水蓄冷在珠三角地区数据中心应用的节能潜力分析

董梓骏,黄 俊,邵双全,杨明洪,王 博

(华中科技大学 能源与动力工程学院,湖北 武汉 430074)

0 引 言

近年来,数字化技术不断普及,作为数字化时代“新基建”的数据中心,将成为中国在全球价值链中向上发展的核心[1-3]。2021年5月24日,国家首次提出“东数西算”工程,在粤港澳大湾区等8地启动建设国家算力枢纽节点,并规划了10个国家数据中心集群。随着数据中心规模的不断扩大,其能耗与运行成本也在不断攀升[4-6]。据统计,截至2020年,全球大规模数据中心的数量已达到540多个,还有数百个正处于开发之中[7],其中中国占比10%,位居全球第二,数据中心年用电量已突破2 000 亿kW·h, 占全社会用电量的2.71%[8]。数据中心的主要用电设备包括IT设备、冷却设备以及供电和配电设备[9],其中冷却设备耗能占数据中心总能耗的30%～40%[10-11]。同时,数据中心设备的紧凑化,机架功率密度的增加,对制冷空调提出了更高的要求[12-14]。因此,探求高能效比(coefficient of performance,COP)、低电源使用效率(power usage effectiveness,PUE)的制冷方式已成为“双碳”目标下建设绿色数据中心的重要途径[15-18]。

蓄冷系统与分时电价政策相结合,利用电力需求低谷、低电价时段进行蓄冷,在电力需求高峰、高电价时段释冷供应空调系统需求,可有效均衡城市电网负荷,起到“削峰填谷”的作用。水的比热大、相变潜热大,在显热蓄冷和相变蓄冷中都是优良的天然环保工质,在蓄冷系统中得到了广泛的应用。水蓄冷制冷系统由制冷机组、蓄冷槽、蓄冷水泵和板式换热器组成。蓄冷槽是水蓄冷系统的关键设备,主要分为自然分层式蓄冷、复合蓄冷槽蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷。温嘉权等以夏热冬暖地区某机场航站楼为例,对比研究了水蓄冷、冰蓄冷和普通常规空调的经济效益与可行性,得出水蓄冷系统节省运行费用效果显著[19]。任万辉等以临沂和谐广场项目为例,介绍水蓄冷空调应用于商业综合体的设计方法和运行策略,得出水蓄冷系统可以有效缓解电网压力,调荷节电效果显著[20]。罗苗苗等以北京市某数据中心水蓄冷系统为例,介绍了数据中心利用蓄冷罐实现负荷削峰填谷,并分析了水蓄冷系统节电、节水等应用效果[21]。

对于数据中心冷却系统,其要求冷冻水供水温度较高,无论是同需要较低冷冻水温度的公共建筑相比,还是同静态冰(如冰盘管、冰球等)、流态冰(如冰浆等)蓄冷技术相比,水蓄冷技术都与其有着更高的匹配度[22-23]。目前针对于南方沿海地区数据中心水蓄冷系统的分析较少。因此,本文以珠三角地区数据中心的水蓄冷系统为例,建立数据中心采用水蓄冷技术的系统模型,优化了运行控制方案,分析水蓄冷空调系统节电、降耗的应用效果。

1 系统架构与模型

1.1 制冷系统原理

珠三角地区数据中心传统制冷系统采用制冷机组、水泵和冷却塔全并联、互为备用的形式。制冷机组制取冷冻水,冷冻水泵将冷冻水送往机房空调,通过板式换热器为室内末端输送冷量。上述制冷机组可满足数据中心全年的供冷负荷需求,为用户侧提供的冷冻水温度维持在16～22 ℃。

图1给出了在传统制冷系统上增加了水蓄冷部分的蓄冷系统原理图,可运行于以下模式:

1) 冷机单独供冷:冷机1开启,冷机2关闭。 V2、V3打开,其余阀门关闭。制冷系统正常运行。

2) 单独释冷供冷:冷机1、冷机2关闭。V1、V6、V7打开,其余阀门关闭。蓄水罐里的冷水在释冷水泵的驱动下依次经过V6进入室内末端,在机房空调供冷后,依次通过V7、V1回到蓄水罐。

3) 边蓄边供:冷机1、冷机2开启。V6、V7关闭,其余阀门打开。冷机1制取的冷水经过冷冻水泵进入室内末端,在机房空调供冷,高温水经过V3回到冷机1,冷机2制取的冷水通过蓄冷水泵向蓄水罐蓄冷,高温水经过V1、V5回到冷机2。

