雙碳目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組補冷系統(tǒng)分析與應(yīng)用

景淼，何健雙碳目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組補冷系統(tǒng)分析與應(yīng)用綜合General雙碳目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組補冷系統(tǒng)分析與應(yīng)用AnalysisandApplicationofSupplementalCoolingSystemofIndirectEvaporativeCoolingAirConditionUnitinDataCenterUnderDual-carbonTarget8)JingMiaoHeJianChinaUnicomDigitalTechnologyCoLtdBeijing，China)摘要：針對間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用時的補冷方式、補冷比例、壓縮機補冷失效時的機房溫升進行分析，同時對冷凍水補冷與壓縮機補冷2種間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用時的CLF和WUE以及2種補冷方式的應(yīng)用場景進行分析。為間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組在數(shù)據(jù)中心補冷方式的選擇提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：文章編號：1007-3043(2023)01-0083-05開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID)：Abstract：evaporativecoolingairconditioningunitindatacenteritanalyzesthesupplementalcoolingmode，proportionofsupplementalcooling，andtheroomtemperaturerisewhenthecompressorsupplementalcoolingister.Keywords：引用格式：景淼，何健.雙碳目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組補冷系統(tǒng)分析與應(yīng)用[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2023(1)：83-87.0前言能耗產(chǎn)業(yè)，預(yù)計到2030年數(shù)據(jù)中心能源消耗量將占全國總用電量的3.7%[1]。隨著雙碳政策的提出，中央各部委相繼出臺多項關(guān)于數(shù)據(jù)中心的政策，推進數(shù)據(jù)中心綠色、低碳發(fā)展。2022年工業(yè)和信息化部等七部委發(fā)布《信息通信行業(yè)綠色低劃(2022—2025年)》。該行動計劃明確到2025年，全國新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心電能利用收稿日期：2022-12-09效率(PUE)降到1.3以下，加大先進節(jié)能節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用，加快自然冷源、近端制冷、液冷等制冷節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。并根據(jù)自然氣候條件差異，因地制宜推廣先進適用的節(jié)能技術(shù)，加快應(yīng)用先進適用的節(jié)水技術(shù)和裝，提高水資源利用效率。據(jù)中心總能耗的40%，因此數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)具有極大的節(jié)能空間。間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組屬于風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，是一種綠色節(jié)能的制冷技術(shù)，可以有效減少制冷系統(tǒng)能耗及水資源消耗，減少數(shù)據(jù)中心碳排放[2-3]。本文對間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的補冷系統(tǒng)進行綜合對比分析。