聯(lián)通數(shù)字科技有限公司 康 楠 張應(yīng)文 顧小杰 劉 陽 丁會(huì)芳

0 引言

隨著5G商用時(shí)代來臨，用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量加大，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心需求迎來快速增長(zhǎng)，在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)產(chǎn)業(yè)爆發(fā)的同時(shí)，高能耗標(biāo)簽也給數(shù)據(jù)中心帶來更大的挑戰(zhàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年有超過20億美元的投資用于數(shù)據(jù)服務(wù)器的電能和冷卻需求。相比于民用建筑空調(diào)，數(shù)據(jù)中心對(duì)溫濕度、潔凈度、氣流組織都有較高要求，設(shè)備的散熱量很大使得機(jī)房的空調(diào)能耗僅次于IT設(shè)備能耗，因此，如何降低空調(diào)能耗成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的研究重點(diǎn)。本文以聯(lián)通哈爾濱云數(shù)據(jù)中心為例，主要介紹空調(diào)系統(tǒng)自然冷源運(yùn)行方案，為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的綜合節(jié)能建設(shè)與改造提供參考。

1 項(xiàng)目背景

聯(lián)通哈爾濱云數(shù)據(jù)中心位于北緯45°45′，是全球設(shè)立云計(jì)算中心的黃金緯度，年平均氣溫4.2 ℃，可通過冷空氣直接實(shí)現(xiàn)供冷?？v觀哈爾濱全年溫度分布，室外溫度低于20 ℃的時(shí)長(zhǎng)占全年的82.1%，低于0 ℃的時(shí)長(zhǎng)占32.0%，如圖1所示。這意味著哈爾濱室外蘊(yùn)含著豐富的天然冷源，高效利用可大幅降低能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1 哈爾濱室外溫度全年時(shí)長(zhǎng)分布

2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

哈爾濱云數(shù)據(jù)中心位于哈爾濱市平房區(qū)，目前機(jī)房樓DC1已投產(chǎn)使用，設(shè)計(jì)機(jī)架1 800架。空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用帶自然冷卻的集中水冷系統(tǒng)。為防止冬季系統(tǒng)結(jié)冰，自然冷卻系統(tǒng)換熱介質(zhì)采用體積分?jǐn)?shù)45%的乙二醇溶液，并配有板式換熱器、干冷器、乙二醇溶液泵及相應(yīng)的切換控制系統(tǒng)。在冬季及過渡季采用干冷器供冷，縮短冷水主機(jī)運(yùn)行時(shí)間，從而降低電力消耗。

當(dāng)室外溫度穩(wěn)定低于-5 ℃時(shí)，切換運(yùn)行模式，開啟乙二醇溶液泵及對(duì)應(yīng)的干冷器，關(guān)閉冷卻水泵及對(duì)應(yīng)的冷卻塔，此時(shí)系統(tǒng)采用閉式干冷器進(jìn)行散熱，干冷器供/回水設(shè)計(jì)溫度為5 ℃/10 ℃，換熱器兩側(cè)的換熱溫差為2 ℃，可提供7 ℃冷水供水。當(dāng)室外溫度高于-5 ℃時(shí)，開啟冷卻水泵及對(duì)應(yīng)的冷卻塔，關(guān)閉乙二醇溶液泵及對(duì)應(yīng)的干冷器，此時(shí)系統(tǒng)采用冷卻塔進(jìn)行散熱?？照{(diào)水系統(tǒng)原理如圖2所示。

注：1) 自然冷卻模式時(shí)關(guān)閉冷卻水泵及對(duì)應(yīng)的冷卻塔，開啟乙二醇溶液泵及對(duì)應(yīng)的干冷器；2) 電制冷模式時(shí)開啟冷卻水泵及對(duì)應(yīng)的冷卻塔，關(guān)閉乙二醇溶液泵及對(duì)應(yīng)的干冷器。圖2 哈爾濱云數(shù)據(jù)中心DC1機(jī)房空調(diào)水系統(tǒng)原理圖

