贵阳某数据中心多种空调形式的应用分析

王晨平 魏俊旗 吴 玲 王克勇 陈 璐

(中通服咨询设计研究院有限公司,南京)

0 引言

近年来我国数据中心电能消耗量以每年10%以上的增速递增,数据中心能耗居高不下。据统计,目前我国现有数据中心年用电量高达2 000亿kW·h,预计2030年将突破4 000亿kW·h,占全国总用量的3.7%[1]。2020年我国在第七十五届联合国大会上提出了中国碳达峰目标与碳中和愿景,在“双碳”背景下,数据中心节能减排势在必行。数据中心全年持续制冷,空调设备能耗占数据中心非IT设备能耗的80%以上[2]。为了适应日趋严格的能源政策,新兴空调技术和节能设备层出不穷。本文以贵阳某数据中心为研究载体,对多种空调形式的应用特性进行了分析、探讨,为全国数据中心空调系统的选择应用提供参考。

1 工程概况

该数据中心位于贵州省贵阳市,地上4层,局部地下1层,为多层建筑,采用现浇钢筋混凝土框架结构。建筑面积共22 060 m2,其中,地上建筑面积21 500 m2,地下建筑面积560 m2。地下功能房为水泵房和水池,地上功能房为数据机房、空调机房、高低压配电室、电力电池室及配套用房等。建筑设计重点考虑了工艺方案的兼容性、灵活性、可持续性及良好的利用率,平面布置采用模块化设计,适用于多种空调方案。单机架功率密度为5 kW,机房建设等级按照GB 50174—2017《数据中心设计规范》[3]中的A级机房标准进行设计。

2 气候和资源条件

贵阳市海拔在1 100 m左右,常年受西风带控制,属于亚热带湿润温和型气候,年平均气温为15.3 ℃,年极端最高温度为35.1 ℃,年极端最低温度为-7.3 ℃,年平均相对湿度为77%。贵阳市夏无酷暑,夏季平均温度为23.2 ℃,最高温度平均在25.0～28.0 ℃之间,全年最高温度高于30.0 ℃的天数少;冬无严寒,1月上旬最冷,平均气温为4.6 ℃。全年干、湿球温度分布统计见表1、2。

表1 贵阳市全年各级干球温度分布统计

表2 贵阳市全年各级湿球温度分布统计

由表1、2可以看出,贵阳市全年干球温度低于20 ℃的总时长为5 833 h,占比为66.6%;全年湿球温度低于15 ℃的总时长为4 922 h,占比为56.2%。可见,贵阳地区室外自然冷源极其丰富,是一个天然的“大空调”。

贵阳市境内无大江大河,全市为岩溶地貌,水资源开发利用难度大、成本高,城市主要供水水源为水库蓄水,属于工程性、资源性和水质性缺水城市。贵州是电力大省,其煤炭储量居全国第5,素有“西南煤海”之称,且其水能丰富,为贵阳市提供了丰富的电力资源。

3 空调方案

数据中心空调系统能耗占比大,空调系统方案应结合当地气候和能源特点,从系统比选分析、自然冷源利用、设备配置选型、气流组织优化等多方面降低空调系统能耗。目前,数据中心主流的制冷技术应用为：1) 集中水冷式冷水系统;2) 间接蒸发冷却系统;3) 磁悬浮蒸发相变冷却系统。下文将从机柜出架数量、节能性、经济指标等多维度进行对比分析,为该项目空调系统的选择提供依据。

3.1 水冷式冷水系统

大型水冷式冷水系统目前广泛利用水侧自然冷却技术,即冷水机组+板式换热器+冷却塔联合供冷[4]。但常规水冷式冷水系统受技术限制,难以将数据中心能效等级维持在2级及以下水平[5]。为了将水冷式冷水系统做到极致节能,将常规离心式冷水机组改为磁悬浮离心式冷水机组,冷水机组全年综合能耗可降低35%以上[6]。此外,降低冷却塔逼近度,一方面可以降低冷却水出水温度,提高冷水机组效率;另一方面可以延长自然冷源利用时长,降低能耗。因此在常规冷却塔进风端设置间接蒸发冷却段,即间接蒸发冷却塔,由于进入淋水填料的室外空气是经过间接蒸发冷却预冷后的空气,其出水温度接近于或等于室外湿球温度,可以大幅度延长自然冷源的利用时间。水冷式冷水系统原理图见图1。

注：CV1、CV2为电动调节阀;V1～V10为电动开关阀。图1 水冷式冷水系统原理

根据工程要求及工艺规划条件,经计算,冷水主机配置6台(五用一备)单台制冷量为3 868 kW(1 100 rt)的高效磁悬浮离心式冷水主机,一一对应配置冷水循环泵、冷却水循环泵、间接蒸发冷却塔、板式换热器等设备。冷水供回水采用高温、大温差冷水技术,供/回水温度为17 ℃/23 ℃,进一步降低空调系统能耗[2]。空调末端采用冷水机房精密空调;气流组织采用无地板弥漫式送风形式,并对机柜热通道进行封闭;机房送/回风温度设置为23 ℃/36 ℃。相比其他形式,其初投资、安全性和节能性更优[7]。主要设备见表3。

