一、前言
　　
　　近年来,随着我国经济发展和科技进步的需求,数据中心行业步入快速发展期,同时数据中心的能源消耗也逐年递增,详见图1。近3年内年用电量占比增速在10-12%之间,年耗电量增加非常迅猛。数据中心已经成为重大的耗能产业。如何有效的控制数据中心的能耗,已经成为数据中心建设和运行管理的最重要挑战之一。2021年7月国家发布了《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》,其中要求“新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下,严寒和寒冷地区力争降低到1.25以下。”这也对数据中心能耗提出了更严格的要求。事实上,多年来人们一直都在研究和讨论数据中心如何降低能耗。
　　
　　戴新强等人以水冷冷冻水系统为例,分析了数据中心空调系统的节能潜力和节能技术,认为空调系统的节能潜力巨大,是数据中心节能的重点,提出了合理提高冷冻水供回水温度、提高送风温度,增加自然冷源利用时间;选择高效节能空调设备;制定低负载运行方案,利用蓄冷罐储存的冷水,避免主机频繁启停;优化、空调系统设计,合理设计空调管路与阀门等运行策略。陈娟[2]对北京某数据中心空调系统进行详细调研,全面分析了空调系统用能情况及存在的问题,提出在设计阶段,应充分考虑实际用能和实际情况,结合未来发展选择空调制冷设备,应避免选型过大等浪费现象。在设备投入运行后,要以设备安全运行和高能效运行为指导思想,将设备节能运行和末端控制结合起来,提高数据中心的HVAC系统能效。
　　
　　折建利等人则通过对传统数据中心常规空调系统存在的问题进行了总结进而提出了新型自然冷却的几种形式，对风侧自然冷却和水侧自然冷却的几个典型应用形式进行了分析介绍，总结出自然冷却技术将是数据中心空调系统未来的发展趋势。
　　
　　康南等人在中国联通呼和浩特云数据中心,基于气候条件,通过自然冷却技术,利用板式换热器、冷却塔等为数据机房提供冷源,并与冷水机组供冷模式进行节能对比分析。他们的实践结果表明,在满足机房的供冷需求的同时,自然冷却具有良好的节能效果。
　　
　　以上这些研究和实践都在数据中心暖通系统的一个部分和实践层面进行了探讨，对实现绿色数据中心的设计、运行策略等给出了优化建议与策略。
　　
　　孙海峰[5]提出对数据中心冷冻水制冷系统采用“基于功率的转速控制”和“基于功率时序控制”来实现高效安全节能优化。他提出的“基于功率的转速控制”是采用一种被称作“等边际原则”的控制方法来计算和确定冷冻机、冷却泵和冷却塔风机之间的最佳功率关系,并在三个系统之间进行负载与效率的平衡,从而获得最佳的系统净效率。他认为传统的控制方法,即“基于容量的电动设备时序控制方法”,是为满足数据中心不断变化的负荷,使工作中的设备全速运转,直至按时序加载或卸载一台设备。而按“基于功率的时序控制”方法,在非满负荷条件下,组成设备将始终按其自然曲线在效率峰值状态下工作。通过确定系统最佳效率并在所有系统组成设备之间进行功率-效率的平衡,让所有工作负载的制冷需求得到满足。在某数据中心实践了该种控制方法,启用了数据中心的制冷系统的冗余设备,将全部冷机投入使用,使原始的制冷系统效率从0.83kW/t提高到了0.52kW/t,年运行成本也从$804K降低到了$493K,取得了良好的节能效果。
　　
