沈意成

華為技術(shù)有限公司

0 引言

隨著5G 時代的來臨，ICT 行業(yè)技術(shù)和概念不斷推陳出新，以及云計算市場呈爆發(fā)式增長，不止互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，一些傳統(tǒng)行業(yè)，如保險、金融、制造行業(yè)，尤其是政企客戶開始嘗試上云業(yè)務(wù)，帶動了大量的公有云,私有云和混合云的快速發(fā)展，這也促使了我國數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也呈現(xiàn)出了爆發(fā)式增長。數(shù)據(jù)中心的能耗主要由信息設(shè)備能耗、空調(diào)系統(tǒng)能耗、電源系統(tǒng)能耗三部分構(gòu)成。其中信息設(shè)備能耗約占數(shù)據(jù)中心能耗的50%，空調(diào)系統(tǒng)能耗約占40%[1]。根據(jù)相關(guān)研究表明，數(shù)據(jù)中心的能耗仍然以每年15%～20%的速度快速增長。

在當(dāng)前能源形勢以及國家大力提倡節(jié)能減排的基本政策下，提高數(shù)據(jù)中心的能源利用率，特別是降低空調(diào)系統(tǒng)能耗對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能具有重大的意義。很多新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗領(lǐng)域，節(jié)能技術(shù)種類也比較多，整體投資也在可承受范圍內(nèi)，且節(jié)能效果明顯。目前數(shù)據(jù)中心節(jié)能措施主要有空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備側(cè)的節(jié)能，氣流組織優(yōu)化以及利用合理利用自然冷源等[2]。

空調(diào)設(shè)備側(cè)的節(jié)能措施包括使用能效比高的變頻冷機、水泵、風(fēng)機、空調(diào)末端等，以及采用溫濕度獨立控制和背板空調(diào)等新技術(shù)、新設(shè)備。氣流組織優(yōu)化措施目前在大中型數(shù)據(jù)中心主要是采用計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)對計算機房的風(fēng)場、壓力梯度、溫度場等進行模擬，排除機房局部熱點，優(yōu)化機柜和空調(diào)設(shè)備的布置，以及采用合理的送風(fēng)方式例如地板下送風(fēng)、冷熱通道封閉等避免冷熱空氣混合，減少不必要的冷量浪費。合理利用冷源指利用室外自然界的冷源（室外冷空氣、江河湖泊等地表水）將機房內(nèi)機柜的熱量帶走，從而減少空調(diào)設(shè)備的運行時間達到節(jié)能的目的。

1 免費制冷應(yīng)用分析

1.1 免費制冷介紹

免費制冷是指通過運用自然的冷空氣或水代替制冷機組等設(shè)備使數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)達到降溫的目的。在典型的壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)夏季工況中，冷凍水在機組內(nèi)部通過蒸發(fā)器和冷凝器把熱量傳遞給冷卻水，冷卻水通過冷卻塔把熱量排至大氣環(huán)境中。當(dāng)室外空氣的濕球溫度降低到一定的數(shù)值時，通過閥門切換冷凍水直接就可以和冷卻水在板式換熱器中進行熱交換，無需開啟電制冷冷水機組，從而滿足冷凍水的溫度要求，對機房進行降溫，設(shè)備布置詳見圖1：

圖1 免費制冷流程圖

1.2 項目情況簡介

某數(shù)據(jù)中心項目地處北方城市天津，建筑面積為23000 m2。機房樓空調(diào)系統(tǒng)采用電制冷冷水機組，4+1冗余。冷凍水采用15 ℃/21 ℃的二次泵系統(tǒng)，一次泵、二次泵、板式換熱器、冷卻塔與冷水機組一一對應(yīng)，且都是4+1 冗余設(shè)計。項目在設(shè)計階段即考慮了冬季免費制冷的在項目中的運用：當(dāng)室外大氣溫度達到一定要求時，冷機停止工作，經(jīng)過相關(guān)電動閥的切換，冷凍水和冷卻水進入板式換熱器，進行熱交換制備滿足溫度要求的冷凍水，送至機房達到制冷目的。暖通制冷設(shè)備配置情況如表1 所示：

表1 冷凍站暖通設(shè)備配置表

1.3 冷卻塔切換溫度確定

暖通系統(tǒng)在運行過程中，冷卻塔的免費制冷切換溫度與室外空氣的濕球溫度密切相關(guān)，冷卻水在理論上只能被冷卻到室外濕球溫度，圖2 為天津全年室外干球空氣溫度：

圖2 天津全年室外干球溫度

開式冷卻塔設(shè)置板式換熱器時，可考慮1 ℃～2 ℃的換熱溫差[2]。本項目供回水溫度為15 ℃/21 ℃，考慮換熱溫差1.5 ℃的情況下冷卻水進入板換的溫度低于13.5 ℃時，即可開啟全面制冷模式。在實際情況下，冷卻塔出口冷卻水溫度一般比室外空氣的濕球溫度高3 ℃～5 ℃[3]，取經(jīng)驗值4 ℃后可得冷卻塔室外空氣的濕球溫度的切換溫度為9.5 ℃。圖3 為天津全年室外濕球溫度：