郵電設(shè)計技術(shù)/2023/0183綜合General景淼，何健雙碳目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組補冷系統(tǒng)分析與應(yīng)用1間接蒸發(fā)冷卻機組1.1原理及運行模式間接蒸發(fā)冷卻機組是室內(nèi)側(cè)空氣與室外側(cè)空氣通過換熱芯體進行顯熱交換，并在室外新風(fēng)側(cè)增加水噴淋裝置，通過水蒸發(fā)吸熱的原理，冷卻進入換熱芯體的室外側(cè)空氣，進而降低機房送風(fēng)溫度。根據(jù)室外氣象參數(shù)、機房送回風(fēng)溫度等，間接蒸發(fā)冷卻機組分式[4-7]。間接蒸發(fā)冷卻機組原理圖如圖1所示。1.2補冷方式水補冷是將集中冷凍水系統(tǒng)作為間接蒸發(fā)冷卻1.2.2壓縮機補冷壓縮機補冷是將壓縮機風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)作為間接蒸發(fā)冷卻機組的補冷來源，如圖1(c)所示。1.3補冷比例補冷比例與機房的送回風(fēng)溫度、濕球溫度以及換熱芯體的換熱效率有關(guān)。補冷比例中的濕球溫度應(yīng)室內(nèi)室外排風(fēng)排風(fēng)機送風(fēng)機換熱芯體室外進風(fēng) (a)干模式室內(nèi)送風(fēng)室內(nèi)排風(fēng)機送風(fēng)機排風(fēng)機送風(fēng)機室外排風(fēng)噴淋裝置噴淋裝置換熱芯體室外進風(fēng) (b)濕模式室內(nèi)送風(fēng)排風(fēng)機排風(fēng)機噴淋裝置室內(nèi)送風(fēng)機室內(nèi)送風(fēng)室外排風(fēng)蒸發(fā)器冷凝器蒸發(fā)器冷凝器換熱芯體室外進風(fēng) (c)混合模式圖1間接蒸發(fā)冷卻機組原理圖排風(fēng)機噴淋裝置排風(fēng)機噴淋裝置室內(nèi)送風(fēng)機室內(nèi)送風(fēng)室外排風(fēng)表冷器表冷器換熱芯體冷凍水供水室冷凍水供水冷凍水回水圖2水補冷的間接蒸發(fā)冷卻機組件進行計算[8]。換熱芯體室外側(cè)出風(fēng)溫度： t=t回風(fēng)-(t回風(fēng) 補冷比例：n=1-(t回風(fēng)-t出風(fēng))/(t回風(fēng)-t送風(fēng))其中，t送風(fēng)為斷電前機房內(nèi)冷通道送風(fēng)溫度(℃)； t回風(fēng)為機房內(nèi)回風(fēng)溫度(℃)；ts為當(dāng)?shù)貥O端濕球溫度 根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的適用區(qū)域[9]，分別在嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)選擇相應(yīng)的城市對若機房內(nèi)送風(fēng)溫度為25℃、回風(fēng)端濕球溫度越高，補冷比例也隨之增加。換熱芯體的換熱效率越高，補冷比例越低。隨之變化。送回風(fēng)溫差相同時，隨著送回風(fēng)溫度的升高，間接蒸發(fā)冷卻機組的各模式之間的切換溫度提表1不同地區(qū)補冷比例的(%)城市換熱效率呼和浩特(嚴寒地區(qū))北京(寒冷地區(qū))貴陽(溫和地區(qū))景淼，何健雙碳目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組補冷系統(tǒng)分析與應(yīng)用綜合General1.4補冷失效時溫升對于水補冷的機組，采用蓄冷罐可實現(xiàn)不間斷冷冷。對于壓縮機補冷的機組，在ATS進行市電和UPS市電閃斷的時間僅為10ms，切換過程中壓縮機斷電重啟，此時補冷系統(tǒng)失效。對不同廠家的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)壓縮機補冷失效后，一般的補冷量。根據(jù)文獻[10]，制冷失效后，機房內(nèi)溫升速率與單機架功率(單機架功率小于10kW)的關(guān)系為：在夏季極端天氣時，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的壓縮機停止補冷后，由機組濕模式運行提供冷量。此時，機房內(nèi)的溫升主要與制冷量、房間體積、單機架功耗等有關(guān)。