1 概 述

当前,节能已成为数据中心规划设计和运行的最重要的工作之一,而空调制冷系统能耗约占数据中心总体能耗的40%,无论从减少能源消耗,还是从降低数据中心的运行成本获取商业价值的角度,空调制冷系统的节能运行已成为最关键的环节。

业内专家们把数据中心的应用需求与空调暖通行业技术相结合,开发应用了各种节能方案,取得了较好的效果。这些措施包括:提高空调能效、选择最优送回风方案、冷热通道布局、高热密度设计、选用变容量空调设备、应用智能群控技术等等,任何一项技术都值得深入研究。

近年来,针对数据中心特有的全年制冷特征,充分利用环境冷源的自然冷却技术(FreeCooling),因其强大的节能能力和潜力逐渐走进主流市场。由于数据中心内部IT设备发热量大,建筑的围护结构传热量很小,必须通过制冷空调设备,把室内设备产生的热量排到室外。当室外环境温度低于数据中心内部温度时,仍然需要空调提供冷量。如果把室外自然界的低温冷源直接用来冷却机房,减少制冷压缩机运行时间甚至关闭,就可以节约能源消耗,这类方案称为自然冷却方案。

自然冷却方案有多种,按热量输送介质的不同,可分为两大类。一类是以空气为介质的节能自然冷却系统,包括新风蒸发冷自然冷、直接新风自然冷、间接新风自然冷等;另一类是以液体为介质的自然冷却系统,包括风冷机房空调自然冷(即通常所说的氟泵自然冷机房空调)、冷水系统自然冷、乙二醇自然冷等。每种自然冷却方式各有优缺点及相应地应用限制,均无法单独完成全年的制冷要求,因此自然冷却系统只能作为压缩机机械制冷系统的补充,其价值在于节约压缩机制冷系统的能耗。同时,由于数据中心对制冷空调系统的依赖性很高,这就需要自然冷却方案与压缩机制冷系统紧密结合,在确保制冷系统可靠性的基础上,最大限度地节约机械制冷能耗。

理论上,当室内外温差达到某个值时,自然冷却系统就可以启动运行。但由于系统可靠性、制冷量、工艺要求、实际效果等因素的影响,事实上却不能启动或没有节能经济性,仍要靠机械制冷方式运行。把理论上可以自然冷却,但却由于种种原因不能利用的时间,称为自然冷却的“尴尬时段”。如何缩减自然冷却的“尴尬时段”,成为各种自然冷却方案所要解决的课题。对这些问题的解决或提升,成为自然冷却方案成功与否的关键因素。表1给出了一些自然冷却方案与相应数据,可供参考。

“尴尬时段“的来源有两大类:一是因为某些不可控因素影响到了系统的可靠性,如雨雪沙霾、低温冰冻、水源水质等,造成可用的自然冷源无法利用;二是在室外环境温度高低变化的过渡季节,因自然冷却模式的能力或能效达不到应用需求,而不得不继续使用压缩机机械制冷模式,从而减少了节能量。

避免第一类尴尬时段,需根据当地环境情况,充分考虑节能运行带来的负面问题,选用合适的自然冷却模式。如果前期方案一旦确定,到运行时才发现这些问题,补救难度很大,而且现场的补救措施无法得到充分验证,很可能引起新的未知风险,大大降低了节能运行的经济性。反过来讲,如果选用了正确的自然冷方案和相应的产品,则这类尴尬时段可以完全消除。

第二类尴尬时段,即从机械制冷模式向完全自然冷却模式过渡的时段,这是无法避免的,但可以缩减。这就需要从各个细节入手,精益求精,提升所选用方案和产品的能力能效,把自然冷源的利用潜力“吃干榨净”。而从全国各地的全年气温上来看,恰恰分布在“过渡季节”时长较多,因此,如何缩减过渡季节的“尴尬时段”,是自然冷却方案成功与否的关键,也是各产品设备厂家提升技术能力的着力点。

表1中所列的风冷机房空调自然冷(俗称“氟泵空调”)方案,成功地消除了第一类尴尬时段,适应全国各地所有的应用场景,正在成为数据中心自然冷却的主流方案。特别是在近两年,氟泵自然冷技术与传统的风冷机房空调技术完美结合,整体能效很高,同时不给数据中心带来任何“毒负作用”,正在迅速改变业内“风冷机房空调能效不如冷冻水系统”的观念，使风冷机房空调系统不但保持了在中型数据中心的绝对首选地位，而且在大型/巨型数据中心开始批量应用，优势地位逐渐显现。

氟泵自然冷机房空调历经十年技术沉淀、六次产品升级,精雕细琢,匠心独运,终于大器晚成。

其实际运行的能效表现远超业界预期,以风冷系统的形式,其能效水平已经超过水冷的大型冷冻水系统(离心式冷水机组)的运行能效。以北京的气候条件和实测的能效数据为例,其全年能效比(AEER)超过6.5(仍然以国标规定的室内回风温度24℃测试)。换算到PUE的计算方法,制冷因子已降低到0.15。

拥有如此逆天的战力,难道使用了传说中的“黑科技”?当然没有,氟泵自然冷机房空调仅仅是把每个细节做到极致,永保“可靠运行”底线基础上,在全年环境温度范围内,智能选择最优节能运行模式,把可能挖掘的节能潜力点滴积累,终于表现出靓丽的全年能效。

如前文所述,自然冷却的方案有多种,但唯有在过渡季节的运行表现,才能真正评价节能方案的高下。那么,氟泵自然冷机房空调如何缩短“尴尬时段”?