表3 水冷式冷水系统主要设备

3.2 间接蒸发冷却系统

数据中心间接蒸发冷却技术的应用可分为水侧和空气侧,本方案主要探讨空气侧间接蒸发冷却技术。空气侧间接蒸发冷却基于间接蒸发冷却空调机组,实现直接蒸发冷却器和空气-空气换热器功能的复合。在间接蒸发冷却中,一次空气(室内空气)和二次空气(室外空气)交叉流动,在二次空气侧通过湿表面水分的蒸发,降低空气的干球温度,然后通过壁面导热来冷却间壁另一侧的一次空气,降温后的一次空气送入机房内带走热量[8]。如图2所示,间接蒸发冷却机组由室外风机、室内风机、换热芯体、集水盘、喷淋装置、补冷装置等组成。

根据工程要求及工艺规划条件,该方案1～3层间接蒸发冷却空调机组布置在机房外围空调区域,4层间接蒸发冷却空调机组布置在屋面。机房模块化设计,经计算,1～3层单个机房配置5台(四用一备)单台制冷量为240 kW的间接蒸发冷却空调机组;4层单个机房配置6台(五用一备)单台制冷量为240 kW的间接蒸发冷却空调机组。气流组织形式采用封闭热通道、弥漫式送风方式,机房送/回风温度设置为23 ℃/36 ℃。主要设备见表4。

图2 间接蒸发冷却机组原理

表4 间接蒸发冷却系统主要设备

3.3 磁悬浮蒸发相变冷却系统

磁悬浮蒸发相变冷却空调是一种新兴的数据中心冷却技术,由磁悬浮、热管及蒸发冷却三大模块组成,创造性地集成了热管相变技术、磁悬浮技术、蒸发冷却技术及氟泵技术,是目前氟利昂系统中节能性较优的一种形式。磁悬浮蒸发相变冷却系统原理见图3。

根据工程要求及工艺规划条件,机组采用1台室外机拖多台室内机的模式,室外机均布置在屋面,室外机由蒸发冷凝器和泵柜组成,泵柜主要包含气泵和液泵。机房模块化设计,经计算,单个机房配置4台(三用一备)单台制冷量为450 kW的磁悬浮蒸发相变冷却空调,1台室外机拖3台室内机。空调末端采用热管机房精密空调;气流组织采用无地板弥漫式送风形式,并对机柜热通道进行封闭;机房送/回风温度设置为23 ℃/36 ℃。主要设备见表5。

图3 磁悬浮蒸发相变冷却系统原理

表5 磁悬浮蒸发相变冷却系统主要设备

4 综合分析

4.1 机柜出架数量

根据工程现状、各方案工艺要求及条件进行机柜布置,机柜统计分析见表6。

表6 各方案机柜出架数量分析

由表6可知,磁悬浮蒸发相变冷却方案的机柜出架数量最多,单机柜占地面积和单位功耗占地面积最小,而间接蒸发冷却方案的机柜出架数量最少。这是因为磁悬浮蒸发相变冷却空调主机均布置在屋面,数据中心1层无需预留集中制冷机房,相较于水冷式冷水方案可节省面积1 385 m2,用于增加2个模块化数据机房。间接蒸发冷却空调机组布置在各模块机房对应的空调间,1层亦无需设置集中制冷机房。经调研,200～260 kW冷量段的间接蒸发冷却空调设备尺寸为6.5 m×3.0 m×4.6 m(长×宽×高),而热管房间空调设备宽度仅为1.0 m。图4为模块化机房平面对比图。由图4a可以看出,间接蒸发冷却空调设备间应满足竖向排风井、设备布置、设备前后接管及维护的空间,再加上混风静压箱,单个模块机房对应空调配套区域宽度为12.10 m,面积为388.41 m2。由图4b可以看出,热管房间空调设备配套区域宽度仅需3.80 m,面积为121.98 m2,单个机房节省面积266.43 m2,整栋机楼1～3层可节省面积共2 930.73 m2,以用于增加机柜产出。

图4 模块化机房平面对比图

4.2 节能性

4.2.1水冷式冷水系统

在冷水供回水温度一定的情况下,空调系统运行模式切换的湿球温度主要与冷却塔逼近度和板式换热器温差有关。所选间接蒸发冷却塔的逼近度为1.0 ℃,板式换热器的温差为1.5 ℃,根据室外湿球温度条件,全年分为3种运行模式：1) 当室外湿球温度tW>20.5 ℃时,无法利用自然冷源,系统切换为机械制冷模式,完全依靠冷水机组机械压缩供冷;2) 当14.5 ℃

