数据中心水蓄冷削峰填谷的经济性分析

2022-06-02张新昌郭世鹏王亚泽盛永亮北京环渤高科能源技术有限公司

节能与环保 2022年5期

文_张新昌郭世鹏王亚泽盛永亮北京环渤高科能源技术有限公司

数据中心是为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，其建筑耗能巨大，对应的建筑发热量也特别大。随着云计算的迅速发展，全社会对数据中心的需求量增加特别迅速，数据中心朝着大型化、集中化的方向发展。由于水冷式集中空调系统对建筑形式的适应性，目前国内大中型数据中心普遍采用水冷冷冻水空调系统。

由于数据中心空调系统的特殊性，其对应空调系统削峰填谷的设计理论和经济性的计算分析，与其他行业建筑空调系统削峰填谷相比有很大的不同。本文结合数据中心的特点，针对大型数据中心水冷冷冻水空调系统的常用工况，计算在全年运行工况下，北京地区、上海地区和广州地区数据中心削峰填谷的投资回收期，分析其经济性是否合理。

1 数据中心常用的水冷式集中空调系统

1.1 数据中心常用水蓄冷系统

数据中心水冷冷冻水空调系统采用的蓄冷罐一般分为闭式承压蓄冷罐和开式蓄冷罐，由于闭式蓄冷罐的成本比较高，一般应用于规模比较小的空调系统；规模比较大的空调系统一般应用开式蓄冷罐。

为了保证数据中心的持续供冷，一次泵空调系统常采用闭式蓄冷罐；二次泵系统常采用开式蓄冷罐。由于二次泵系统配置开式蓄冷罐，可以实现在线无切换模式的持续供冷，同时成本比较低，是目前大型数据中心冷冻水空调系统持续供冷的常用配置。

本文主要讨论在原有持续供冷蓄冷罐的基础上，增大了蓄冷罐用于削峰填谷的容积，利用峰谷电价差来降低数据中心运行费用。

1.2 数据中心常用削峰填谷系统

数据中心设计规范规定，A级数据中心空调系统主设备（含冷却塔、水泵、冷水机组、板式换热器）需要冗余备份，其主要的制冷设备设置为N+1，其中有1组设备备用。目前数据中心一般采用3+1或者4+1的冗余设置。制冷单元采用4+1系统冗余，制冷单元彼此独立；二次泵和末端形成一个独立循环单元；蓄冷罐、制冷单元、末端系统彼此连接形成完整的空调系统。

由于数据中心空调系统设置了一定的冗余，另外考虑到安全因素，数据中心实际运行负荷一般低于设计负荷。考虑利用冗余设备，在夜间电价谷值时，为蓄冷罐进行蓄冷；在白天电价峰值时，利用蓄冷罐的蓄水来为机房供冷，节省运行费用。在这种运行策略下，仅仅只需要增加蓄冷罐的水容积，而主要制冷设备数量和参数基本保持不变。因此在增加最小投资的基础上，分析数据中心空调系统采用水蓄冷削峰填谷措施后，是否具有良好的经济性。

2 数据中心削峰填谷的应用工况分析

2.1 典型城市的电价分析

本节重点分析中国三大城市（北京、上海、广州）的峰谷电价差，以10kV工业用电为电价为典型参考值，来分析数据中心采用水蓄冷削峰填谷措施的经济性。表1为中国三大典型地区的峰谷电价差，可以看出，峰值的电费约为谷段电费的4倍。数据中心全年运行，良好的峰谷电价差可以提高数据中心削峰填谷应用的经济性。

2.2 数据中心水蓄冷削峰填谷运行策略

从表1可以看出，上海地区非夏季工况下，每天高峰时间为6h；广州地区每天高峰时间也为6h。为了达到最佳的投资回收比，利用峰谷电价差实际最长的情况，本文设置蓄冷罐所增加的蓄冷量为空调系统白天放冷时间6h所需要的冷量。

表1 三大城市不同季节和时段的电价表

在数据中心实际运行过程中，具体运行策略如表2所示。一般数据中心的平均负载率均低于设计满负载的70%。本文计算过程中，进行如下假定：空调系统设计满负载流量为Q，系统平均负载率为设计满负载的70%。制冷单元为4+1配置，制冷单元的最大运行流量为1.25Q。平段时间，蓄冷罐为定压旁通设备，旁通流量为系统运行所需流量的10%。

系统全天运行流量与时间关系如表2所示。

表2 空调系统不同时段流量表

从表2可以得出，在不增加制冷单元设备容量情况下，系统平均负载率为70%时，蓄冷罐通过夜间7.6h的蓄冷，能保证系统白天峰段时间6h的放冷需求。

2.3 数据中心削峰填谷冷源系统能耗分析

根据大量数据中心项目配置，建立一个数据中心常用模型，分析数据中心削峰填谷的能耗情况及经济性。其模型主要设置条件如下：数据中心设计配置3000个5kW的IT机柜；数据中心全部IT设备的平均负载率为满负载的70%。

工况一：蓄冷罐仅仅考虑15min的应急供冷。

工况二：空调系统采用削峰填谷兼应急供冷设计，蓄冷罐增加白天峰段时间6h的放冷量。

根据上述设定条件，数据中心空调系统的主要设备配置如表3所示。

表3 常用工况下某数据中心空调系统主要设备配置表

在计算数据中心冷源系统全年功耗过程中，由于室外气象参数的变化，会造成冷源系统全年的功耗计算比较复杂。数据中心项目进行节能分析时宜采取简易方案，把全年制冷系统运行划分为3个阶段，分别为夏季完全机械制冷阶段、冬季完全自然冷却阶段、过渡季部分自然冷却阶段。3个阶段中冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵的运行功率可都取额定功率，冷水机组的运行功率分别取100%、0%和50%的额定功率测算，三阶段功耗指标与运行小时占全年权重乘积相加，即可得到全年的能耗数据。另外为了简易计算，假定某一天内，冷却塔功率和冷水机组功率不受室外气象参数的影响，仅受到全年季节变化的影响。

本文计算工况中，实际系统并不是满负荷运行，由于系统的制冷单元比较多，且目前数据中心设备配置变频装置来节能运行。可以简化认为冷源系统的cop值不随系统负载率的变化而变化。实际运行过程中，可以通过调节制冷单元的组数和设备运行的频率来保证系统运行的节能性。

冷源系统制冷单元的制冷量、功率及COP如表4所示。

表4 冷源系统制冷单元相关参数表

结合制冷单元不同季节的COP值，可计算表5中蓄冷罐在全年某一天内蓄冷过程中的耗电量，通过累计计算一年内白天和夜间的电费差值，即可得出空调系统采用削峰填谷措施后，全年运行的节省费用。

表5为上述模型中削峰填谷蓄冷罐的运行参数，及其在不同季节每天夜间蓄冷所消耗的电量值。

表5 蓄冷罐能耗相关参数表

2.4 数据中心水蓄冷削峰填谷的经济性分析

由于不同地区的气象差异性，导致不同地区数据中心空调系统削峰填谷的利用时间不同（见表6）。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中的年逐时气象参数，可以统计得出北京、上海、广州地区分别在夏季、过度季节中削峰填谷的使用天数，然后乘以每天节约的电费额，可以计算出使用削峰填谷后，空调系统全年节省的费用（见表7）。