基于温湿度独立控制的数据中心高效冷源设计实践.pdf

79Journalof BEEHV&ACNo.7 in 2023(Total Vol.51,No.389)暖通空调2023年第7 期（总第51卷第3 8 9 期）建筑节能（中英文doi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.07.013基于温湿度独立控制的数据中心高效冷源设计实路陈震宇（福建省建筑设计研究院有限公司，福州350001)摘要：通过对地处夏热冬暖地区的数据中心数字福建云计算中心（社会和企业云）进行分析，描述项目所在地的全年气候特征，阐述数据中心的空调冷负荷特点，全面介绍了本项目基于温湿度独立控制技术所构建的高效节能、安全可靠的高温冷源所采用的各项节能减排技术措施。结合主冷源、冬季免费供冷冷源、空调水变频输配系统的配置及运行控制策略等诸多方面因素，分析了不同冷却水温度工况下的冷源能效。结合福州地区典型年各级湿球温度频数分布进行加权分析，可知：该冷源的全年平均设计能效比EER在6.8 W/W以上，数据中心能源效率PUE约为1.3 W/W，取得了良好的节能减排效益。关键词：夏热冬暖地区；温湿度独立控制；高温冷源；全年平均设计能效比（EER)；PU E中图分类号：TU83文献标志码：A文章编号：2096-9422(2023)07-0079-05Design Practice of High-efficient Cold Source Based on IndependentControl of Temperature and Humidity in Data CenterCHEN Zhenyu(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research Co.,Ltd,Fuzhou 350001,China)Abstract:This paper takes Computing Center of Digital Fujian Cloud(Social and Enterprise Cloud)in hot summer and warm winter area as an example,describes the annual climate characteristics of theproject site,expounds the characteristics of air conditioning cooling load in the data center,describesvarious energy-saving and emission reduction technical measures adopted by the high-temperature coldsource,which is based on the independent control technology for temperature and humidity.Combinedwith many factors,such as the configuration and operation control strategy of main cooling source,freecooling source in winter and air conditioning water system,the energy efficiency of cold source undervarious cooling water temperature conditions is analyzed.Based on the weighted analysis of the frequencydistribution of wet bulb temperature at all levels in typical years in Fuzhou,the analysis shows that theannual average design energy efficiency ratio of the cold source is more than 6.8 W/W,and the PUE isabout 1.3 W/W,which has achieved good benefits of energy conservation and emission reduction.Keywords:hot summer and warm winter region;independent control of temperature and humidity;high-temperature cold source;annual average design energy efficiency ratio;PUE0引言随着数字经济的发展，充分发挥数据资源的引擎作用对推动经济高质量发展至关重要。