　　赵磊、肖武[6]分析了间接蒸发冷却技术在数据中心中应用的背景,对间接蒸发冷却技术原理进行了介绍,通过实际案例对间接蒸发冷却技术在项目中的应用进行了初投资和运行费用的分析比较。他们的研究表明间接蒸发冷却技术在我国绝大部分地区都有着不小的节能潜力,且更适用于高纬度寒冷干燥地区。随着纬度的升高,空气的干燥度越大,间接蒸发冷却设备的节能效果越显著,但是在严寒地区例如哈尔滨,其温度在冰点以下时间太多,造成喷淋时间减小,不能充分利用高效的蒸发冷却,故比更干燥的地区需要更多的电能进行制冷。间接蒸发冷却机组的初投资相对较高,但电费可以有很大的节省,一般2～4年内相对普通的冷冻水型精密空调机组可以达到盈亏平衡点,且能降低数据中心配电成本。这些研究和分析或者基于独立设备,如间接蒸发冷却空调,或基于控制策略概念性叙述,或是对数据中心系统优化方法做概念性描述,很难用于指导数据中心节能运行策略实践。
　　
　　本文将依据上海某大型数据中心空调制冷系统各主要设备的实测性能数据与理论分析,详细探讨数据中心空调制冷系统各设备的节能运行策略,为未来数据中心的节能运行与设计优化提供理论与实践依据。
　　
　　二、上海某大型数据中心空调系统介绍
　　
　　该数据中心位于上海，1期总建筑面积约6万平方，总规划机架数约为5000架。其主供冷系统采用的是6套节能型水冷冷冻水系统，每套系统均采用磁悬浮变频冷水机组，2+1模式配制，并对应配置冷冻水泵、冷却水泵、开式冷却水塔、水处理及补水装置。同时为每台冷机配板式换热器，用于过度季节和冬季采用自然空气冷源。机房内采用冷冻水型列间或房间级精密空调。系统设2台250m3储冷罐，可保证系统最长20分钟的不间断供冷需求。
　　
　　系统中冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、各型精密空调风机都采用变频控制系统。冷冻水和冷却水主干网、每层空调水系统都采用环网布置,避免发生单点故障影响整个管网系统。
　　
　　三、数据中心供冷系统节能原理与策略分析
　　
　　1.机房精密空调节能原理与策略
　　
　　该数据中心机房精密空调皆采用EC变频风机水冷精密空调。该项目所选精密空调购自国内某知名品牌,产品技术具有一定的代表意义。所采用的水冷精密空调主要为水冷房间级空调和列间空调。房间级空调的主要参数为:显冷量150kW,额定风量39000m3/h,余压150Pa,送风20,60%rh,回风32℃,30%rh,额定制冷功率9.45kW,EC风机,下送风上回风;列间空调主要参数为:显冷量44kW,额定风量11050m3/h,余压20Pa,送风20℃,60%rh,回风32℃,30%rh,额定制冷功率.05kW,EC风机,前送风后回风。
　　
　　我们采用标准焓差室对该品牌的房间级空调和列间空调的样机,在设定工况不同空调负荷下的功耗进行了测试。主要对100%、80%、60%和40%冷负载下的功耗进行了测量,具体结果见图3。
　　
　　从测试结果可以发现,随着冷负荷下降,这2种精密空调的能耗都大幅下降,例如对房间级精密空调,当负荷从100%下降到80%时,功耗从约9.5kW下降至不足4.5kW,降幅约50%;对于列间空调,从图3中可以看到类似的规律,在负荷下降20%的情况下,功耗下降了约50%。
　　
　　从变频精密空调测试结果得出,随变频精密空调负载率下降,空调能耗有较大下降,效率提升约160%。这提示我们,保持变频精密空调在较低负载下运行,是一个有效的降低数据中心能耗的途径,具体措施则是在正常负载下,除正常运行的空调外,同时开启部分或全部备机,用于降低各机的负载率,总供冷量保持不变的情况下,能效得到极大提示。需要注意,我们的测试表明,EC变频空调在负载率低于60%时,空调送风余压会有大幅降低,降低约40%。为保证送风压力,建议保持空调负载率在60%及以上。
　　
　　2.冷水机组的节能原理与策略
　　
　　此数据中心采用某国际知名品牌的变频磁悬浮离心式冷水机组,采用2+1配置,单机制冷量为1300rt,冷冻水供、回水温度分别为15℃、21℃。同时,冷水机组配合板式换热器共同工作,以便在过度季和冬季,实现部分和全部自然供冷。整套制冷系统中,冷冻水泵采用二次泵系统,其中一次泵与冷水机组一一对应,同时板式换热器也与冷水机组一一对应。冷水机组的供、回水主管采用环网结构,具体流程可见图2。二次泵从冷水机组的供回主管环网中吸取冷冻水,送往末端,其供水干网同样采用环网型式,提升供水可靠性。二次泵与冷水机组不存在一一对应关系。