4) 直蓄直供:当室外温度较低时,冷机1、冷机2关闭,冷却水直接通过水水换热器降低冷冻水温度以供冷和蓄冷。

以上4种运行模式能够保证室内末端负荷需求,并可优化控制使得系统高效运行。

图 1 水蓄冷系统示意图Fig.1 Water cold storage system diagram

1.2 制冷机组模型

评价冷源制冷效率的性能指标是制冷系数COP,是指单位功耗所能获得的冷量。建立冷水机组数学模型是关于冷却水进出口温度、冷冻水进出口温度、制冷系数COP等变量之间的函数关系。COP通常用负荷率、冷却水进水温度和冷冻水出水温度的二次方程形式描述,如式(1)[24]所示:

(1)

式中:R是负荷率;Tc是冷却水进水温度,℃;Te是冷冻水出水温度,℃。

将相应的工况数据代入式(1)后,算得a1,a2,…,a10,结果见表1。

表 1 计算参数

比较上述仿真结果与机组原来的COP,结果如图2所示。

图 2 仿真结果Fig.2 Simulation result

从图2可以看出:仿真结果与机组COP有较好的吻合性。说明所得系数正确,可以用来计算机组在不同工况下的COP,从而根据能耗与COP之间的关系式计算某时刻的能耗。

1.3 冷却塔模型

在风机作用下,温度比较低的空气与填料中的水进行热交换,从而达到降低水温的目的。利用室外干燥空气近似可逆地制备冷水,出水极限温度为室外空气湿球温度或露点温度。

对于水冷型制冷机组,冷凝侧依靠在管道内循环的水带走冷凝器内冷媒的热量,水把冷凝器内热量带走后,在水泵的作用下循环进入到冷却塔,通过水在冷却塔内的流动再把热量传递给通过冷却塔的空气,然后再次进冷机冷凝器吸收热量。根据该原理建立冷却塔的模型。冷却塔出水温度公式[25]为

Tc=To-ηtower·{To-[Ts-ηl·(Ts-Td)]}

(2)

式中:Tc是冷却塔出水温度,即冷却水入口温度,℃;To是室外干球温度,℃;ηtower是蒸发冷却制备冷水装置中直接蒸发冷却模块的水侧效率,根据经验取0.9;Ts是室外湿球温度,℃;ηl是采用新风预冷的显热换热装置以室外露点温度为冷风极限温度的风侧效率;Td是室外露点温度,℃。

需要说明的是,在后续的计算过程中是以直接蒸发的冷却塔进行的分析。

2 水蓄冷系统性能分析

2.1 珠三角地区气象条件

珠三角地区全年气象参数如图3所示。据统计,全年气温较高,其中湿球温度小于14 ℃小时数仅占比33.54%,且基本集中在冬季。因此,全年66.46%的时间都需要开启冷机制冷,冷机功耗极大。

为了保证冷机的正常运行,当室外湿球温度低于14 ℃时,关闭冷机,直接用冷却水给冷冻水降温。

图 3 韶关地区全年气象参数统计图Fig.3 Statistical map of annual meteorological parameters in Shaoguan

2.2 计算方法

韶关地区的分时电价情况见表2,数据中心制冷系统的主要设备性能情况见表3。以7月1日13:00能耗计算为例:确定系统运行工况(制冷或蓄冷)以及室外温度和负荷,依次计算冷却水侧温度、制冷机组COP、制冷机组能耗、制冷机组耗电量。

表 2 分时电价

表 3 数据中心制冷系统主要设备性能

根据分时电价政策,该蓄冷系统在0:00—9:00采用模式C(边蓄边供),在9:00—10:00采用模式A(冷机单独供冷),在10:00—19:00采用模式B(单独释冷供冷),在19:00—24:00采用模式A(冷机单独供冷),在室外温度较低时采用模式D(直蓄直供)。

2.3 典型日能耗分析

2.3.1 夏季典型日

1) 外温情况。7月29日各时刻温度与冷机COP如图4所示。该日全天气温高,冷却水温度高,因此需要始终开启冷机制冷蓄冷。

图 4 温度负荷分析Fig.4 Temperature and load analysis

2) 能耗分析。原系统和蓄冷系统能耗对比图如图5所示。从图5的分析对比可得,使用蓄冷系统后,全天总能耗由26.13 MW·h减少为26.12 MW·h,总计减少0.06%。

图 5 能耗分析Fig.5 Energy consumption analysis

3) 经济性分析。当日的经济性对比如图6所示。由原系统和蓄冷系统电费的分析对比可得,使用蓄冷系统后,全天电费由1.24万元减少为0.87万元,总计减少30.27%。这天,采用蓄冷系统不仅减少了能耗,而且节约了电费。

图 6 经济性分析Fig.6 Economic analysis

2.3.2 春秋季典型日

1) 外温情况。3月15日各时刻温度与冷机COP如图7所示。

图 7 温度负荷分析Fig.7 Temperature and load analysis

该日晚上气温低,白天气温高,因此晚上直接利用冷却水制冷蓄冷,白天开启冷机制冷。

2) 能耗分析。原系统和蓄冷系统能耗对比结果如图8所示。由原系统和蓄冷系统的能耗分析对比可得,使用蓄冷系统后,全天总能耗由19.73 MW·h减少为17.12 MW·h,总计减少13.23%。

