数据机房风冷精密空调节能改造技术应用及效果测评

数据机房风冷精密空调节能改造技术应用及效果测评

陈伟

身份证：441781198012135419

摘要:风冷精密空调是早期数据机房建设中大量采用的冷却设备,至今仍有大量的1000机架以下的低功率密度的数据机房采用该设备｡但常规的风冷精密空调是基于商用柜式空调的设计逻辑,在实际应用中与数据机房全年散热的特征不吻合｡随着节能降耗工作的进一步推进,此类数据机房精密空调必须进行节能改造｡

关键词:数据机房;风冷;空调节能

引言

数据中心既有业务转移困难的限制,大部分数据中心无法在近几年内迁移,而只能开展基于原有条件的节能改造｡其中,数据机房空调是节能改造的重点｡这些老旧数据中心大多以风冷精密空调作为冷却设备｡这些设备能效较低､可扩容性不强､维护成本较高｡在实际运行中还容易存在多种安全或环境风险｡

1数据机房空调节能技术

通信机房空调环境节能主要包括5类技术,分别为机房自然冷源､机房空调气流组织优化､提高机房空调能效､高功率密度机柜局部热点解决及机房空调运行维护｡自然冷源是利用室外自然的低温空气,不启动压缩机制冷,直接或间接为机房降温的技术｡通过减少机房空调制冷运行时长,从而降低机房制冷能耗,目前主要包括如下措施:机房通风换热､乙二醇空调､机房空调智能双循环系统､机房热管技术等｡机房空调气流组织优化是指合理输配空调送风,做到“先冷设备,后冷环境”,合理设置空调回风,使空调送､回风形成完整流畅的循环,不出现空调送风短路､冷热空气掺混现象,持续稳定地消除通信设备与机房环境热负荷｡按照送风是否直接进入通信机柜划分,可分为精确送风与非精确送风两种方式｡提高机房空调能效是通过降低空调冷凝压力与优化空调制冷剂运行状态来提高机房空调能效｡机房空调采用压缩式制冷,当蒸发温度一定时,降低冷凝温度与冷凝压力,可减少压缩机能耗,提高能效比｡改善冷凝器的运行环境和采用高能效的冷凝散热方式可优化机房空调冷凝系统｡主要技术措施有智能雾化喷淋技术､空调冷凝器风冷改水冷技术等｡高功率密度机柜局部热点的解决,以机柜为冷却对象,尽量靠近热点布置制冷设备｡可在机柜侧面､顶部､冷通道上部或机柜柜门布置制冷设备,直接对机柜进行制冷,确保为高功率密度机柜提供足够冷量,消除局部过热｡近距离的冷量传输,可降低空调系统风机能耗｡机房空调运行维护主要是通过加强机房空调的运行维护,改善现网空调运行工况和能效,实现机房空调的运行节能｡例如机房空调群控技术等｡

2水预冷技术

根据工信部《新型数据中心发展三年行动计划（２０２１ — ２０２３年）》中提出的要求和上海市发改委、经信委《关于做好２０２１年本市数据中心统筹建设有关事项的通知》等文件的要求，上海市将分类型、分批次推进“老小散旧”数据中心改造和淘汰，将承载业务逐步向大型数据中心迁移。受到数据中心既有业务转移困难的限制，大部分数据中心无法在近几年内迁移，而只能开展基于原有条件的节能改造。其中，数据机房空调是节能改造的重点。这些老旧数据中心大多以风冷精密空调作为冷却设备。这些设备能效较低、可扩容性不强、维护成本较高。在实际运行中还容易存在多种安全或环境风险，例如：风冷冷凝器密集布置于屋外，形成局部热聚集，效率大幅度下降；在夏季，空调冷凝压力过高，机组频繁出现高压保护，严重威胁设备安全运行；在夏季，室外风机持续高速运转，风机噪声极大，引起周边居民不满。这些数据机房原有建筑体量较小，没有足够的室内空间增加全套水冷冷站或增加水冷精密空调间。同时，它们的ＩＴ 负荷总量较小，若采用大型高效的冷水机组，容易出现喘振等问题。另外，在机房内进行水冷系统改造存在机房进水等安全风险。因此，不适合进行完全的冷水系统改造。

