数据中心制冷设备运行策略优化研究_杨赟.pdf

数据中心制冷设备运行策略优化研究杨赟1，郑继春1，高明星1，王昆1，王鹏2，闫兰飞2（1.中国铁路信息科技集团有限公司，北京100844；2.中铁信大数据科技有限公司，天津301700）摘要：针对某数据中心冷水机组、末端精密空调运行策略进行分析，并提出相应的运行策略优化方案。通过对比分析,验证了改进运行方案在保障数据中心正常运行的前提下具有安全可靠性、节能性。关键词：数据中心制冷设备运行策略节能优化中图分类号：TU831.3文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0074-03引言数据中心对我国数字经济蓬勃发展有着非常重要作用，对构建现代化经济体系、实现高质量发展的支撑作用不断凸显。随着大数据时代的到来，数据是企业最宝贵的资产。数据中心基础设施能耗巨大，节能降耗将带来显著的社会效益和经济效益。1研究背景与意义我国政府对建设高效、节能、绿色、环保数据中心高度重视。2020 年 12 月国家发展和改革委员会、中共中央网络安全和信息化委员会办公室、工业和信息化部、国家能源局发布 关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见，意见指出：推动数据中心绿色可持续发展，加快节能低碳技术的研发应用，提升能源利用效率，降低数据中心能耗，加大对基础设施资源的整合调度，推动老旧基础设施转型升级。数据中心内部由很多系统组成，包括 IT 设备系统、供配电系统、制冷系统等。如图 1 所示为数据中心各系统能耗分布图，其中数据中心制冷系统能耗占总能耗的 30%40%。因此数据中心基础设施节能发展的关键问题是如何降低制冷系统能耗。数据中心冷冻水型制冷系统包含冷却塔、循环水泵、冷水机组、精密空调等制冷设备，因冷水机组、末端精密空调能耗占比相对较大，故本论文对上述两种设备进行详述。2制冷设备运行策略优化2.1冷水机组运行策略优化2.1.1冷水机组工作原理冷水机组主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀四部分组成。制冷工质（即制冷剂）在蒸发器内吸收被冷却物的热量后汽化成蒸汽，压缩机不断将产生的蒸汽从蒸发器中抽出并进行压缩，经压缩后形成高温、高压蒸汽被送到冷凝器，然后向冷却介质（如水、空气等）放热冷凝成高压液体，经节流机构降压后进入蒸发器再次汽化吸收被冷却物体的热量,如此周而复始地循环。2.1.2冷水机组性能分析现场采取 2N 制冷系统架构，根据目前单侧冷水机组实际负载，调整不同冷却水供、回水温度，统计冷水机组总输入功率变化，如表 1 所示。由图 2 可知，在只考虑冷水机组不同冷却水供、回水温度变量情况下，冷却水供、回水温度越高，冷水机组输入总功率对应也越高。鉴于该数据中心现运行 IT 负荷较低，现场为 2N制冷系统架构，在保障末端合理供冷需求前提下，调整冷水机组冷冻水供水温度（设计冷冻水供水温度收稿日期：2022-02-23基金项目：中国铁路信息科技集团有限公司科研项目专项基金（2020B05）第一作者简介：杨赟（1974），女，硕士研究生，代理高级经济师，研究方向为数据中心能耗。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.028图 1数据中心各系统能耗分布图供配电系统9%其他4%制冷系统30%IT设备57%参数三组冷却水供、回水温度/24.3/25.828/30.332/32.5输入总功率/kW4171.8100.8表 1不同冷却水供、回水温度，冷水机组输入总功率变化图 2不同冷却水供、回水温度，冷水机组能耗对比1201008060402004171.8100.832.5322830.325.824.3123冷却水供水温度冷却水回水温度输入总功率功率/kW温度/专题综述2023 年第 2 期12，现场冷水机组冷冻水供水温度最高设定不超过 17 ），研究冷水机组不同冷冻水供水温度对应能耗变化。如表 2 所示为冷水机组不同冷冻水供水温度对应能耗统计。综合可得：单纯对于冷水机组而言，在保证冷水机组正常运行所需压比前提下，冷却水供、回水温度越低，冷冻水供水温度越高，冷水机组总输入功率越低，即冷水机组节能效果越明显。如图 3 所示为不同冷冻水出水温度对应冷水机组功率变化图。2.2精密空调运行策略优化2.2.1冷冻水型精密空调工作原理风机控制逻辑：风机需求下限速需求点需求，风机下限速；风机需求上限速需求点需求，风机上限速；上限速需求点需求 制冷需求 下限速需求点需求，风机转速按需调节。此外任意风机故障，则输出全部风机全速运转；风机需求失效，风机上限速；加热加湿模式，风机上限速。如图 4 所示为风机转速调节示意图。如图 5 所示为水阀开度调节示意图。水阀开度由制冷需求而定。冷需求上升，制冷需求 水阀起调点需求，水阀开启；水阀全开点需求 制冷需求 水阀起调点需求，水阀开度按需调节；冷需求 水阀全开点需求，水阀全开；制冷需求下降，制冷需求 水阀起调点需求，水阀维持最小开度；制冷 水阀全闭点需求。