图 8 能耗分析Fig.8 Energy consumption analysis

3) 经济性分析。当日的经济性对比如图9所示。由原系统和蓄冷系统电费的分析对比可得,使用蓄冷系统后,全天电费由0.96万元减少为0.65万元,总计减少32.67%。在该日,采用蓄冷系统不仅减少了能耗,而且节约了电费。

图 9 经济性分析Fig.9 Economic analysis

2.3.3 冬季典型日

1) 外温情况。1月20日各时刻温度与冷机COP如图10所示。

图 10 温度负荷分析Fig.10 Temperature and load analysis

该日全天气温低,因此可以始终直接利用冷却水制冷蓄冷,不需要开启冷机。

2) 能耗分析。原系统和蓄冷系统能耗对比结果如图11所示。由原系统和蓄冷系统的能耗分析对比可得,使用蓄冷系统后,全天总能耗由14.00 MW·h增加为14.32 MW·h,总计增加2.29%。

图 11 能耗分析Fig.11 Energy consumption analysis

3) 经济性分析。当日的经济性对比如图12所示。由原系统和蓄冷系统电费的分析对比可得,使用蓄冷系统后,全天电费由0.63万元减少为0.52万元,总计减少17.03%。采用蓄冷系统会增大能耗,故可不采用蓄冷方案。

图 12 经济性分析Fig.12 Economic analysis

2.4 月度能耗分析

原系统和蓄冷系统能耗对比如图13(a)所示。由原系统和蓄冷系统的能耗分析对比可得,使用蓄冷系统后,本月总能耗由782.05 MW·h增加为783.02 MW·h,总计增加0.12%。

该月的经济性对比如图13(b)所示。由原系统和蓄冷系统电费的分析对比可得,使用蓄冷系统后,本月电费由37.07万元减少为26.06万元,总计减少29.69%。本月采用蓄冷系统虽然没有减少能耗,但是节约了电费。

(b) 经济性分析

2.5 全年运行分析

2.5.1 能耗分析

评价数据中心能源效率的性能指标是PUE(power usage effectiveness),是指数据中心总能耗与IT设备能耗的比值。评价数据中心冷却系统效率的性能指标是GCOP(general coefficient of performance),该系数在制冷机组性能系数COP的基础上结合了数据中心冷却系统其他设备能耗,是指数据中心总能耗和冷却系统能耗的差值与冷却系统能耗的比值。

图14(a)和(b)分别给出了全年原系统和蓄冷系统的能耗构成。

(a) 原系统

(b) 蓄冷系统

从图14可以看出:使用蓄冷系统后,全年总能耗由7 645.00 MW·h下降为7 513.23 MW·h,下降了1.72%,PUE和GCOP分别可以达到1.23和5.83,具有良好的节能效果和绿色前景。

2.5.2 经济性分析

根据该数据中心的全年供冷需求,对原系统和水蓄冷系统的全年运行情况进行了分析,如图15所示。原系统全年制冷耗电为354.01万元,而改造后的水蓄冷系统供冷耗电仅为262.75万元,电费降低了91.26万元(合25.78%)。以上分析均说明通过水蓄冷系统的改造,可以达到较好的“削峰填谷”的效果,将白天电力高峰时段及平时段的负荷转移到夜间电力低谷时段,一是夜间温度较白天低,制冷机组运行效率有所提高,二是夜间的低谷电价可实现运行费用的大幅度降低。

图 15 全年经济性分析Fig.15 Annual economic analysis

3 结 论

1) 由于该数据中心具有足够大的空间,满足水蓄冷需要的条件,而且所需供冷温度为16 ℃,与水蓄冷供冷温度较为匹配,因此采用水蓄冷系统在夜间低温时段蓄冷能够保证制冷机组高效率运行。

2) 基于数据中心全天连续供冷且负荷比较稳定的特征,采用蓄冷系统,需要增加蓄冷机组等设备,初投资会有所增加;但是通过用户侧储能,将白天电力高峰时段及平时段的冷负荷向夜间低谷时段转移,可有效提升“削峰填谷”的效果,利用峰谷电价差以降低运行费用的效果显著,全年运行费用较原系统相比可降低25.78%。

3) 从夏季、冬季、过渡季典型日以及典型月、全年的逐时运行情况来看,水蓄冷系统可较好地保证各个时段的用冷需求,且白天的电力消费大部分都转移到夜间,实现了良好的节电效果。

4) 粤港澳大湾区昼夜温差小,利用夜间低温进行高效制冷或延长自然冷却时间虽具有一定的节能效果,但是由于增加了蓄冷/释冷水泵的能耗,节能效果不明显,全年仅可降低1.72%,甚至在夏季会增加能耗,因此需要进一步优化系统配置。