圖3 天津全年室外濕球溫度

根據(jù)上文確定的冷卻塔切換溫度以及天津全年室外濕球溫度，可以得知天津全年可以開啟免費制冷的小時數(shù)為4868 h。

但是如果某月中雖然通過計算可以有一定的免費制冷開啟時間，但是室外濕球溫度波動較大，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)切換頻繁，這樣對整個系統(tǒng)的運行是不利的，設(shè)備頻繁啟停導(dǎo)致運行壽命減短或者制冷系統(tǒng)不穩(wěn)定，也會給數(shù)據(jù)中心造成嚴(yán)重后果，所以這部分時間必須要剔除在外。由于在五月至九月這幾個月份中，能夠開啟免費制冷的時間段比較零碎，長時間（超過4 h）可以連續(xù)啟免費制冷的時間并不多，在考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性因素后扣除掉五月至九月這幾個月的免費制冷開啟時間，于是最終得到天津全年可利用的免費制冷小時數(shù)為4696 h，占全年總時間的將近54%。天津全年可開啟免費制冷的時間數(shù)分布如圖4 所示：

圖4 天津全年可開啟免費制冷小時數(shù)

3 免費制冷經(jīng)濟性分析

考慮到項目在建設(shè)階段，機柜已經(jīng)全部預(yù)出租出去了，數(shù)據(jù)中心建成后較短時間內(nèi)機柜即可滿負荷運行，并且相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的發(fā)熱量在全年都比較穩(wěn)定，所以本文按照滿負荷運行來進行免費制冷的經(jīng)濟性分析。

在免費制冷模式下，冷凍機房僅需要開啟的大型設(shè)備如冷凍二次泵，冷卻水泵和冷卻塔，比常規(guī)電制冷情況下少了冷凍一次泵和制冷機。主要區(qū)別如表2所示：

表2 常規(guī)電制冷和免費制冷設(shè)備狀態(tài)

數(shù)據(jù)中心全年24 h 運行，按照全年4696 h 的免費制冷時間來計算，共可以節(jié)省電量：4696×(510×4+45×4)=10425120 kWh。

如果按照目前天津一般工商業(yè)用電收費標(biāo)準(zhǔn)0.8999 元/kWh，全年免費制冷可以節(jié)?。?0425120×0.8999=9381000 元=938.1 萬元。

由計算可以得到在免費制冷模式下節(jié)省的電費折算成標(biāo)準(zhǔn)煤4212 噸，響應(yīng)了國家對生態(tài)環(huán)境保護的要求和號召。免費制冷工況下，冷卻水和冷凍水在板式換熱器中進行熱交換，需要額外增加一套板式換熱器，包括閥門，管道以及自控等成本，根據(jù)其他項目的成熟經(jīng)驗，板式換熱器系統(tǒng)按照300 元/kW 進行初投資估算[3]，根據(jù)設(shè)計的板式換熱器參數(shù)，共需要增加成本：300×3500×5=525 萬元。

顯而易見，增加免費制冷后模式，由于每年可節(jié)省較多的電力運行費用，節(jié)能的電費大概是板式換熱器成本的1.78 倍，因此板式增加的板式換熱器在一年內(nèi)就可以回收成本，既節(jié)省了大量的運行耗電費用，又對環(huán)境產(chǎn)生積極的作用，可以在有一定規(guī)模的使用空調(diào)水系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心推廣，特別是北方地區(qū)。

使用冷卻水免費制冷，需要根據(jù)室外環(huán)境溫度來確定是否具有經(jīng)濟性特別是南方地區(qū)，如果室外環(huán)境濕球溫度較高，全年可利用冷卻塔免費制冷的時間較少，并且常規(guī)制冷和免費制冷切換頻繁，則不建議使用冷卻塔免費的制冷模式，應(yīng)該考慮其他的方式節(jié)能途徑。

4 PUE 分析

PUE 是國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心主流的判定指標(biāo)，是衡量數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效的綜合指標(biāo)，其值為數(shù)據(jù)中心總能耗與IT 設(shè)備能耗的比值。PUE 的值只能無限接近1，越接近1，就說明數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施能效越高。

實施免費制冷后

本項目共2298 個機柜，每個機柜5 kW，機柜的耗電量一小時為14990 kWh。

所以實施免費制冷后數(shù)據(jù)中心的PUE 可以降低0.08。

5 結(jié)論

1）數(shù)據(jù)中心項目中，因為通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)熱量穩(wěn)定，常年需要制冷，所以冷卻塔免費制冷技術(shù)可以廣泛應(yīng)用。

2）在數(shù)據(jù)中心的項目中使用冷卻塔制冷技術(shù)可以達到較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。特別是在全年室外濕球溫度較低的北方地區(qū)，滿足冷卻塔制冷模式開啟的時間段較長。

3）在南方地區(qū)使用冷卻塔免費制冷技術(shù)需要進過經(jīng)濟性分析，充分考慮室外空氣參數(shù)，節(jié)省的電能消耗，增加投資成本以及相關(guān)不利因素之間的關(guān)系。