数据中心运行会消耗大量电能。以北京电信2020年运营数据为例,电费支出占网络运营总支出的比例超过40%,成为网络运营第一成本。降低电费已成为企业降本增效、实现高质量发展的重要途径。据统计,空调耗电量约占全网生产性耗电量的30%以上,因此,减少空调耗电量很重要。

2021年4月北京发布的《北京市数据中心统筹发展实施方案(2021—2023年)》提出“以绿色化、智能化、集约化的模式推进北京市数据中心统筹发展”,并明确提出改造后的计算型云数据中心PUE(数据中心消耗的所有能源与IT设备消耗的能源的比值)≤1.3的要求。可见,随着我国能源政策收紧及北京地区对数据中心建设、运营的政策限制,提高能源使用效率已成为北京地区数据中心运营企业可持续发展的必然要求。

1、实例数据中心概况

实例数据中心位于北京市市区内,地上5层、地下3层,总建筑面积8.5万㎡,建筑外形见图1。该数据中心规划安装5~7kW机柜1.2万个,2015年投产时为当时亚洲单体规模最大的数据中心。项目采用建筑土建一次性完工、内部分期建设的方式,其中一期已于2015年下半年运行。空调机房位于地下3层,采用集中式冷水机组+房间级空调末端的供冷架构,终期规划9台单机制冷量6300kW(1800rt)的高压离心式冷水机组,具备冬季使用板式换热器和冷却塔实现自然冷却功能。其中一期已投入运行3台机组,按照两用一备配置。

目前一期机房已投入IT设备总负荷为3150kW,围护结构冷负荷为350kW,合计3500kW。根据运行结果测算,当前机房年均PUE为1.4。根据北京市相关政策,迫切需要通过节能改造使PUE降至1.3以下。

2、改造技术方案

2.1 设计思路

该数据中心制冷系统中冷水主机用能占制冷总能耗的45%以上,因此降低主机能耗是实现节能目标的关键。众所周知,制冷最经济的方式就是充分利用外界自然冷源直接降温,尽可能地缩短机械制冷时间。

对于已运营的数据中心,其改造技术方案应对建筑空间和设备布置要求较低,对现有IT设备平稳运行影响最小,最好与原有水系统可直接匹配,能继续利用现有管网和末端设备。考虑到北京地处华北,属于中等湿度地区,且该数据中心楼顶室外平台有较为充裕的空间,因此较适宜采用间接蒸发冷却技术。通过综合技术分析论证,最终确定采用新增间接蒸发冷却冷水机组的技术措施,对一期机房实施节能改造。

2.2 设备选型

节能改造采用的设备为间接蒸发冷却冷水机组(以下简称蒸发冷水机组),其技术原理如图1所示。蒸发冷水机组是一种采用立管式间接蒸发冷却器为核心换热器的冷却设备,机组主要包括间接蒸发冷却和直接蒸发冷却2个功能段。

图2 蒸发冷水机组原理图

图1 蒸发冷水机组原理图

图2为机组热湿处理过程的焓湿图,G状态点的机组供水全部被输送至板式换热器吸收机房侧水系统热量后,成为H状态点后返回到淋水填料顶端进行喷淋,降温后的G状态点的机组供水再次被送至板式换热器吸收机房侧水系统热量,成为H状态点的机组回水,如此循环。外界环境空气一部分经过立管式间接蒸发冷却器的一次换热通道,从状态点O等湿预冷至状态点C;另一部分则经过立管式间接蒸发冷却器的二次换热通道,从状态点O增焓加湿至状态点P,最后排放到大气环境中。预冷后的空气从底部进入淋水填料换热器内与机组回水接触,发生近似直接蒸发冷却的热湿交换,从状态点C增焓加湿至状态点E,最后被排风机从机组顶部排入大气环境中。在使用时,优先开启直接蒸发冷却段提供冷量,当室外湿球温度过高、冷量无法满足机房制冷需求时,自动开启间接蒸发冷却段,各功能段通过变频控制达到机房制冷需求。

图3 蒸发冷水机组热湿处理过程焓湿图

图2 蒸发冷水机组热湿处理过程焓湿图

2.3 改造方案

在楼顶平台增设10台单台制冷量400kW的蒸发冷水机组接入原冷却水系统,改造示意图见图3,增设供水管和回水管,通过三通实现与原冷却水供回水管路互通。供回水管路间并联布置10台蒸发冷水机组(九用一备)。新增设备的控制系统在原有群控系统上开发,每台均单独设置电动阀控制启停,可实现远程自动监测和控制。该方案最大限度保持原系统架构,原冷却塔可作为备份使用,安全性得到充分保障。由于机组采用模块化设计,可实现工厂预制、现场拼接,施工周期可缩短3个月。

图4 节能改造示意图

图3 节能改造示意图

3、运行方案

3.1 运行策略

改造前,机房空调系统在春夏秋3个季节的绝大部分时间里采用机械制冷模式,制取13℃的冷水,18℃的回水经机械制冷降至13℃。当冬季室外湿球温度低于8℃时,系统切换至自然冷却模式,通过冷却塔和板式换热器实现自然冷却。