数据中心作为其中重要的战略资源，正处于高速发展时期。由于数据中心冷负荷指标高、显热负荷比重大，空调冷源能耗仅次于机柜能耗，其全年综合制冷能效成为影响数据中心能源效率(PUE)的最关键因素。收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 5；修回日期：2 0 2 3-0 7-19笔者以地处福建省会的福州市长乐滨海新城数字福建云计算中心（社会和企业云）为例，结合当地气象资料和建筑物负荷特性，开展了高效机房实践，分析了其冷源EER、能源效率PUE及节能减排效益，为夏热冬暖地区大中型数据中心设计提供参考。1项目概况数字福建云计算中心（社会和企业云）又名数字福建云计算中心（商务云），为“数字福建”重点建设80陈震宇：基于温湿度独立控制的数据中心高效冷源设计实践的“两云”项目之一，为实现“数字福建”跨越式发展的重中之重的基础设施建设项目。项目由数据机房主体、附属的动力中心组成，总建筑面积为3 9 2 3 7.9 m，建筑高度为2 3.9 5m。数据机房主体采用六边形居中对称的布局，地上5层，地下1层。1层为冷冻机房、门厅，2 4层为云计算微模块机房，5层为备用机房及管理配套用房，地下为蓄冷罐间、消防水池，内院布置报告厅、监测大厅。附属的2 栋动力中心分居于主体后方，地上4层，内部设置了柴油发电机房、变配电机房等。项目设计起始于2 0 15年3 月，竣工验收于2017年6 月。项目实景如图1所示。图1数字福建云计算中心（社会和企业云）实景图项目按A类、T等级的标准设计，规划设置微模块机柜40 56 个，机柜总电功率负荷2 3 8 11kW。建设目标强调数据中心能源效率PUE，要求达到优秀级别(PUE1.5)2气候特征福州市地处夏热冬暖地区1.2】、属亚热带季风气候，年平均气温为2 0 2 5；最冷月1-2 月的平均气温在10 左右；最热月7 8 月的平均气温为3 3 37。根据中国建筑热环境分析专用气象数据集 3.4 典型气象年数据，福州地区典型年的室外干、湿球温度分布如图2 所示，湿球温度频数分布如图3所示。40.0一干球温度35.0一湿球温度30.025.020.015.010.05.00.0三一一一5一256日期图2福州地区典型年的室外温度分布图由图2、3 可知，福州地区夏季较长且高温高湿，制约了制冷效率；如采用传统空调系统的冷冻水温度（7/12），湿球温度须低于4方可实现冷却塔免费供冷，但福州冬季较短且湿球温度较高（低于4的时长不超过7 8 h 5160013931400120010009338478457738088007426536225556005114002007808018t91t1819192各级湿球温度/图3福州地区典型年的各级湿球温度频数分布图3空调负荷分析项目空调区域主要功能区域包括办公与管理用房、调度指挥中心、IDC数据中心。（1）根据机柜排列规划图,机柜总耗功率2 3 8 11kW。(2)空调负荷计算 6 ：结果汇总如表1所示。表1空调负荷汇总表数据中心数据中心办公与管理用房、服务区域（显热）（新风）调度指挥中心冷负荷/kW24259882471热负荷/kW161一一（3)空调负荷分析：对比各区域的空调负荷，数据中心负荷占到了总冷负荷的9 8%以上，其中又以显热负荷为主（占数据中心负荷的9 6.5%）且常年稳定，湿负荷（新风、人员）较小。4空调冷热源小开间的办公与管理用房，采用风冷VRF空调+新风系统；高大空间的调度指挥中心采用直膨式空调。IDC数据中心机房空调系统采用温湿度独立控制（THIC)系统 7 。新风系统采用6 台防盐预冷型溶液调湿型新风机组（总风量46 50 0 m/h），用于控制湿度和保障房间正压。显热降温冷源采用主冷源+安全应急备用冷源+冬季免费供冷冷源的组合形式 8 ,空调水系统采用一次泵变频变流量系统。4.1主冷源采用高温高能效冷水机组群。