數(shù)據(jù)中心運行會消耗大量電能。以北京電信2020年運營數(shù)據(jù)為例，電費支出占網(wǎng)絡(luò)運營總支出的比例超過40%，成為網(wǎng)絡(luò)運營第一成本。降低電費已成為企業(yè)降本增效、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。據(jù)統(tǒng)計，空調(diào)耗電量約占全網(wǎng)生產(chǎn)性耗電量的30%以上，因此，減少空調(diào)耗電量很重要。

2021年4月北京發(fā)布的《北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展實施方案（2021—2023年）》提出“以綠色化、智能化、集約化的模式推進北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展”，并明確提出改造后的計算型云數(shù)據(jù)中心PUE（數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT設(shè)備消耗的能源的比值）≤1.3的要求。可見，隨著我國能源政策收緊及北京地區(qū)對數(shù)據(jù)中心建設(shè)、運營的政策限制，提高能源使用效率已成為北京地區(qū)數(shù)據(jù)中心運營企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

１、實例數(shù)據(jù)中心概況

實例數(shù)據(jù)中心位于北京市市區(qū)內(nèi)，地上5層、地下3層，總建筑面積8.5萬㎡，建筑外形見圖1。該數(shù)據(jù)中心規(guī)劃安裝5～7kW機柜1.2萬個，2015年投產(chǎn)時為當時亞洲單體規(guī)模大的數(shù)據(jù)中心。項目采用建筑土建一次性完工、內(nèi)部分期建設(shè)的方式，其中一期已于2015年下半年運行。空調(diào)機房位于地下3層，采用集中式冷水機組＋房間級空調(diào)末端的供冷架構(gòu)，終期規(guī)劃9臺單機制冷量6300kW（1800rt）的高壓離心式冷水機組，具備冬季使用板式換熱器和冷卻塔實現(xiàn)自然冷卻功能。其中一期已投入運行3臺機組，按照兩用一備配置。

目前一期機房已投入IT設(shè)備總負荷為3150kW，圍護結(jié)構(gòu)冷負荷為350kW，合計3500kW。根據(jù)運行結(jié)果測算，當前機房年均PUE為1.4。根據(jù)北京市相關(guān)政策，迫切需要通過節(jié)能改造使PUE降至1.3以下。

２、改造技術(shù)方案

2.1　設(shè)計思路

該數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中冷水主機用能占制冷總能耗的45％以上，因此降低主機能耗是實現(xiàn)節(jié)能目標的關(guān)鍵。眾所周知，制冷最經(jīng)濟的方式就是充分利用外界自然冷源直接降溫，盡可能地縮短機械制冷時間。

對于已運營的數(shù)據(jù)中心，其改造技術(shù)方案應(yīng)對建筑空間和設(shè)備布置要求較低，對現(xiàn)有IT設(shè)備平穩(wěn)運行影響最小，好與原有水系統(tǒng)可直接匹配，能繼續(xù)利用現(xiàn)有管網(wǎng)和末端設(shè)備?？紤]到北京地處華北，屬于中等濕度地區(qū)，且該數(shù)據(jù)中心樓頂室外平臺有較為充裕的空間，因此較適宜采用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。通過綜合技術(shù)分析論證，最終確定采用新增間接蒸發(fā)冷卻冷水機組的技術(shù)措施，對一期機房實施節(jié)能改造。

2.2　設(shè)備選型

節(jié)能改造采用的設(shè)備為間接蒸發(fā)冷卻冷水機組（以下簡稱蒸發(fā)冷水機組），其技術(shù)原理如圖1所示。蒸發(fā)冷水機組是一種采用立管式間接蒸發(fā)冷卻器為核心換熱器的冷卻設(shè)備，機組主要包括間接蒸發(fā)冷卻和直接蒸發(fā)冷卻2個功能段。