此外，传感器失效导致制冷需求计算失效，则水阀全开；除湿模式，水阀全开。通过风机转速和水阀开度共同调节，实现冷冻水型精密空调机组满足制冷需求前提下节能降耗1。由于风机功率与风机转速的三次方成正比，即风机转速由 100%下降为 50%时，风机功率由 100%下降为12.5%。因此为确保精密空调节能最大化，制定控制方案为：精密空调供冷量需求增大时，优先增大水阀开度，风机保持下限速度运行，水阀开度开到 100%后再增大风机转速；精密空调供冷量需求减小时，优先减小风机转速，风机转速降到下限值后再减小水阀开度。2.2.2能耗对比分析降低精密空调送风温度，能耗对比如表 3 所示。图 6 为统计不同月份 116 日 IT 机房精密空调能耗分析，9 月份、10 月份保持精密空调送风温度 22（冷冻水设定出水 12 ），11 月份下调精密空调送风温度至 18 （冷冻水设定出水温度 15 ），以达到增大精密空调水阀开度目的。通过对比分析发现，11月份精密空调开机数量最多，但是风机转速最低、水阀开度最大，对应能耗最小，精密空调能耗与空调风机转速呈正相关；并且增大水阀开度后干管冷冻水供/回水温差由 9 月、10 月份 10 温差降低至 11 月份 5 温差，同时各空调间运行精密空调冷冻水温差也大幅度减少，说明运行精密空调水阀开度增大功率/kW140.63127.08125113.512141515.5参数冷冻水供水温度/表 2冷水机组不同冷冻水供水温度对应能耗统计图 3不同冷冻水出水温度对应冷水机组功率变化图图 4风机转速调节示意图图 5水阀开度调节示意图参数11 月10 月9 月开机数量585351水阀平均开度/%524933风机平均转速百分比/%445672耗电量/kWh38 19876 88083 918表 3精密空调送风温度能耗对比图 6精密空调运行策略优化前后能耗对比1501005001234140.63127.08125113.515.5151412冷冻水出水温度/功率/kW转速上限速风机下限速下限速需求点上限速需求点风机需求开度100%水阀10%起调点全开点制冷需求7060504030201008070605040302010011 月10 月9 月平均功率开机数量水阀平均开度风机平均转速百分比3.784.291.7244%52%56%72%33%49%515258功率/kW温度/平均功率/kW开机数量水阀平均开度/%风机平均转速百分比/%杨赟，等：数据中心制冷设备运行策略优化研究75机械管理开发第 38 卷后，管路内冷冻水流动性能提高，提高了冷量输送效率。3运行策略调整结果经过近一年制冷系统运行策略优化及调整，能耗变化具体详见表 4。电源使用效率（PUE）月度变化曲线见图 7。制冷负载系数（CLF）月度变化曲线见图 8。由表 5 可知：制冷系统运行策略经过近一年调整优化，2021 年度数据中心 PUE 值较 2020 年度同比均有所下降，参考年度平均 PUE 值节约 18.8%；2021 年度制冷系统能耗 CLF 较 2020 年度同比减少，对应制冷系统能耗年平均节能约 42.0%。参考文献1邱育群，欧阳惕，原志锋.冷水式精密空调机组节能控制方法研究J.制冷与空调，2015（4）：70-72.（编辑：贾娟）年份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月10月11月12月平均20202.37 2.32 2.25 2.32 2.29 2.18 2.12 2.21 2.02 2.232021 1.94 1.86 1.77 1.73 1.82 1.83 1.91 1.92 1.86 1.82 1.65 1.59 1.81表 42020 年、2021 年园区 PUE 变化图 7PUE 月度变化曲线图 8CLF 月度变化曲线年份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月10月11月12月平均20200.67 0.79 0.74 0.77 0.79 0.73 0.65 0.64 0.47 0.692021 0.4 0.33 0.35 0.38 0.44 0.47 0.52 0.51 0.51 0.45 0.26 0.19 0.40表 52020、2021 园区 CLF 变化Research on Operation Strategy Optimization of Data Center Refrigeration SystemYang Yun1,Zheng Jichun1,Gao Mingxing1,Wang Kun1,Wang Peng2,Yan Lanfei2（1.China Railway Information Technology Group Co.,Ltd.,Beijing 100844;2.SinoRail Big DataTechnology Co.,Ltd.,Tianjin 