考虑数据中心存在常年稳定的空调冷负荷且全年不间断运行，冷水机组台数按N+1余备用进行配置，配置4台制冷量7032kW的高温高压(10 kV)高能效离心式冷水机组（负荷可用度上限为N的9 0%，即6 3 2 8.8 kW）+3 台制冷量2 10 9.6 kW的高温常压（3 8 0 V)高能效离心式冷水机组,冷冻水供回水温度13/19 9 ,机组均为变频机型，可充分利用气温变化，降低冷却水温度、提高机组COP。初期IT机柜装机功率较低时采用常压（3 8 0 V)冷水机组供给冷量；待装机规模较大后，高压（10 kV)冷水机组作为主要冷源，常压（3 8 0 V)冷81CHENZhenyu.DesignPracticeof High-efficientCold Source Based on IndependentControl of Temperature and Humidity in DataCenter水机组作为其备用。4.2安全应急备用冷源传统做法为室外立式高大蓄冷罐。本项目由于建筑规划布置限制，无室外布置条件，采用卧式迷宫式蓄冷水罐，罐体设置于地下蓄冷罐间。蓄冷罐设计总容量为6 6 0 m，采用在线蓄冷连接方式，蓄冷温度13,最大可供15min的应急使用。空调冷冻水泵接人不间断电源，发生紧急停电时，空调冷冻水泵及蓄冷罐不间断供给冷量，待发电机投人运行后重新启动冷水机组群。4.3冬季免费供冷冷源共配置5台550 0 kW板式换热器。由于温湿度独立控制技术的应用，冷冻水温大幅提高，延长了冷却塔免费供冷的可利用时间。根据福州典型年气象统计，室外湿球温度8 的共计约9 2 5h，约占10.6%。4.4空调水系统管路采用可进行在线维修的环状双路布置，一层水平干管呈六边形环状沿内庭院布置，并与各竖向分支立管连接，任意区域的空调末端均可连通2 个竖向分支立管。不仅实现局部管段检修时不间断供冷，还使各立管之间水力平衡性更佳。即使是局部管段检修时，不平衡率也低于15%。根据水力计算结果，水泵选型如表2 所示。表2水泵主要参数表序号功能主要参数台数1050m/h,35m,1空调冷冻水泵（大泵）4用1备=87.65%,132 kW350 m/h,35 m,2空调冷冻水泵（小泵）3用1备=85.02%,45 kW1500 m/h,28.5 m,3冷却水泵4用1备n=85.94%,160 kW考虑稳定供水要求，各立管的供回水压差按不小于2 15kPa。如图4所示，本项目结合循环水泵组特性曲线与管网特性曲线，以水泵效率为优先原则，拟定了水泵运行台数规则水泵变频采用最不利点压差变频控制法，在接近中段的两条独立水平管上设置2 组压差传感器（互为备用），取最小值与设定值进行比较，调节水泵频率，避免循环水量过大需要旁通、扬程过大需要阀门节流的双重浪费。0%Q20%Q30%Q60%Q84%Q100%Q13台小泵运行台大泵运行2台大泵运行3台大泵运行4台大泵运行40100大泵效率曲线36903280287024602台大泵并联效率曲线3台大泵并联效率曲线4台大泵并联效率曲线2050管网特性曲线1台人泵工频曲线2台大泵工频曲线3台大泵工频曲线16404台大泵工频曲线123082041000025050075010001250150017502000225025002750300032503500375040004250水流量Q/(m/h)图4冷冻水变频循环泵运行策略示意图5主要技术经济指标分析5.1冷源运行特征（1）数据中心空调负荷以机柜负荷为主，随IT机柜招租、分阶段建设而逐步稳定增加；（2）已安装运营的IT机柜发热量常年稳定且形成冷负荷；（3)IT 机柜满载后，冷水机组全年负载率均接近于设计工况；（4)所需冷冻水温度稳定为13/19,冷却水温度随室外湿球温度变化。5.2冷水机组群运行策略本项目通过测量空调供回水温差及流量计算实际空调冷负荷，确定冷水机组群的启停台数。冷水机组群运行策略如图5所示 10】：冷水机组随空调负荷率增加而逐步加载；在运营初期负荷率较低，常压（3 8 0 V）冷水机组优先运行；待负荷率高于2 0%以后，均采用高压（10 kV）冷水机组优先供给空调冷冻水；单台冷水机组实际运行负载率均在50%以上 5.3冷水机组各工况COP选购的冷水机组各工况COP如表3、4所示。显然，高压（10 kV）冷水机组COP在全年变冷却水温82陈震宇：基于温湿度独立控制的数据中心高效冷源设计实践1009080706050401005101520253035404550556065707580859095100空调负荷率/%高压冷水机组高压冷水机组高压冷水机组高压冷水机组常压冷水机组口常压冷水机组口常压冷水机组图5冷水机组群运行策略示意图度、高负载率区间（6 0%10 0%）均处于高效，尤其是设计工况（9 0%负载率）COP达到最高。