2.1水预冷技术节能原理

在原精密空调的冷凝器至室内蒸发器的管路中间串联一个水冷壳管式换热器｡高温制冷剂气体进入风冷冷凝器换热冷却后,再进入换热器中换热变为低温制冷剂｡低温冷却水从冷却塔通过水泵输送到水冷壳管式换热器内,换热升温后循环回到冷却塔内,通过冷却塔降温后进入下一个循环｡由此,将冷凝方式由原本的风冷模式转变为水冷模式｡

2.2水预冷技术案例介绍

某数据中心设有60余套风冷精密空调,在保留原有风冷冷凝器的基础上,根据上节技术方案,加装一套水冷换热系统｡项目新增了60余套壳管式冷凝器､2台循环水泵(一用一备)､1台冷却塔及配套循环水系统管路｡由水冷系统作为主要冷源,原有风冷冷凝器作为备用｡在水冷系统检修或故障时各精密空调可自动投入运行,确保机房时时处于安全稳定的运行环境｡

2.3水预冷技术测试工况

该数据中心由动力环境监控系统提供能耗监测数据｡由于单台空调用电量无计量,本文对该数据中心2层某数据机房内空调机组的整体用电量进行计量｡在对比测试时,考虑机房安全运行的要求,水预冷系统不能长时间关闭｡本文将水预冷系统关闭24h和运行24h作为2种工况,记录2种工况条件下空调设备的用电量,进而计算得出2种工况的能耗差,并分析计算节电率｡

2.4水预冷技术测试结果及节能分析

测试时间为2020年8月18—20日,为夏季工况测试条件｡通过对2种工况下的空调设备用电量的计量得到:水预冷设备运行时,精密空调平均小时用电量为264.91kW·h;水预冷设备关闭时,精密空调平均小时用电量为305.98kW·h;水预冷技术在夏季的节电率为13.42%｡本次测试未得到冷却水泵的能耗数据,根据厂家提供的资料,冷却水泵额定功率为37kW,额定水流量为315m3/h,冷却塔为无风机冷却塔｡根据当日机房总冷量等数据,估算得冷却水泵小时用电量为33.16kW·h｡因此,水预冷技术节电率为2.44%｡

2.5采用冷凝热回收系统供附属支撑用房采暖

夏热冬暖地区冬季无稳定可靠的自然冷源可供使用，空调系统每时每刻都处于制冷工况，时刻有稳定且巨大的冷凝热可供回收利用。 常规的设计思路是回收这部分冷凝热来生产生活热水，但是由于数据机房选址的特殊性，且安全级别较高，很少愿意与外围有太多的联系，因此其冷凝热很少被回收用于生产生活热水。目前，数据机房的建筑规模都达到十万平方米以上，其附属支撑用房的建筑面积一般为数据机房建筑面积的六分之一，达到上万平方米。 随着人们对生活质量的要求逐步提高，夏热冬暖地区空调系统的设置不仅要考虑夏季供冷，也要兼顾起冬季采暖的功能。 因此附属支撑用房每年的采暖负荷亦相当可观。 将数据机房空调系统这部分冷凝热回收后作为附属支撑用房的采暖热源，在投资上只要在数据机房空调系统冷源侧增设一套换热设备便可实现，其投资和运行费用较采用变频多联式空调系统和风冷热泵系统都有明显的优势，可以达到更小投入更大回报的节能节约投资双丰收。 附属支撑用房专用冷水机组提供制冷冷水，采暖热水供水管来自数据机房热回收器。

3空调系统节能改造方案

针对档案馆空调系统运行过程中存在的问题,应用多种空调节能技术对空调系统的二级冷量交换站及空调末端设备进行节能控制改造,建立一套集中空调节能管理控制系统,实现空调系统运行优化调节及远程监控｡数据机房是用电大户也是投资大户，如何在确保系统安全的基础上尽可能地做到节约用电、节省投资是目前该领域学者及技术人员的研究方向。 本文着力于根据数据机房的负荷特点及夏热冬暖地区的气候特点来设置空调系统，变劣势为优势，达到投资少节能效果明显的目的。 对夏热冬暖地区数据机房空调系统提出了两个新型节能方案，可供读者参考借鉴。

