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数据中心制冷系统水温及空调末端控制策略研究

创作时间:

作者:

@小白创作中心

数据中心制冷系统水温及空调末端控制策略研究

引用

来源

http://www.dc-se.com/articledetail.asp?id=12402

随着数据中心作为“新基建”中重要的数字基础设施不断加快建设布局，其能耗问题也日益凸显。本文针对数据中心冷水空调系统，研究分析水温大幅提升的潜力和节能性，并对空调末端控制策略进行探讨，以实现空调系统节能性提升。

一、引言

近年来,随着国家提出“加快5G网络和数据中心等新型基础设施建设进度”,数据中心作为“新基建”中重要的数字基础设施不断加快建设布局,数据中心行业也快速蓬勃发展。但同时数据中心作为能耗大户,在去年首次和传统高耗能行业并列被划归为新的高耗能行业。

目前大型数据中心平均电能利用效率PUE为1.6左右,面对众多严格的绿色节能政策和监管,传统数据中心的节能压力迅速增加,如何实现数据中心绿色、高效、高质量发展是目前亟待解决的问题。冷水空调系统是目前新建大型数据中应用最为广泛的空调系统形式,本文针对该系统,研究分析水温大幅提升的潜力和节能性,并对空调末端控制策略进行探讨,以实现空调系统节能性提升。

二、数据中心典型冷水空调系统的基本构成

一个典型数据中心水冷冷冻水空调系统原理如图1所示,制冷系统采用冷水机组+开式冷却塔+板式换热器供冷方式,冷却塔与板换结合在冬季为数据中心供冷,充分利用自然冷源。系统通常由以下设备组成:冷水机组、冷却塔、板式换热器、冷水循环泵、冷却水循环泵、蓄冷水罐、加药装置、定压补水装置、软水器、软水箱等,该系统根据室外环境参数有三种运行工况模式,分别是夏季冷机独立供冷的完全机械制冷模式、过渡季板换+冷水机组联合供冷的部分自然冷源模式和冬季板换+冷却塔联合供冷的完全自然冷源模式。

传统数据中心冷水设计供水温度大多采用10℃、12℃、15℃等温度参数,众所周知,冷水温度提高对空调系统节能有较大意义,水温提高可以带来的节能优势有冷机能效提高及自然冷源时间延长,但水温提高对空调末端会产生不利的影响,在相同的风温设计工况下,空调末端会存在一定程度冷量衰减。

三、节能制冷系统水温提升策略

1.水温提升对空调末端的影响

以冷水型列间空调设备为例进行分析,列间空调设备布置在机架列间,空调设备前部出风,水平吹向两侧机柜,经过机柜前门并对设备制冷后,经机柜后门再回风到空调后部,空调设备平面布置示意图如2所示。列间空调设备使气体输送距离短,风机功率小,空调设备尺寸通常与标准机柜尺寸相同,采用600mm×1200mm×2200mm,空调供回水温度15/21℃,回风温度35℃,额定制冷量不低于40kW。以下分别按照三种风温控制场景,研究水温提升对空调末端的影响。

1）控制列间空调设备送风温度提高、回风温度提高:

对于水冷列间空调设备,如果空调送回风温度随着水温整体同步提高相同温度,此时空调设备风侧与水侧换热温差基本可以认为不变,同时空调设备换热面积不变、送风量不变,因此机组额定制冷量和空调设备风机能耗可以基本认为维持不变。

2）控制列间空调设备送风温度提高、回风温度不变:

风机风量维持额定不变,对于冷水供水温度提高后,为了保证回风温度不变,同一台机组必然导致空调额定制冷量降低,机组运行在小温差大风量工况,虽然单台机组功耗不变,但能效降低,相当于在相同制冷量下整体空调末端功耗增加,PUE提高。

3）控制列间空调设备送风温度不变、回风温度不变:

对于水冷列间空调设备,如果供水水温提升,同时保证空调送风温度和回风温度不变,空调机组就需要加大换热面积加大换热器体积,空调尺寸有可能会随之增加,相应空调需要进行特殊定制,此时空调制冷量维持不变。

