数据中心暖通系统蓄冷罐改造方案研究及应用

许 敏，曹 灿，徐 迟，蔡 荣，王 超，李 宇

（1.中国联通 无锡分公司，江苏 无锡 214142；2.中国联通 江苏省分公司，江苏 南京 210029）

0 引 言

目前数据中心的电能还无法有效地进行大规模储存，存在着用电峰值和用电谷值。电力部门通过需求侧管理，利用削峰、填谷、移峰填谷以及改善设备的供电方案等手段对国家电网负荷曲线加以微调，减少单日供电的峰谷差等。而蓄冷空调技术则是在供电低谷期通过蓄能设备将制冷机制得的冷量贮存于热水蓄冷罐内，待供电高峰期时再将贮存的冷却设备投放到中央空调末端使用[1]。通过合理利用夜间低谷供电条件，不但使数据中心空调系统的运营费用大幅下降，而且对电网产生了很大的移峰填谷作用，提升了设备使用的经济效益。对于用户而言，蓄冷中央空调发挥了调整电能峰值的功能并均衡了供电压力，大大提高了对水力发电设施的利用效果[2]。

1 水蓄冷系统的工作原理

水蓄冷以水作为主要蓄冷介质，所蓄存的冷量决定了蓄冷槽贮存冷水的总量与蓄冷温度差。热水蓄冷适用于大温差下供水的中央空调系统，可以大大提高蓄冷量。水在4 ℃时的密度最高，而且可以自动分层，通常利用常规的冷水机组直接制造4 ℃的冷水来储存。此外，可以将2个常规冷水机组并联，再分成2次将冷水温度降低至4 ℃，以此来提升机组的冷却效果[3]。数据中心机房水蓄冷罐空调系统如图1所示。

图1 数据中心机房水蓄冷罐空调系统

水蓄冷量的计算公式为

式中：ρ为蓄冷水密度，取1 000 kg/m3；V为水的体积，m3；cp为水的定压比热，取4.18 kJ/（kg·℃）；Δt为蓄冷水池进出水温差，℃。

蓄冷水罐有很多种类型，如水平串联式、水平并联式，通常以重力自动分级的方式使用较多[4]。在一般民用建筑中大多使用消防水池作为水蓄冷池，不需要再追加过多投入，通常使用部分水冷机组来承受夜间负载，使用剩余水冷机组在夜晚低谷电价时来进行储冷。使用消防水池作为水蓄冷池要在工程设计之初与供水专业技术人员充分交流，确保灭火水池的造型、容积在符合消防相关规定的同时，有利于水蓄冷的利用。蓄冷最有利的方法是利用自然温差分层，但多水池高低层次的串联法、迷宫法和折流法需要加强水池内部隔离等保护措施，提高了施工的费用和复杂度，在新建工程项目中也不建议使用。

采取自然分层式水蓄冷要求水池的覆盖面和体量比越小越好，池内的水域净高要超过5 m。消防水池尽量安装在冷水机组的最上一级，这样蓄冷时冷水机组的蒸汽发生器一直为满水状况，就构成一种由水池内定压产生的蓄冷密闭式循环系统。在游泳池内，可以通过设有上、下大致相同的布水器来调节流速，以减少冷热水的掺混量。在池底的冷水和上层的暖水之间，由温度差异传导性传热而产生的过渡层（斜温层）一般为0.3～0.5 m。通过保持斜温层的热平衡，可以避免冷温水的热融合。

在蓄冷时，由冷水机组将制取的冷水直接送入水池，冷水机组的出流水温通常为4 ℃。蓄冷后，低压水由底部的布水器进入水池，而高温水由上层的布水器直接排出入水池。释冷后，低压水从底部的布水器流出游泳池，高温水从上层的布水器流入游泳池[5]。蓄冷罐系统原理如图2所示。

图2 蓄冷罐系统原理

若采取主机下游的并联形式，则主机将会由于进水温度较低而效能下降。若采取主机上游的并联形式，则蓄冷池的冷水温度就不易保持稳定，进而导致系统的供水温度不稳。在设计中，分别测算两个板式换热器的总容量，取其最大。

2 水蓄冷在数据中心的实践及应用

根据使用类型的不同，水蓄冷又分成敞开式和全封闭式。由于开式蓄冷技术工艺成熟、制冷剂的分层作用比较明确、费用也相对较低，因此对于数据中心内空调系统的使用主要选择该类型。在工程设计中经常将开式蓄冷罐并联在空调装置中，由给水装置定压，使其自动控制高度超过设计最高点，而罐体尺寸则按照系统要求设定。目前，数据中心使用的开式蓄冷罐蓄冷效能通常达到85%以上[6]。闭式蓄冷罐的单体容量普遍较小，蓄冷罐中的冷水不断流出以满足随时保有设备蓄冷。闭式蓄冷罐需要同时具有自承压水能力，对材料的需求较高，建造难度也较大。在布水器设计不良时，罐中的冷温水混合现象十分突出，得不到稳定的斜温层，蓄冷效果较差。

数据中心一般使用离心式冷水机组，当冷却压力降低至一定水平后，制冷机会产生喘振现象，并严重损害压缩机的导叶。配备蓄冷罐后进行储冷，储冷结束后冷机停止工作，通过蓄冷罐进行供冷，可以减少冷水机组的使用时间，提升设备工作效能。由于水蓄冷中央空调系统具备削峰填谷的特点，因此该中央空调系统也可以按照此方式实现节能。中央空调系统内设有一用一备的蓄冷罐，夜间将通过后备冷却泵所输送的冷量保存在蓄冷罐内，白天则通过蓄冷罐储存的冷量实现放冷。在后期负载增加时，利用蓄冷罐可以完成部分时段的供冷。合理利用后备冷水机组和后备蓄冷系统，从而减少电能的消耗。

对某大型数据中心案例加以分析，将其冷源设置为三用一备，离心式冷水机组的满载电流为4 500 A，设计供回水温度为10 ℃/16 ℃，在夜间低谷电价时期开启备用制冷机制备的6 ℃冷水贮存于蓄冷罐中，在白天的供电尖峰期将蓄冷水和冷水回水混合形成的10 ℃冷水供应至末端中央空调装置。结果表明，实行中央蓄冷系统夜间蓄冷、白天放冷的策略能够减少中央空调系统的运营电费。

数据中心蓄冷量的最大值为一个空调设备满负荷工作20 min的冷量，假设其前期工作中的工作负荷只有设备负荷的10%～20%，则一个蓄冷罐能够保障体系200 min的工作供冷。而对于双路供水系统和备份蓄冷罐设计的中央空调机组，蓄冷罐的设计容量将能够保持数据中心的7 h供冷，从而缩短了白天制冷机在部分温度下的工作时间，确保冷水机组一直工作在有效冷却范围内。若选择较低温时蓄冷，则增加了蓄冷温差，其应用效果更加突出。

3 结 论

在数据中心运营第一阶段，由于机房的负载工作很少，此时便可暂停冷水机组的运行，并通过蓄冷罐对末端空调系统进行供冷，减少了冷水机组的部分负载工作，提升了冷水机组的工作效能。合理利用空闲的冷水机组和应急蓄冷系统，缩短白天制冷机的工作时段，能够明显减少中央空调设备的运营支出，同时提升了能源使用效率。