3 節(jié)能效益分析

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)過程中，在保證服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境前提下，運(yùn)維人員根據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)實(shí)際負(fù)荷及室外氣象參數(shù)，將冷水供/回水溫度調(diào)整為11 ℃/19 ℃。當(dāng)室外溫度低于-5 ℃時(shí)，將制冷系統(tǒng)由冷水機(jī)組運(yùn)行模式切換至自然冷卻模式，同時(shí)在室外溫度低于-15 ℃時(shí)，關(guān)閉干冷器風(fēng)機(jī)及乙二醇溶液泵，乙二醇冷卻系統(tǒng)依靠重力循環(huán)進(jìn)行換熱。

3.1 運(yùn)行模式

以2019年全年為研究時(shí)間段，以哈爾濱云數(shù)據(jù)中心DC1機(jī)房樓制冷系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，表1給出了空調(diào)運(yùn)行模式時(shí)間分布。由表1可知全年自然冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)占44.84%。

表1 空調(diào)運(yùn)行模式時(shí)間分布

3.2 節(jié)電量分析

制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)配套設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)配套設(shè)備參數(shù)

2019年機(jī)房初步投產(chǎn)，機(jī)柜上架率僅為8%，表3給出了該工況下采用自然冷卻全年的節(jié)能數(shù)據(jù)，與全年采用電制冷運(yùn)行模式相比，年節(jié)電率可達(dá)29%。

表3 現(xiàn)運(yùn)行工況下采用自然冷卻的節(jié)能數(shù)據(jù)

表4給出了設(shè)計(jì)工況下制冷系統(tǒng)運(yùn)行模式耗電量對(duì)比。隨著后期業(yè)務(wù)的不斷增多，在達(dá)到設(shè)計(jì)工況時(shí)，相比于傳統(tǒng)的電制冷運(yùn)行模式，該運(yùn)行模式預(yù)計(jì)年節(jié)電量578萬kW·h，節(jié)電率可達(dá)31%。

表4 設(shè)計(jì)工況下制冷系統(tǒng)運(yùn)行模式耗電量對(duì)比

3.3 節(jié)水量分析

冬季采用閉式板式換熱器+干冷器自然冷卻方式運(yùn)行，由于是閉式系統(tǒng)，冷卻水不與外界空氣直接接觸，系統(tǒng)幾乎不需補(bǔ)水，冬季用水量只用于機(jī)房加濕。在現(xiàn)運(yùn)行工況下，電制冷模式耗水量為3 301.0 m3，自然冷卻模式用水量?jī)H為219.5 m3，具有良好的節(jié)水效益，同時(shí)管道系統(tǒng)也不容易被污染。自然冷卻模式下冷卻水溫度較電制冷運(yùn)行模式下溫度低，結(jié)垢率降低，幾乎不需要水處理。

在達(dá)到設(shè)計(jì)工況后，相比于傳統(tǒng)的電制冷運(yùn)行模式，自然冷卻模式預(yù)計(jì)年節(jié)水量為26 984 m3，節(jié)水率可達(dá)21%，見表5。

表5 滿負(fù)荷工況下制冷系統(tǒng)運(yùn)行模式耗水量對(duì)比

4 結(jié)語

以哈爾濱云數(shù)據(jù)中心DC1機(jī)房樓為例進(jìn)行對(duì)比分析，相比于傳統(tǒng)的電制冷運(yùn)行模式，采用自然冷卻的空調(diào)系統(tǒng)年節(jié)電率達(dá)31%，節(jié)水率達(dá)21%，具有良好的效益。立足于哈爾濱地區(qū)天然冷源的優(yōu)勢(shì)，哈爾濱云數(shù)據(jù)中心因地制宜，采用節(jié)能技術(shù)。后期將更加深入研究節(jié)能新技術(shù)，充分利用節(jié)能手段，全力打造綠色數(shù)據(jù)中心。