通过以上分析可以看出,不同风温控制场景下水温提升会带来不同的影响,在满足规范机房环境温度同时不影响原有设计装机率情况下,空调末端可以提高的最高水温有必要进行调研分析。

目前实际工程采购的各个厂商列间空调设备制冷量有较大富余,如果以采购单台40kW制冷量为标准,即使送风温度提高也可以保证制冷量需求。表1是两家实际工程中采购的列间空调标准机型设备参数,可以看出由于送风温度较低,即使送风温度提高5℃,依然可以保证不超过25℃的送风要求,同时制冷量基本满足40kW且功耗不变。因此对于空调设备有较大的水温风温提升潜力。

依据国家标准《数据中心设计规范》中要求,当IT设备生产企业有明确温度使用要求时,按照IT设备参数执行,若未确定设备参数时,按照冷通道送风温度18～27℃执行,我们选取最高送风温度不超过27℃,相应回风温度不超过40℃作为调研前提,同时列间空调设备尺寸及最低40kW制冷量不变作为调研的限制条件。

经过调研,各个空调末端厂家可以做到的最高水温情况如表2所示。

目前标准机型列间空调水温最高提升到20/26℃,通过定制机型,列间空调满足40kW制冷量水温最高可以提升到22/28℃。因此在满足制冷量和耗电量基本不变的情况下,可以进一步挖掘提升水温的潜力,实现水温提升。

另外需要注意,数据中心除了IT主机房外,还有一部分电力电池室等电力用房,此部分房间要求的环境温度较低,由于无法进一步提高空调回风温度,因此水温提高后所采用的水冷精密空调冷量只能大幅衰减,考虑到设备摆放空间有限,对于此类房间可以采用独立设置风冷空调独立解决其制冷问题,从而实现整体水温提升。

2.水温提升对空调冷源的影响

水温提升对于冷水机组最直接的影响是可以提高机组能效,按照主流电动压缩式冷水机组厂家的经验参数,冷冻水温度每提升1℃,冷机能效可提高2%-3%左右。

除此以外,水温提升对于冷源节能最大的影响是可以大幅延长自然冷源时间。本文选取了五个气象分区中的典型城市,各城市室外逐时空气参数选择《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中提供的全年8760h气象参数,板式换热器小温差采用1.5℃,冷却塔冬季选型逼近度采用3.5℃,计算对比了水温由15/21℃提升到18/24℃和22/28℃后的不同城市的自然冷却小时统计数据,如表3所示。

可以看出针对不同地区,水温提高3℃,完全及部分自然冷却小时数增加700～2400h;水温提高7℃,完全及部分自然冷却小时数增加1000～3100h。

其中水温提高3℃对于温和地区昆明自然冷却时间提升最多(2345h);寒冷地区北京提升最少(720h);水温提高7℃对于夏热冬冷地区成都自然冷却时间提升最多(3079h);严寒地区呼和浩特提升最少(1073h)。

总体水温提升得对严寒和寒冷地区自然冷却小时数提升较小,因为这些地区全年气温偏低,提升空间有限。

3.水温提升节能分析

水温提升最终会提高空调冷源系统能效,以下分别对五个气象分区典型城市的数据中心在不同冷冻水温度下的空调冷源部分PUE因子进行测算,如表4所示。

可以看出针对不同地区,水温提高3℃,冷源PUE因子降低0.012～0.023;水温提高7℃,冷源PUE因子降低0.024～0.05。水温提升对于严寒和寒冷地区冷源PUE因子降低值低于其他地区,与之前的自然冷源小时数变化结论一致,温和地区冷源PUE因子降低最多。

因此,水温提升对于夏热冬冷、夏热冬暖及温和地区节能意义更大。

四、空调末端控制策略研究

数据中心冷水空调末端运行有多种控制策略,通常需要控制的对象有水阀开度和风机转速,需要控制的参数有送风温度、回风温度、送回风温差、供回水温差,其中水阀开度大小可以控制水流量,从而控制送风温度和供回水温差;风机转速快慢可以控制送风量,从而控制送风温度、回风温度、送回风温差。因此有必要首先对空调末端进行建模,分析其运行控制规律,根据模型研究最优的控制策略,从而实现整体空调系统节能。