301700）Abstract:The operation strategy of chiller and terminal precision air conditioner in a data center was analyzed,and the correspondingoperation strategy optimization scheme was put forward.Through comparative analysis,the improved operation scheme is verified to be safe,energy-saving and efficient on the premise of ensuring the normal operation of the data center.Key words:data center;refrigeration equipment;operation plan;energy saving optimization2.52.01.51.00.50.0PUE123456789101112月份202020212.372.322.252.322.292.182.122.212.021.941.861.771.731.821.831.911.921.861.821.651.590.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0123456789101112月份20202021CLF0.40.330.350.380.440.470.520.510.510.450.260.190.470.640.650.730.790.770.740.790.672杨雄.“00 后”群体思维方式与价值观念的新特征J.人民论坛，2021（10）：18-22.3刘洪银.劳动教育推动高职学生核心素养形成路径研究J.黑龙江高教研究，2022，40（1）：134-138.4邓忠波.大学课程中“水课”现象审视与“金课”建设进路J.中国电化教育，2020（4）：68-74.5陈鹏，范诗聆.虚拟空间中的游离:大学生“在线逃课”的质性研究J.高等教育研究，2021，42（2）：73-81.6芈天.基于虚拟仿真技术的机械制造在线课程教学研究J.工业技术与职业教育，2020，18（3）：48-51.7罗筱娟.以学生为中心的课堂教学环境建构J.教育理论与实践，2020，40（14）：3-5.8张睿，吴志鹏，黄枫岚.“00 后”大学生的思想观念及行为倾向研究J.思想理论教育，2021（6）：93-99.（编辑：贾娟）Research on Optimization of Engineering Training Process for Post-00sMi Tian,Lu Yingqin（Nanjing University of Technology,Nanjing Jiangsu 210000）Abstract:The traditional engineering training course has encountered unprecedented challenges to the after 00 students because of itsteaching form,teaching means and teaching content.Therefore,taking the practical students in the engineering training center of NanjingUniversity of technology as the research object,this paper analyzes the causes of the more significant personality characteristics of after00 and the influence of relevant personality on the teaching effect of current engineering training courses,and puts forward the curriculumadjustment scheme according to the relevant personality.Taking the course of turning of plane outer circle in engineering training as anexample,the adjustment scheme of each stage of the course is put forward.Key words:Post-00s;college students;engineering training;teaching scheme;personality characteristics（上接第 73 页）76