斷電ΔT時間后，機房內(nèi)溫升(不考慮機組濕模式運行)為：斷電ΔT時間內(nèi)，機組濕模式運行提供的冷量為：QQn×ΔT(5)斷電ΔT時間后，機房內(nèi)最終溫度(考慮機組濕模式運行)為：為機房有效容積(m3)；n為間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組臺數(shù)(熱備時為全部機組臺數(shù)，冷備時僅為主用機組臺數(shù))；t送風(fēng)為斷電前機房內(nèi)冷通道送風(fēng)溫度(℃)；ρ為空氣密度(kg/m3)；Cp為空氣比熱容[J/(kg·℃)]。 (熱備)時，不同功率密度下機房的溫升情況(圖3中無制冷是指在機組完全不運行時，機房內(nèi)溫升情況；濕模式是指機組濕模式運行時，機房內(nèi)溫升情況)。隨著功率密度的增加，機房內(nèi)溫升的幅度也隨之增加。補冷失效后，濕模式運行可明顯降低機房內(nèi)溫升。設(shè)備選型時，壓縮機恢復(fù)補冷時間需根據(jù)補冷比例、功率密度、冷通道送風(fēng)溫度和服務(wù)器最高承受的溫度等綜合確定。假設(shè)服務(wù)器進風(fēng)側(cè)最高承受溫度為35℃，功率密度為8kW時，機組恢復(fù)50%的補冷時間建議不超過40s。溫℃溫℃6kw(無制冷)7kw(無制冷)8kw(無制冷)6kw(僅濕模式)7kw(僅濕模式)8kw(僅濕模式)00圖3不同功率密度下機房內(nèi)溫升情況房進行仿真，冷源采用壓縮機補冷的間接蒸發(fā)冷卻空機房采用熱通道封閉，氣流組織為彌散送風(fēng)、吊頂回風(fēng)。補冷失效時假設(shè)60s內(nèi)壓縮機恢復(fù)50%補冷。在極端濕球溫度，備機運行的條件下，進行模擬。模擬曲線取冷通道內(nèi)各測點的溫度平均值。由于模擬考慮了溫度升高時機房內(nèi)空氣密度和比熱容會降低，模擬值略低于計算值，但整體趨勢基本一致。仿真模擬的溫升情況如圖4所示。2間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)模型2.1計算模型假定間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組單臺顯冷量為260溫℃溫℃00圖4仿真模擬溫升85綜合General景淼，何健雙碳目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組補冷系統(tǒng)分析與應(yīng)用節(jié)水優(yōu)先模式進行分析[9]。干模式工況為室外干球溫冷機組的冷凍水系統(tǒng)采用變頻離心式冷水機組+板式換熱器+開式冷卻塔+冷凍水泵+冷卻水泵，冷凍水供2.2各模式分析干模式運行時，2種補冷方式的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組耗電設(shè)備為室內(nèi)外風(fēng)機，風(fēng)機運行功耗與室外環(huán)境的干球溫度有關(guān)。如圖5所示，機組功耗隨著室外干球溫度的升高而升高。-15-10-505101520-室外環(huán)境干球溫度/℃圖5干模式下間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組功耗濕模式下運行時，2種補冷方式的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組耗電設(shè)備均為室內(nèi)外風(fēng)機和噴淋泵，但由于機組設(shè)置的噴淋泵一般為定頻泵，且功率較小，對機混合模式下運行時，2種補冷方式的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組耗電設(shè)備差異較大。采用壓縮機補冷的機組耗電量包括室內(nèi)外風(fēng)機、噴淋泵和壓縮機的電量；采用水補冷的機組耗電量包括室內(nèi)外風(fēng)機、噴淋20室外環(huán)境濕球溫度/℃圖6濕模式下間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組功耗泵以及滿足補冷量所需的冷凍水系統(tǒng)的電量。如圖7所示，由于壓縮機能耗高于補冷量所對應(yīng)的冷凍水系統(tǒng)功耗，采用水補冷沒有壓縮機補冷耗電，水補冷的間接蒸發(fā)冷卻機組的用電功耗會大幅度降低。壓縮機補冷水補冷壓縮機補冷水補冷2530室外環(huán)境濕球溫度/℃圖7混合模式下壓縮機補冷與水補冷機組功耗3能耗分析3.1節(jié)能性分析CLF指制冷負載因子，是衡量空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要指標(biāo)。間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的CLF為：CLF=機組全年空調(diào)制冷能耗/全年IT設(shè)備總能耗冷凍水系統(tǒng)作為外置補冷冷源，補冷開啟時水冷冷水機組效率高于壓縮機，采用水補冷機組的CLF略低于采用壓縮機補冷的系統(tǒng)。