1.水冷空调末端建模

以水冷列间空调设备为研究对象,模型初始条件为:额定制冷量40kW,回风35℃,送风22℃,供回水温度15/21℃,假设服务器额定风量送回风温差同为13℃,且当服务器负载发生变化时,服务器风扇会随之变频转速调整风量,并保持13℃进出风温差不变,另外假设服务器发热量与空调设备制冷量完全匹配,不考虑其他空调负荷,采用冷热通道封闭,由于为高温水运行,空调设备无除湿作用,空调按纯显热换热考虑,通过Excel软件进行模型计算,采用逆流对数传热系数计算方法对空调末端传热模型进行简化搭建传热模型,模型中主要体现风量、水量、风温及水温几个关键参数,模型示意图如图3所示。

空调模型首先按照初始条件反算出空调换热器换热面积与传热系数乘积,在模拟计算中可以按此计算出两侧水温、风温和实际换热量,具体可由以下公式计算:

式中:Q空调,设计为空调额定设计换热量(kW);ΔT设计为设计平均温差(℃);A为空调换热面积(m2);K为空调换热器综合传热系数(kW/m2•℃)。

式中:Q空调为空调实际换热量(kW);q1为空调送风量(kg/s);t2为空调回风温度(℃);t1为空调送风温度(℃);Q1为空调水侧流量(kg/s);T2为空调出水温度(℃);T1为空调进水温度(℃);ΔT实际为空调换热器实际平均温差(℃);C风、C水分别为风和水的比热容(kJ/℃•kg)。

2.控制策略研究

空调末端的控制策略主要针对如何应对负荷发生变化后空调做出优化调节的问题,以实际运行IT负荷降低,同时供水温度不变为研究场景,根据以上模型计算,在不做空调设备控制调节的情况下,空调设备主要参数变化如表5所示。

针对以上变化,有以下三种空调设备节能调节方法。

(1)方法一:空调设备风机变频减小风量，以保证回风温度升高至35℃不变，同时维持水阀最大开度。

此时空调设备主要参数变化如表6所示。该方法空调设备送风量减小,节省了风机能耗,但空调设备风量与服务器风量不匹配,小于服务器所需风量,服务器存在吸风不足,需要从缝隙抽吸热通道排风,导致实际服务器进风温度升高,混合后的进风温度理论上约为22℃,服务器风扇也因此阻力增加增大能耗,同时实际的进风温度不可控,存在安全隐患。该方法也被认为是回风温度控制。

(2)方法二:空调设备风机变频减小风量,以保证送回风温差维持13℃不变,同时减小水阀开度,维持22℃送风温度不变。

此时空调设备主要参数变化如表7所示。该方法空调设备送风量减小,流量减小,节省了风机和水泵能耗,同时在送回风温差保持13℃不变的情况下,空调设备风量始终与服务器所需风量保持一致,避免服务器风扇风量不足增加风扇能耗,也利于降低系统输送能耗,同时也保证了服务器进风温度恒定,节能的同时保证了安全性。该方法也被认为是送风温度控制。

(3)方法三:空调设备风机变频减小风量,保证送回风温差13℃不变,同时维持水阀最大开度,提高冷机供水温度,保证22℃送风温度不变。

此时空调设备主要参数变化如表8所示。该方法不仅节省了风机能耗,同时也提高水温提高了冷机能效,但是由于该方法提高了整个系统供水温度,对于机房负荷没有减小的机房内空调末端会造成制冷量不足的问题,该方法只适用于数据中心整体机房负荷同时减小的负荷调节,实际工程中适应性较低。

综合以上分析,方法一空调设备风机能耗节省最多,但存在服务器运行安全隐患;方案三额外降低了冷机能耗,但实际工程中较难运行控制;方案二在保证服务器安全运行的前提下最大限度提升了系统节能性,因此推荐采用方法二的控制逻辑。