　　
　　图4显示了该磁悬浮离心式冷水机组在冷供、回水温度为15℃、21℃下,对应不同冷却水进口温度时,其COP在不同负载率下的变化规律。从图4中可以看出,在各冷却水进口温度下,该型变频冷水机组COP的变化规划存在共性:
　　
　　1）冷水机组COP效率最高的区间出现在负荷30%-60%之间;
　　
　　2）冷却水进口温度越低，COP效率越高，且随水温下降，COP增长率变大，图5中可以明显的看出这样的变化，随冷却水进口温度下降曲线斜率在增加;
　　
　　3）冷水机组满负荷运行时,COP效率偏低;
　　
　　4）同一冷却水进口温度下,冷水机组COP随负载率的降低,呈现先增加,在40%负载左右达到最大后,逐步下降的趋势;
　　
　　5）冷水进口温度较低时,低负载区间的机组COP要远大于满载时的COP,典型表现见图4中18℃和22℃的曲线。
　　
　　图6显示了冷却水进口为26℃时冷水机组COP及功耗变化趋势。从图中可以看出，在30%以上负荷时，随着冷水机组负荷率下降，功耗变化都为负值，即功耗一直在降低，当负荷率低于30%以后，随负荷进一步下降，功耗反而呈增加趋势，且增加较大。
　　
　　综合上述对变频磁悬浮离心式冷水机组性能数据的分析可以得出以下分析结论:
　　
　　1）在冷冻水温一定的情况下,冷却水温越低,冷水机组的效率越高,机组能耗越低;
　　
　　2）在同一冷却水进口温度下,冷水机组在负载率高于30%时,随着负载率下降,机组效率提升,能耗下降;
　　
　　3）对变频冷水机组,负载率30%-50%是能效表现最佳区间,满载时能效较差。
　　
　　这提示我们,在数据中心供冷系统运行时,应尽量避免冷水机组满载运行,根据总体负载情况,让冷水机组个体多工作在最佳运行工况附近,如40%-50%区间内。且当冷却水进口温度较低时,在保持冷水机组正常运行的前提下,让机组低负荷运行比满载运行更有利于节能降耗。
　　
　　3.冷却塔运行策略分析
　　
　　本项目采用某国际知名品牌的横流开式冷却水塔,配合冷水机组工作,同样采用2+1配置,单机选型流量750m3/h,供、回水温差6℃,选用变频风机,风机采用变频电机,功率60kW。
　　
　　依据冷水机组的节能原理,冷却水温度的高低在很大程度上影响着冷水机组的效率和能耗。因此,认识清楚冷却水塔在不同工况下的出水温度规律,对制定相关的节能策略是非常关键的。根据冷却水塔厂家提供的性能数据,我们研究了不同环境湿球温度下,不同负载情况下,冷却水塔出水温度的变化规律,具体见图7。图7显示了冷却水塔6℃供、回水温差工况情况下,60%、80%和100%负载情况下,冷却水塔出水温度随环境湿球温度的变化情况。从图中可以看出,在湿球温度高于22℃时,不同负载率下冷却水塔的出水温度基本一致。再当湿球温度更低时,出水温度差异逐渐变大,且负载率越低,冷却水塔出水温度也越低。以湿球温度14℃时为例,60%负载下出水温度约17℃,100%负载的约20℃,约有3℃温差。同时,随着负载率降低,出水温度持续降低的幅度约小。
　　
　　　　
　　T0——蒸发温度
　　
　　Tk——冷凝温度
　　
　　按逆卡诺循环效率公式(1)分析,蒸发温度不变,冷凝温度下降3度,效率约提升25%,耗功减少约20%,节能效果明显。
　　
　　图8显示了100%工况下,冷却水供、回水对冷却塔出水温度的影响。可以看出,与负载率的影响类似,随着环境湿球温度降低,供回水温差越小的工况,冷却水塔的出水温度显示更低。但在高湿球温度情况下,出水温度没有明显差异。
　　
