为9 014kW。数据中心冷冻水供/回水温度为12℃/18℃，受场地条件限制，蓄冷罐占地面积不能超过150m2。为利用峰谷电价差降低运行费用，减少蓄冷罐占地面积，本项目采用大温差蓄冷技术。

2.2 冷源配置

冷源采用4台离心式冷水机组，其中1台冷水机组为双工况机组，该机组既做为蓄冷时蓄冷用冷机，又做为空调系统备用冷机。蓄冷时，如制冷系统中主用冷机出现故障，双工况冷机转为主用冷机，系统停止蓄冷。常规冷机，冷冻水进/出水温度为18℃/12℃，制冷量为3 024kW；双工况冷机，冷冻水进/出水温度为18℃/12℃时制冷量为3 024kW，冷冻水进/出水温度为18℃/7℃时制冷量为2 077kW。

2.3 蓄冷罐配置

北京地区峰谷电价见表1。为了充分利用8h的低谷电，夜间开启双工况冷机为蓄冷罐充冷，电价峰值时开启蓄冷罐释冷，电制冷机停止运行。蓄冷罐蓄冷水温为7℃。

北京地区电价 表1

蓄冷罐总蓄冷量Q总= Q移峰填谷+ Q不间断；蓄冷罐移峰填谷蓄冷量Q移峰填谷=Q蓄冷量×T蓄冷；蓄冷罐提供的不间断蓄冷量Q不间断=Q空调冷负荷×T不间断供冷；蓄冷罐调峰时间T调峰=Q移峰填谷/ Q空调冷负荷；蓄冷罐有效容积V有效= Q总/ (C × ρ ×Δt)。式中，Q移峰填谷为蓄冷罐移峰填谷蓄冷量；Q不间断为蓄冷罐提供的不间断蓄冷量；Q蓄冷量为冷机夜间蓄冷量；T蓄冷为冷机蓄冷时间，本项目取8h；T不间断供冷为不间断供冷时间，本项目取15min；V有效为蓄冷罐有效容积，m3；C为水的比热，kJ/(kg·℃)； ρ为水的密度，kg/m3；△t为释冷蓄冷温差，本项目取11℃；Q总为蓄冷罐总蓄冷量，kW·h。本项目蓄冷罐有效容积为1 298.8m3，总蓄冷量为16 616kW·h，其中移峰填谷蓄冷量14 362.5kW·h，蓄冷罐调峰时间为1.6h。

3 案例分析

3.1 能耗分析

空调冷源系统运行模式分为电制冷模式、部分自然冷却模式及完全自然冷却模式。室外湿球温度>13℃时，为电制冷模式，冷水机组供冷；8℃<室外湿球温度≤13℃时，为部分自然冷却模式，冷却塔预冷+冷水机组部分供冷；室外湿球温度≤8℃时，为完全自然冷却模式，冷却塔供冷。表2是该案例各模式下大温差蓄冷系统的全年能耗。

各模式下系统全年能耗 表2

该案例大温差蓄冷、常规蓄冷、无蓄冷时全年用电量对比如图2所示。在蓄冷罐容积相同的情况下，采用常规蓄冷的空调系统，释冷时蓄冷罐进/出水温度为18℃/12℃，蓄冷罐总蓄冷量为9 063.5kW， 蓄冷系统调峰时间降低为45min，空调系统全年用电量为1 184.39kW·h，与大温差蓄冷的全年用电量1 194.82 kW·h比较，减少1%。无蓄冷的空调系统全年用电量1 170.21kW·h，比大温差蓄冷减少2%，比常规蓄冷减少1%。综上，大温差蓄冷、常规蓄冷全年用电量均大于无蓄冷系统，蓄冷技术并不节约电量。

图2 三种蓄冷模式全年用电量对比

3.2 电费分析

与无蓄冷的空调系统相比，大温差蓄冷技术利用89.95万kW·h的低谷电，使尖峰及高峰用电减少65.34万kW·h，实现移峰填谷，全年电费可减少32.26万元，如表3所示。与常规蓄冷的空调系统相比，大温差蓄冷技术利用45.24万kW·h的低谷电，使尖峰及高峰电减少34.81万kW·h，全年电费可减少18.20万元，如表4所示。

大温差蓄冷与无蓄冷空调冷源全年用电量、电费对比 表3

大温差蓄冷与常规蓄冷空调冷源全年用电量、电费对比 表4

图3所示为三种蓄冷模式空调冷源全年电费对比图，本案例数据中心空调系统采用大温差蓄冷技术后，与无蓄冷相比全年节省电费4%，与常规蓄冷技术相比全年节省电费2%。综上，采用蓄冷技术在实行峰谷电价差的地区可以节省电费。在蓄冷装置占地面积有限时，采用大温差蓄冷技术，全年运行电费更低。

图3 三种蓄冷模式空调冷源全年电费对比

3.3 蓄冷装置容积分析

在相同蓄冷量下，采用大温差移峰填谷蓄冷技术时蓄冷装置容积为1 298.8m2，常规蓄冷时蓄冷装置容积为2 381.1m2，蓄冷装置容积约降低45%。因此，大温差移峰填谷蓄冷技术具有减少蓄冷装置容积的优势，如图4所示。

图4 蓄冷装置容积对比

4 结束语

建筑条件允许时，采用蓄冷罐移峰填谷技术可以节约运行费用。常规水蓄冷系统供回水温度与制冷系统水温一致，控制也更为简单，但此时需要更大的蓄冷容积。