5.4冷源侧EER12设计工况（IT机柜满载），冷源侧能效比EER（冷量/（冷水机组+冷却塔+水泵耗功率）随冷却水温度变化如图6 所示，结合福州地区典型年各级湿球温度频数分布进行加权分析，全年平均设计能效比EER约为6.8 W/W表3高温高压（10 kV）高能效离心式冷水机组各工况COP一览表冷却水进水负载率/%温度/100908070605040302010327.57.5157.5097.3987.1476.7646.2625.2393.8922.164307.8477.9197.8917.8317.5577.1646.6095.4834.0922.21288.2468.3038.38.1967.9427.5936.885.7724.3082.305268.6548.6758.6088.5988.4357.977.1986.0814.6342.394248.9669.0849.1749.128.8728.3647.4936.494.9112.491229.449.5949.6189.569.3758.827.9616.9485.2212.639209.84410.0310.1210.139.9689.3398.4477.4125.5192.7521810.3910.6210.7510.7210.489.9469.1367.8745.934.814表4高温常压（3 8 0 V）高能效离心式冷水机组各工况COP一览表冷却水进水负载率/%温度/100908070605040302010326.4456.676.8126.6396.2375.7065.2334.4213.4572.68306.6196.9057.0216.8926.5126.0055.5624.6673.6072.149286.8027.0887.2527.1146.7616.3965.8354.9573.7152.196266.9617.2627.417.4327.1876.8286.0735.213.8272.188247.0987.4127.6647.7027.6057.1686.4485.4653.9962.427227.4387.7497.9538.0978.0377.586.876.5.8514.2472.576207.6738.0758.4388.6618.5568.1497.5396.4044.6532.803188.2118.7299.1199.3579.3999.4158.5287.1576.25二87655.5295.7455.9446.1336.334 6.5786.78 7.0454321032302826242220 18冷却水进水温度/图6冷源侧EER随冷却水温度变化曲线图5.5数据中心能源效率PUEPUE是PowerUsageEffectiveness的简写，是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源的比值。13 冷源以外的其他主要空调设备耗功率按如下计算：新风机19 2.9 kW；降温空调末端2 16 0 kW；照明10 W/m；其他配套动力设备15W/m。如图7 所示，数据中心能源效率PUE始终维持在1.33W/W以下，随冷却水温度下降而下降；而在冷却塔免费供冷时，PUE低至1.19 W/W。结合福州地区典型年各级湿球温度频数分布进行加权分析，本项目全年设计PUE约为1.3 W/W1.51.41.31.3261.3181.3121.3071.3011.2951.291.2841.21.11.032302826 24222018冷却水进水温度/图7数据中心能源效率PUE随冷却水温度变化曲线图5.6节能减排效益节能减排分析的参考基准为国内以往已发布的数据中心参考值（PUE参照按2.0 W/W计），本项目PUE按1.3 W/W计算，节能率为7 0%，预计数据中心满载后，年节能总量为1.46 10 kWh。经济、环保效益如下：（1）以电价0.45元/kWh计，每年节约运行费用6 57 0 万元。(2)以0.40 4kgce/kWh计 14,每年节约一次能源标准煤58 9 8 4t。