但水補冷與壓縮機補冷相比，CLF降低的并不顯著，這是由于水補冷機組的CLF主要取決于冷凍水系統(tǒng)的CLF、機組的補冷量和開啟補冷的時長。例如，北京地區(qū)補冷比例較高，但補冷時間較短；貴陽地區(qū)補冷比例較低，但同等工況下冷凍水系統(tǒng)的CLF較高，且補冷時間較長(見圖8)。3.2節(jié)水性分析WUE是數(shù)據(jù)中心水資源消耗的重要指標(biāo)。WUE=機組全年空調(diào)制冷耗水量/全年IT設(shè)備總能耗間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的耗水量包括蒸發(fā)水量、排污量和飄逸水量。機組全年空調(diào)制冷耗水量與室壓縮機補冷與水補冷CLF0呼和浩特北京貴陽壓縮機補冷水補冷圖8壓縮機補冷、水補冷的間接蒸發(fā)冷卻機組的CLF丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆作者簡介：景淼，何丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆作者簡介：綜合General外氣象參數(shù)、運行模式、機組性能、運行策略、補水水質(zhì)等相關(guān)。年耗水量應(yīng)根據(jù)全年氣象參數(shù)計算，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的補水系統(tǒng)應(yīng)按照設(shè)計工況下最大小時耗水量設(shè)計。圖9為呼和浩特、北京和貴陽采用壓縮機補冷、水補冷的間接蒸發(fā)冷卻機組的WUE對比(WUE單位L/k·Wh)。采用壓縮機補冷的機組其WUE明顯低于采用水補冷的機組，這是由于機組運行在混合模式時，噴淋用水量一致，但補冷時壓縮機完全不需要消耗水資源，而冷凍水系統(tǒng)仍需消耗較多的WUE議采用壓縮機補冷的間接蒸發(fā)冷卻機組。0.80呼和浩特北京貴陽壓縮機補冷水補冷圖9壓縮機補冷、水補冷的間接蒸發(fā)冷卻機組的WUE4應(yīng)用分析針對間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的補冷方式的應(yīng)用5結(jié)束語間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組能夠充分利用自然冷源，表2補冷方式應(yīng)用場景分析補冷方式壓縮機補冷水補冷應(yīng)用場景快速部署、分期部署以及有擴容需求的數(shù)據(jù)中心具有集中冷凍水系統(tǒng)的改造項目或局部使用間接蒸發(fā)冷卻機組，其余采用集中冷凍水系統(tǒng)的新建數(shù)據(jù)中心不間斷源電，需提供室內(nèi)外風(fēng)機、噴淋電，僅提供室內(nèi)外風(fēng)機、噴淋泵的電量不間斷冷源補冷系統(tǒng)失效采用蓄冷罐，可實現(xiàn)不間斷冷源；集中冷凍水系統(tǒng)冷源冷量地區(qū)適用性適用于干燥地區(qū)(夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度小于23℃的地區(qū))及中等濕度地區(qū) (夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球區(qū))[9]適用地區(qū)與壓縮機補冷機組相同，但應(yīng)用在嚴寒、寒冷地區(qū)時，冷凍水系統(tǒng)冬季需要泄水或電伴熱防凍，影響冷凍水系統(tǒng)穩(wěn)定、增加運維難度、增加額外電伴熱能耗在新建、改建數(shù)據(jù)中心中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對間接蒸發(fā)冷空調(diào)機組的補冷方式進行分析，得出以下結(jié)論。a)機組補冷比例與極端濕球溫度、送回風(fēng)溫度、換熱芯體換熱效率等因素有關(guān)，需綜合確定。極端濕球溫度越高，補冷比例越高；換熱效率越低，補冷比例b)隨著功率密度的增加，壓縮機補冷失效時機房內(nèi)溫升的幅度也隨之增加。壓縮機恢復(fù)補冷時間需根據(jù)補冷比例、功率密度、冷通道送風(fēng)溫度等綜合確定。c)水補冷的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組CLF略低于壓縮機補冷，但壓縮機補冷的WUE明顯低于水補冷。水補冷適合應(yīng)用在具有集中冷凍水系統(tǒng)的改造項目或局部使用間接蒸發(fā)冷卻機