水空调系统多维度节能设计方案探讨

水空调系统多维度节能设计方案探讨

赵明,曹荣鑫,叶笑鸣,杜炎城,马波

单位：中国电信集团有限公司云计算（青岛）基地  山东青岛266000

摘要：随着经济的高速发展，对数据中心以及算力的需求急剧增加，据权威部门统计，数据中心消耗的电能约占社会耗电总量的3%。根据工信部《“十四五”信息通信行业发展规划》的要求,2025年，新建大型和超大型数据中心PUE要达到1.3以下，数据中心配套设备耗电最大的是水冷空调系统，因此，降低空调系统的耗电量，对降低PUE具有非常重要的意义，根据现有空调系统的运行经验，进行多维度的设计优化，对降低PUE以及节能降费具有明显的效果。

正文：

传统水冷空调系统的设计思路，大都是根据实际IT负载进行制冷，冷机的制冷量与负载是实时匹配的，采用蓄冷罐（开式、闭式）只作为应急冷源，一般设计蓄冷量为满载15分钟。

如果采用大容量蓄冷罐，根据峰谷时间段，在低谷电价时段将冷水蓄存到蓄冷水罐中，在高峰电价时段将蓄存的冷水抽出使用。不仅具有提供备用冷源、还具有降低系统运行费用、移峰填谷、节能减排、减少系统配电容量等作用。

水蓄能削峰填谷作用原理图

传统的水冷空调系统设计，根据实际运行经验，有明显的缺陷，主要有以下几个方面：

1)蓄冷罐容量小，尤其是在高负载情况下，对水冷空调系统的可靠性要求非常高（水冷空调系统中，主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔、风机、变频器、阀门等任何一部分发生，都可能导致空调系统无法工作），给维护人员处理故障的时间非常短，处理不及时，容易引发较大的系统风险。

2)由于水冷空调系统的制冷量与IT负载实时匹配，空调系统的能耗是曲线变化的，气温越高，同样的制冷量消耗的电能越多，白天的气温一般比夜间高5到10度，随着温度的提高，空调系统的耗电量明显增加，夜间耗电明显降低。根据现有的供电计费规则，白天的电费单价大部分是平峰和高峰，晚上11点至早上7点属于低谷，两者单价相差大约2倍。而且主机白天的COP比晚上低大约30%，同样的制冷量，白天耗电量较高。

3)目前，水冷空调系统大都采用一次泵设计，单个泵的功率也较高（管路长、阀门多、弯头多，水阻自然增大），对水泵的可靠性要求很高。

4)对于环路系统，电动阀门数量多，由于板换与冷机之间多采用串并联的模式运行，在冬春、秋冬季节，制冷模式需要群控系统根据环境温度的变化进行频繁切换，如果电动阀门不能正常（开关不到位，群控反馈故障）工作，群控就自动切换到其它机组，如果其它机组也存在同样的问题，整个系统就无法制冷，存在很大的安全隐患。

5)冷却塔风机大部分是皮带传动，不但损耗大，而且维护工作量大，润滑油、皮带、轴承都需要定期加注和更换。

为了更好的解决上述数据中心水空调系统的不足，可以进行多维度的设计优化，不但可以大大提高水冷空调系统的安全性，还能够降低空调系统的能耗单价，产生可观的经济效益，值得在行业中推广。

1)加大蓄冷罐（大约为普通蓄冷罐的8倍）容量，满足2小时的制冷需求，避开高峰时段制冷。充分利用夜间低温和电费单价的优势，进行高效制冷。降低空调主机部分电费单价28.6%，在行业内外的推广前进广阔，经济效益十分可观。大蓄冷兼做应急水源，可提供数据中心半个月以上备用水源；大蓄冷系统在数据中心运行初期，避免低负载时离心机喘振或频繁启停，节能效果尤其突出。

6、7、8月份削峰填谷运行策略

2)采用二次泵设计，释冷泵采用主、备配置，减少电动阀门数量，提高群控可靠性。冷机专门给蓄冷罐制冷，不制冷期间，冷冻泵、冷却泵、主机都处于待机状态，大大降低空调系统在高峰时段的能耗。

3)建立冷机系统高效运行模型，利用群控系统，控制冷机在高效区间制冷，充分提高冷机的COP，降低单位制冷量的能耗，有效降低空调能耗。

4)采用冷却塔并联运行模式，大大提高冷却塔散热面积，有效降低冷却塔风机的运行功率，达到降低冷却塔功耗的目的。将皮带传动改为直驱传动，不但降低了维护量，还能够降低维护费用。

5)由于热岛效应，冷塔周围的空气温度，比预报的实际温度高2到3度，考虑到极端天气，设计冷塔的换热量时，应适当增加极限湿球温度数值，确保在极端天气情况下的散热效果，在正常情况下，还可以降低风机频率。

6)增加冷却塔与蓄冷罐旁通管路，可以在极端高温情况下进行低温应急补水。正常情况下采用自来水加压补水。如果遇到极端停水状况，可以采用蓄冷罐进行补水。即使在停水一周的情况下，能够确保空调系统正常运行。

7)在冷却塔侧增加高位补水箱，在紧急情况下可以无动力快速给冷塔补水，缩短停机时间。

8)在冷冻水侧增加大直径应急补水管路，通过泵与自来水管路连接，便于紧急情况下的高效补水。

9)冷却塔风机变频技术使用，达到设备级节能。随着负荷的变化，冷却水温也随之变化，而且外界气温也不是恒定不变的，这就需要调节风扇转速，来维持冷却水温恒定。

10)末端区域差异化动态均衡送风。在机柜前后门全密闭冷热隔离供冷的基础上，机柜内垂直方向保持恒压，水平方向分上、中、下三个区域分别通过控制模型计算控制送风和回风，通过末端冷量需求精准控制前端冷源供给量，实现区域差异化动态均衡送风供冷。

通过上述设计优化，不但提高了水冷空调系统的可靠性，还能够提高冷机系统的制冷效率，提高PUE因子0.1左右。同时，有利于数据中心均衡用电，减少白天高峰时段用电量，降低用电峰值，降低基础电费（大工业用电），产生可观的经济效益。

按照每年耗电2500万度计算水蓄冷系统相较于传统水冷空调系统一年可以节省电费252万元，预计3到5年可以回收投资（约5000立方蓄冷罐），且蓄冷罐钢材可循环回收利用。

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