3.1二级冷量交换站节能改造

二级冷量交换站节能改造包括二次供水温度优化控制､二次供回水干管变压差设定､水泵变流量控制｡(1)二次供水温度优化控制｡根据档案库房区恒温恒湿要求实现对二次供水温度的优化设定,(2)二次供回水干管变压差设定｡根据空调末端冷负荷变化的特点及空调系统设计的实际情况,建立冷负荷与二次供回水干管压差设定值的对应关系｡采用变压差设定方法可使末端空调设备的冷水调节阀处于较大的开度范围内,减少局部阻力损失,同时降低变频水泵的实际运行扬程及水泵能耗｡(3)水泵变流量控制｡根据二次供回水干管压差动态调节冷水泵的运行频率,使供回水干管压差稳定在压差设定值范围内,实现水泵变流量控制｡为保证水泵变频过程中处于高效率区,根据水泵的特性曲线确定冷水泵运行频率的变化范围在30~50Hz之间｡

3.2空调系统末端节能改造

(1)室内温湿度监测与测点季节性区域再设定｡在不同功能区域均匀布置室内温湿度传感器,实时监测各区域的环境温度及冷热不均情况,并可实现温湿度测点的季节性区域再设定,为空调机､风机盘管季节性区域调节提供依据;(2)基于供冷区域温湿度加权值的空调机变风量､变水量控制｡在室内温湿度监测与测点季节性区域再设定的基础上,将相应供冷区域的温湿度加权平均值作为该空调机调节阀开度和风机频率的调节依据,实现对空调机的冷水流量和送风量优化组合控制,使得供冷区域温度达到预先设定的温湿度范围,保证室内的舒适性,同时达到合理使用冷量和降低空调机运行能耗的目的;(3)基于室内外空气焓差及室内CO2浓度的新风机､新风阀变风量控制｡根据室外温湿度及室内CO2浓度的实时反馈情况控制新风机与新风阀,尤其在过渡季节应充分利用新风的自然冷却能力提高室内舒适性,减少冷量交换站的冷量使用;

3.3建立集中空调节能管理控制系统

在上述空调节能技术措施基础上,对建筑内空调相关设备进行全面联网集成控制,建立一套集中空调节能管理控制系统,实现空调系统的节能优化运行及远程监控｡该集中空调节能管理控制系统由四个子系统组成:①二级冷量交换站优化管理控制子系统;②基于无线通讯技术的末端空调设备控制子系统;③能耗采集子系统;④集中空调节能管理控制系统平台软件｡该系统除了可以实现空调系统的节能运行外,还可通过集中空调节能管理控制系统平台软件实现远程监控｡夏季常规运行工况下，该数据机房的精密空调蒸发器温度约为 ５ ℃ ，冷凝器温度约为 １００℃ 。即在采用老旧精密空调蒸发器、冷凝器条件下，综合考虑油膜、尘垢等换热热阻的存在，冷凝器温度比室外温度高约 ６０ ℃ 时可以达到额定制冷量。在运行制冷剂泵循环模式时，冷凝器冷凝温度与蒸发器蒸发温度较为接近。考虑制冷剂泵的压差、室内换热温差等因素，若要在制冷剂泵循环模式下达到同样的制冷量，则室内温度与室外温度的差应达到 ４５ ℃ 左右。由于室内温度与室外温度的温差不大，使得制冷剂泵循环模式条件下的制冷量无法达到压缩机循环模式的制冷量。

结语

根据分析,总负荷较高且室外散热不佳的数据机房可采用水预冷改造技术,可在保障总制冷量的同时有效改善散热｡总负荷不高且室外散热条件良好的数据机房可采用氟泵改造技术,可在冬季及过渡季节提高能效｡后续将进一步开展水预冷技术的全年性能测试并对氟泵技术应用优化进行进一步的研究｡

参考文献

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