表7 水冷式冷水空调系统全年运行统计

4.2.2间接蒸发冷却系统

根据机房与环境温度变化、室外参数条件,间接蒸发冷却空调机组设计了3种灵活运行模式：1) 当室外干球温度tD≤16 ℃时,启用干工况模式,二次侧空气(室外)和一次侧空气(室内)通过换热芯体直接进行换热,即可满足数据机房送风要求;2) 当tD>16 ℃及tW≤20 ℃时,启用湿工况模式,开启喷淋,二次空气与喷淋水进行热湿交换,温度下降后通过换热芯体与一次空气进行等湿冷却;3) 当tW>20 ℃时,以上2种工况均无法满足机房送风要求,则需开启压缩机进行补冷。空调系统全年运行工况、时长、耗电量和耗水量统计见表8。

表8 间接蒸发冷却空调系统全年运行统计

4.2.3磁悬浮蒸发相变冷却系统

根据机房与环境温度变化、室外参数条件,磁悬浮蒸发相变冷却系统主要有2种运行模式：1) 当室外湿球温度tW≥11 ℃时,启用混合模式,开启气泵;2) 当tW<11 ℃时,启用液泵模式,气泵关闭,通过液泵输送制冷剂。空调系统全年运行工况、时长、耗电量和耗水量统计见表9。

4.2.4指标分析

表9 磁悬浮蒸发相变冷却空调系统全年运行统计

对于数据中心空调系统来说,节能性主要体现在节电和节水2个方面。空调系统耗电指标可以用制冷负载因子(CLF)进行表征,即数据中心制冷设备耗电量与IT设备耗电量的比值;数据中心耗水指标可以用水资源利用效率(WUE)进行表征,即数据中心设备耗水量与IT设备耗电量的比值[9]。经计算,除空调设备耗水量外,该数据中心生活、办公、绿化等设备全年耗水量为24 849.2 m3。图5显示了各方案的CLF、WUE指标。由图5可知,间接蒸发冷却方案的CLF和WUE指标均为最低,该方案节能和节水量最多,节能性最佳;磁悬浮蒸发相变冷却方案的CLF指标虽低于水冷式冷水系统,但其WUE指标最高,耗水量最大。

图5 各方案CLF、WUE指标分析

4.3 经济评价

不同空调形式不仅空调工程投资差异较大,而且相对应的配电工程投资也存在一定差异,因此建设投资的对比不能仅考虑空调工程本身。项目机电配套工程包含高低压配电工程、柴油发电机组工程、不间断电源工程、空调工程、机柜配套工程、动环监控系统工程、机房装修工程。各方案机电配套工程造价指标统计见表10。由表10可知,间接蒸发冷却方案机电配套工程造价最低,这是因为间接蒸发冷却方案的机架数量最少,IT负荷最低;但折算到单位功耗造价却是最高的,这意味着相同IT负荷条件下间接蒸发冷却方案需要投入更多的建设资金。

表10 各方案机电配套工程造价指标统计

该项目运营期耗费最大的是电费,约占总运营费用的75%,收入主要考虑机柜的出租费用。因此,各方案的用电量、机柜出架数量也是经济评价的重要因素,需要通过全寿命周期的经济分析才能评判各方案的优劣。该项目设定测算期为11年,其中第1年为机电工程建设期,第2～11年为运营期。数据中心运营期前2年机柜上架率分别为40%、80%,此后为100%。运营成本主要包含电费、水费、人工工资、管理费和维护修理费等;主要收入为机柜出租费用。各方案年累计利润统计见图6。

图6 各方案年累计利润统计

由图6可知,磁悬浮蒸发相变冷却方案前期支出最多,但在第7年即可产生盈利且增幅最快,而另外2个方案在第8年才能盈利。这是因为磁悬浮蒸发相变冷却方案虽然建设投资最多,但是单位功耗造价相对较低;且该方案CLF值较低,年运行成本低。磁悬浮蒸发相变冷却方案的机柜出架数量高达3 150架,100%上架投入运营后,相较前2个方案每年收入分别多2 100万元和3 300万元,每年盈利分别多1 427万元和1 746万元。

5 结论

1) 贵阳地区室外自然冷源极其丰富,是一个天然“大空调”,该地区可以适应数据中心主流的制冷技术,其自然冷源利用率高达80%以上。

2) 在相同的建筑现状和工艺要求条件下,磁悬浮蒸发相变冷却空调方案能够极致地利用屋面空间,节省室内空调设备的占用空间,大幅度提高机柜产出率,降低单机柜和单功耗占地面积。虽然建设投资高,但是高产出率能够给项目带来高收益回报,是投资方优先考虑的建设方案。该空调系统耗电较常规水冷式冷水系统降低22%以上,但其水资源消耗大,对于中等缺水城市的贵阳来说选择该系统时应慎重考虑能源技术评价因素。

3) 间接蒸发冷却空调方案的节能性最优,全年平均CLF和WUE值分别低至0.12和0.778 L/(kW·h),数据中心电能比可达到1级能效,利于建设方申请电能指标和通过能评。但是该方案机柜产出率最低,单位功耗造价高,利润率低,对投资方收益极为不利。

4) 水冷式冷水空调方案作为数据中心最为成熟、应用最多的空调系统,目前单独使用已无法满足越来越严格的能效标准。但其低造价、高适配的特性为其与其他空调形式的叠加应用创造了条件。