改造后,由蒸发冷水机组代替原有冷却塔,通过控制系统实现在全年不同工况下缩短机械制冷机组运行时长和降低机组功耗,实现蒸发冷水机组节能运行。根据室外湿球温度由低到高,系统可实现完全自然冷却、自然冷却复合机械制冷和机械制冷3种节能运行模式。

3.2 完全自然冷却模式

在秋冬春季节里,当室外湿球温度低于14℃时,系统运行完全自然冷却模式,即关闭1台机械制冷机组及其对应的1台冷却塔,改由蒸发冷水机组联合板式换热器为机房提供13 ℃/18 ℃的冷水。

在此运行模式下,机械制冷机组完全被蒸发冷水机组所代替,由于制冷过程中无压缩机做功,所以能效比更高。由于完全自然冷却的运行条件由室外湿球温度低于8℃提高到低于14℃,使其运行时间得以大幅延长,系统节能优势明显。

3.3 自然冷却+机械制冷复合模式

在春秋过渡季节里,当室外湿球温度为14~18℃时,将系统切换至自然冷却+机械制冷复合工作模式,机械制冷主机开启,机房冷水回水在板式换热器内经蒸发冷水机组制取的冷水降温后,进入机械制冷机组蒸发器进行再次降温,降至13℃后供冷。蒸发冷水机组冷水经板式换热器升温后进入机械制冷机组冷凝器,吸热升温后流回蒸发冷水机组。

当采用自然冷却+机械制冷复合模式时,蒸发冷水机组产出的冷水经板式换热器对供冷回水进行预冷,降低冷水温度。在此运行模式下,冷水的部分冷量由蒸发冷水机组所承担,压缩机的运行功耗大幅度降低,系统综合能效得以有效提升。

3.4 机械制冷模式

当夏季室外湿球温度高于18℃时,将系统切换至机械制冷模式,适当调整优化运行参数,使蒸发冷水机组承担常规冷却塔的角色。

完全采用机械制冷时,蒸发冷水机组作为更高效的冷却塔使用,制取温度比湿球温度低2~3℃的冷却水进入机械制冷机组冷凝器吸收热量,可明显降低机组冷凝温度,改善散热条件,使系统在机械制冷模式下仍能实现节能运行。

4、节能效果及投资收益

4.1 节能效果

常规开式冷却塔的出水温度理论上可达到环境湿球温度,但受限于换热时间和换热面积等因素,实际运行出水温度往往比湿球温度高3~5℃,即受冷却塔逼近度的影响。采用蒸发冷水机组替代原有冷却塔运行,通过两级蒸发过程,可实现比湿球温度低2~3℃的亚湿球出水温度,即蒸发冷水机组出水温度可较常规冷却塔出水温度低5~8℃,从而延长自然冷却时长约2500h。同时,当蒸发冷水机组与机械制冷复合运行时,更低的冷却水温度可提高压缩机能效比,从而实现系统全年节能运行。

根据2021年上半年运行实测能耗数据,参考北京2020年下半年温湿度,依据制定的运行方案预测下半年设备运行时间和用电情况,得到的全年能耗数据见表1。经估算,3种模式下全年共耗电约287万kW·h。

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改造前机械制冷系统运行能耗与改造后蒸发冷水机组和机械制冷运行能耗对比见表2。预估系统改造后年节电约323万kW·h(水泵和空调末端未进行改造,故其能耗水平可认为改造前后无变化)。按照当前该数据中心执行的北京市大工业用电平均电价0.74元/(kW·h)计算,折合节省电费240万元,制冷因子下降0.12,年均PUE 可降至1.28。

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4.2 投资收益

根据节能公司提供的数据,如采用投资方式,项目资金回收期约为3.4a。

该项目实际采用EMC(合同能源管理)的商务合作模式,即北京电信与节能公司以契约形式约定节能目标,节能公司为实现节能目标投入必要的资金、设备和服务,北京电信与节能公司共同对合同期内的节能收益进行分享。合同能源管理模式能充分借助专业公司的技术和资金优势,快速地开展节能改造,同时减少用能企业自身财务风险。

5、结语

北京电信在某数据中心增设间接蒸发冷却冷水机组替代原冷却塔,通过两级蒸发过程,可在春秋过渡季节增加免费制冷时长约2500h,同时在夏季还可以作为高效冷却塔使用,降低制冷主机冷凝温度,从而实现系统全年节能运行。根据当前运行实测数据及北京全年湿球温度,预计蒸发冷水系统年节电323万kW·h,节省空调系统运行电费约240万元,机房年均PUE降至1.28。

该节能改造项目为间接蒸发冷却技术在华北地区首次大规模应用,同时也是国内首个间接蒸发冷却技术复合机械制冷联合制冷案例,对于探索资源节约、环境友好的数据中心高效制冷技术和实现企业降本增效、助力国家实现“双碳”目标具有积极示范作用。

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