2  氟泵自然冷缩短“尴尬时段”

(1)氟泵自然冷机房空调的工作原理

氟泵自然冷机房空调的工作原理非常简单,其工作原理如图1所示。传统的风冷式机房空调制冷循环管路中,在冷凝器出口液管部位接入冷媒泵。在室外环境温度较低时,关闭制冷压缩机,以冷媒泵为动力,把冷媒输送到室内,完成制冷循环。冷媒泵的功耗极小(约为压缩机功耗的3%～5%),从而实现节能运行。

(2)氟泵自然冷的三种制冷运行模式

氟泵自然冷有三种制冷运行模式:压缩机机械制冷模式、“双擎”压泵双驱制冷模式和氟泵自然冷节能模式,如图2所示。

(3)氟泵自然冷机房空调如何缩短“尴尬时段”

在硬件上,风冷机房空调的能效已经有了大幅提升,这是基础。一直以来,受益于市场竞争的压力和持续的技术进步,行业主流产品的能效比(EER)比十年前提升了20%以上(基于相同的测试标准,从2.5提升到3.0)。

氟泵自然冷技术是国内自主研发的,其核心器件也由初期的借用“水泵”转向输送饱和相变冷媒的专用泵。和水泵相比,无需为其提供“汽蚀余量”,无需为冷媒提供过冷度,在运行上相当于扩大了冷凝器的换热面积,能效得到相应提升。

更为关键的是智能控制软件的作用,实时监控室内负荷的变化和每种运行模式的能力能效,实时选择最优的运行模式,并在热负荷和制冷能力变化时即时切换。

①智能选择运行模式

该模式实时监测室内热负荷和室外环境温度的变化,根据三种运行模式在不同室外环境温度下的能力能效,选取既能满足制冷量要求、同时在能效比最高的一种模式下运行。当室外温度变化或室内负荷变化时,在达到另一种最优模式运行条件时,即时切换。

图2表达了三种制冷模式所提供的制冷量和室内的热负荷情况;图3表达了三种制冷模式的能效比。首先保证制冷量大于室内需求,然后确定选择哪种能效比最高的运行模式。

②制冷运行模式的“即时切换”

“即时切换”在制冷系统的运行中有非常高的技术难度。众所周知,在传统的机房空调的制冷控制中,压缩机停机再开启需要有3min的缓冲时间,用于平衡系统压力和油位。氟泵运行和压缩机运行模式之间的切换时间,早期版本也需要30min,以避免压缩机中积液运行。但这个切换时间对提升节能效果是非常宝贵的,为此,开发专家团队设立专项攻关,历时一年,终于将安全切换时间缩减至零。

③单机双系统互相配合运行每台氟泵自然冷机房空调由两套完全相同氟泵+压缩机制冷系统组成。为了同时满足总冷量和能效比的要求,可以1号系统运行“压泵双驱制冷模式”(制冷量大),而2号系统运行氟泵自然冷模式(能效比高,但冷量低),二者综合起来,既能满足冷量要求,又能得到较高能效。两套系统运行模式也可主备互换。

通过上述软硬措施,可以把过渡季节的“尴尬时段”大幅压缩。从图3看出,即把原来的尴尬时段(A 0 ～D)分成了三段:

A 0 ～A,此时氟泵节能模式的制冷量虽然没有达到同机标称的压缩机制冷量,但比所需的热负荷大,完全满足制冷需求,因此可以完全使用氟泵自然冷节能运行。

A～C,此时需要判断热负荷需求、两种制冷模式的制冷量和能效比,智能选择氟泵模式或压泵双驱制冷模式。

C～D,此时室内外温差较小,开启压泵双驱制冷模式,用氟泵辅助压缩机运行。在此区间内,压泵双驱制冷比压缩机机械制冷模式节能10%以上。

室外温度高于D点(等于室内温度24℃),启动普通的压缩机制冷模式。

室外温度温度低于A 0 点(约为-5℃),此时氟泵自然冷能力已达到压缩机标称能力,能效比高达17,继续保持氟泵节能运行模式。

通过上述过程,把原来的“尴尬时段”(A 0 ～D)逐步压缩,直至为零。用实际温度来表达,就是把过渡季节(约-5℃～24℃)取消了,大大提升了节能量(注意:过渡季节或过渡时段不是定值,随着数据中心的设备发热量、空调设备的配备量、室内温度设定值等因素的变化而变化)。

④多机群控联合运行

在数据中心中,往往有在多台氟泵自然冷机房空调同时运行,每台机组提供了两套氟泵自然冷制冷系统。可以通过中央群控单元,把这些系统联合起来,统一指挥,各司其职,可以更加贴合负荷需求,取得更好的节能效果。当然,群控装置比较复杂,已经形成为一个产品单独销售了。

事实上,由于氟泵自然冷机房空调超强的节能能力和极短的“尴尬时段”,使其应用范围已经不再限于北方,长江以南同样也取得了显著的节能经济性,甚至连广州,也有明显的节能效果。图4是我国部分地区利用氟泵自然冷的节电量和节电率。

本文以上的分析与实例,均建立在国标规定的室内回风温度24℃的工况条件下。随着室内回风温度的提升(房间回风温度30℃,封闭冷热通道回风温度35℃),氟泵自然冷经济运行时段大大提升。

未来,可能以氟泵自然冷模式运行为主,而压缩机仅仅做为补充,只在夏天短时间运行或做仅为安全备份了。到那时,低PUE的数据中心将是“尴尬时段”最短的自然冷节能技术的舞台,数据中心的无谓能耗将会变得微不足道。

3 结束语

氟泵自然冷机房空调超强的节能能力和极短的“尴尬时段”,可成为在我国广大地区推广应用的节能技术,为降低数据中心的PUE值提供了一个新的解决方案。

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