(3）以0.58 1kgCO,/kWh计，每年减少CO，排放量 8 4 8 2 6 t1583业资行讯CHEN2Zhenyu.DesignPracticeofHigh-efficientCold SourceBasedonIndependentControlof Temperature and Humidity in DataCenter5.7社会效益本项目作为“数字福建”发展的引擎、东南地区重要的数据中心，采用如上创新、高效、节能的空调技术，取得了显著的经济、环保效益，并入选了工信部等6部委发布的“2 0 2 0 年度国家绿色数据中心”名单，发挥了良好的社会示范效益。6结语本项目通过细致分析空调冷负荷特征及当地气候特征，以温湿度独立控制技术为基础构建了高效节能、安全可靠的数据中心高温冷源，主要采取如下技术措施：（1）考虑冷源全年运行，冷水机组选用高温高压(10kV)变频机型，充分利用冷却水温度降低带来的COP提高。（2)结合运行策略，重点考察冷水机组在变冷却水温度、高负载率区间（6 0%10 0%）的能效。(3)冷冻水温度提高至13/19，为冷却塔免费供冷创造了有利条件，可用时长达到月余。（4)冷冻水管网采用环状布置，并配置了在线蓄冷水罐，支持在线检修，确保机组局部故障、紧急停电时系统不间断供冷。(5)空调水系统量身制定水泵台数控制和变频控制策略,科学、准确降低水系统输配能耗。综上成套技术措施，本项目高效冷源全年平均设计能效比EER约为6.8 W/W，数据中心能源效率PUE约为1.3 W/W，取得了良好的节能减排效益。参考文献：1 G B50 17 6 2 0 16，民用建筑热工设计规范 S.2016.2GB501892015,公共建筑节能设计标准 S.2015.3JGJ/T3462014，建筑节能气象参数标准 S.2014.【4 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集M.北京：中国建筑工业出版社,2 0 0 5.5李红莲，寇雯，王安，等.典型气象年数据更新及其在建筑节能设计中的应用 J.建筑节能（中英文），2 0 2 1,49（11）：7 4-7 9.6】G B50 17 42 0 17,数据中心设计规范 S.2017.【7 江亿.温湿度独立控制空调系统 M.北京：中国建筑工业出版社，2006.8肖剑仁，林涛，陈华，等.基于温湿度独立控制的高温制冷耦合蓄能冷源空调系统：中国,2 0 17 2 0 8 3 4147.XP.2018-03-16【9 周小清，柳建华，徐小进，等.大型数据中心制冷系统设计 J.建筑节能,2 0 16,44(12):2 6-3 0.【10 陈震宇.夏热冬暖地区冷水（热泵）机组群选型要点J.福建建筑,2 0 19,(9):10 6-10 9.11贾晶，施敏琪.IPLV和COP对冷水机组全年能耗的影响 J.制冷与空调,2 0 12,12(1):8 9-9 2.【12 娄小军,王学军.数据中心水冷冷冻水系统能效分析 J.建筑节能,2 0 18,46(1):19-2 2.13智伟威，周新星，杨磊.PUE在数据中心节能管理中的应用研究 J：智能建筑,2 0 2 1,（12）：7 0-7 1.14 G B/T 2 58 9 2 0 2 0，综合能耗计算通则S.2020.15 G B/T 513 6 6 2 0 19,建筑碳排放计算标准 S.2019.作者简介：陈震宇（19 8 9），男，福建莆田人，建筑环境与设备工程专业，高级工程师，研究方向为暖通空调设计与绿建节能（3 7 8 7 0 2 0 3 0 )。关于征集2 0 2 3 年“中国好建筑”优秀实践案例的通知各相关单位：“中国好建筑行动”是在国家发展改革委、住房和城乡建设部、美国能源部、劳伦斯伯克利国家实验室共同支持下，由中国建筑节能协会搭建的公益性平台，至今已运行多年，受到行业广泛关注，对推进建筑领域节能减排起到积极的引领作用。中国建筑节能协会邀请各地方行业协会、科研院所、会员企业、建筑业主等共同开展2 0 2 3 年“中国好建筑”优秀实践案例征集工作，现将有关事项通知如下：一、征集时间2023年6 月2 0 日至2 0 2 3 年12 月3 1日二、申报板块1.绿色建筑/社区2.健康建筑/社区3.智慧建筑/社区4.零碳建筑/社区5.近零能耗建筑/社区6既有建筑节能改造/老旧小区改造/城市更新三、推广宣传1.人选案例将在中国建筑节能协会官网和官微进行公示、宣传；2.人选案例申报单位将有机会参与“中国好建筑”系列大会；3.人选案例将在中国建筑节能协会2 0 2 3 年年会发布。四、联系方式联系人：夏茂钟17 8 58 9 3 7 3 9 9、祁欣妍13 40 10 8 552 7电话：[phone]邮箱：地址：北京市海淀区三里河路11号建材南配楼出国建筑书能幼中国建筑节能协会2023年6 月2 0 日