　　此外,冷却水温度降低后,除了可以提升冷水机组制冷效率,降低冷水机组功耗外,也有利于制冷系统更快的进入全部自然冷供冷模式,从而大大降低数据中心全年PUE。
　　
　　综合上述分析,我们可以得出以下结论:
　　
　　1）在制冷系统正常工作时,在环境湿球温度低于24℃时,可采取措施,如打开备机等方法,避免冷却水塔工作在满载工况,以得到更低的出水温度,从而提高冷水机组的效率,达到降低制冷系统整体功耗的目的;
　　
　　2）在冷却水泵运行工况允许的情况下,当环境湿球温度较低时,可提高冷却水流量,降低供回水温差,达到降低冷却水出水温度的目的;
　　
　　3）避免开启不必要的冷却水塔,如冷却水塔已经工作在60%负载及以下时,不必开启新的冷却水塔,以得到更低的负载工况。因为更低负载工况下,冷却水塔出水温度变化不大,冷却水塔的功耗反而增加了,对总体能效表现不利。
　　
　　四、总结
　　
　　数据中心已经成为高耗能行业,国家对数据中心的能耗要求也越来越严格,而数据中心主要能耗系统除IT设备外,主要是空调系统,如何有效的控制、降低数据中心空调系统的能耗已经成为数据中心管理和运营的核心目标之一。
　　
　　本文以上海某在建大型数据中心空调系统与核心耗能设备为分析对象,依据设备厂验测试数据与厂家提供的设备性能数据,重点研究、分析了数据中心空调制冷系统中精密空调、冷水机组和冷却水塔等设备的节能运行策略,总结如下:
　　
　　1）空调系统中各设备应尽可能采用变频控制;
　　
　　2）变频精密空调应避免满负荷运行,通过启用备机等手段,保持各空调负载率在60%-80%,能达到非常好的节能效果,但应避免负载率低于50%;
　　
　　3）同工况下,变频磁悬浮冷水机组最佳的运行工况区间在负载率30%-50%之间,负载率越高,效率在下降,应根据总体负荷情况,通过启停机策略避免冷水机组工作在高负债区间,以提升制冷系统总体能效;
　　
　　4）冷却水温度对冷水机组的效率有较大影响,冷却水温度越低,冷水机组效率越高,应尽可能降低冷水机组冷却水进口温度,且冷却水温度越低,制冷系统也能更快进入全自然冷供冷工况,有效提升空调系统全年的能效;
　　
　　5）同样环境温度情况下,冷却水塔的负荷率和供回水温度对冷却水塔的出水温度有较大影响,在条件许可的情况下,在室外湿球温度低于24℃时及以下时,可以通过增开冷却水塔,降低冷却水塔负载率,以及增加冷却水流量降低供回水温差的策略,提前降低冷却水出水温度,从而提升制冷系统全年能效。需要注意当冷却水塔负荷低于60%及以下时,不建议继续通过增开冷却水塔的方式减少其负荷,此时冷却水塔功耗增加较大,反而降低整体系统的能效。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]戴新强,丁卫科,黄建如,etal.数据中心空调系统能耗与节能应用研究[J].中国设备工程,2020,No.440(04):19-21.
　　
　　[2]陈娟.北京某数据中心空调制冷系统用能分析[J].节能,2015,034(003):46-8.
　　
　　[3]折建利,黄翔,刘凯磊,耿志超.自然冷却技术在数据中心的应用[J].制冷,2017:60-5.
　　
　　[4]康楠,刘阳.呼和浩特云数据中心制冷系统自然冷源节能技术实践[J].邮电设计技术,2019:96-8.
　　
　　[5]孙海峰.数据中心冷冻水系统高效安全与节能优化[J].上海节能,2018,(12):978-81.
　　
　　[6]赵磊,肖武.间接蒸发冷却技术在数据中心应用的经济性分析[J].制冷与空调,2020:68-73.
　　
　　作者简介
　　
　　陈东升,毕业于上海交通大学,工学博士,目前研究方向数据中心节能运行及优化,新能源技术及其应用,节能减排等,现就职上海达卯科技有限公司。
　　
　　编辑：Harris