圖1　蒸發(fā)冷水機組原理圖

圖2為機組熱濕處理過程的焓濕圖，G狀態(tài)點的機組供水全部被輸送至板式換熱器吸收機房側(cè)水系統(tǒng)熱量后，成為H狀態(tài)點后返回到淋水填料頂端進行噴淋，降溫后的G狀態(tài)點的機組供水再次被送至板式換熱器吸收機房側(cè)水系統(tǒng)熱量，成為H狀態(tài)點的機組回水，如此循環(huán)。外界環(huán)境空氣一部分經(jīng)過立管式間接蒸發(fā)冷卻器的一次換熱通道，從狀態(tài)點O等濕預(yù)冷至狀態(tài)點C；另一部分則經(jīng)過立管式間接蒸發(fā)冷卻器的二次換熱通道，從狀態(tài)點O增焓加濕至狀態(tài)點P，最后排放到大氣環(huán)境中。預(yù)冷后的空氣從底部進入淋水填料換熱器內(nèi)與機組回水接觸，發(fā)生近似直接蒸發(fā)冷卻的熱濕交換，從狀態(tài)點C增焓加濕至狀態(tài)點E，最后被排風機從機組頂部排入大氣環(huán)境中。在使用時，優(yōu)先開啟直接蒸發(fā)冷卻段提供冷量，當室外濕球溫度過高、冷量無法滿足機房制冷需求時，自動開啟間接蒸發(fā)冷卻段，各功能段通過變頻控制達到機房制冷需求。

圖2　蒸發(fā)冷水機組熱濕處理過程焓濕圖

2.3　改造方案

在樓頂平臺增設(shè)10臺單臺制冷量400kW的蒸發(fā)冷水機組接入原冷卻水系統(tǒng)，改造示意圖見圖3，增設(shè)供水管和回水管，通過三通實現(xiàn)與原冷卻水供回水管路互通。供回水管路間并聯(lián)布置10臺蒸發(fā)冷水機組（九用一備）。新增設(shè)備的控制系統(tǒng)在原有群控系統(tǒng)上開發(fā)，每臺均單獨設(shè)置電動閥控制啟停，可實現(xiàn)遠程自動監(jiān)測和控制。該方案大限度保持原系統(tǒng)架構(gòu)，原冷卻塔可作為備份使用，安全性得到充分保障。由于機組采用模塊化設(shè)計，可實現(xiàn)工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼接，施工周期可縮短3個月。

圖3　節(jié)能改造示意圖

3、運行方案

3.1　運行策略

改造前，機房空調(diào)系統(tǒng)在春夏秋3個季節(jié)的絕大部分時間里采用機械制冷模式，制取13℃的冷水，18℃的回水經(jīng)機械制冷降至13℃。當冬季室外濕球溫度低于8℃時，系統(tǒng)切換至自然冷卻模式，通過冷卻塔和板式換熱器實現(xiàn)自然冷卻。

改造后，由蒸發(fā)冷水機組代替原有冷卻塔，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)在全年不同工況下縮短機械制冷機組運行時長和降低機組功耗，實現(xiàn)蒸發(fā)冷水機組節(jié)能運行。根據(jù)室外濕球溫度由低到高，系統(tǒng)可實現(xiàn)完全自然冷卻、自然冷卻復(fù)合機械制冷和機械制冷3種節(jié)能運行模式。

3.2　完全自然冷卻模式

在秋冬春季節(jié)里，當室外濕球溫度低于14℃時，系統(tǒng)運行完全自然冷卻模式，即關(guān)閉1臺機械制冷機組及其對應(yīng)的1臺冷卻塔，改由蒸發(fā)冷水機組聯(lián)合板式換熱器為機房提供13 ℃/18 ℃的冷水。

在此運行模式下，機械制冷機組完全被蒸發(fā)冷水機組所代替，由于制冷過程中無壓縮機做功，所以能效比更高。由于完全自然冷卻的運行條件由室外濕球溫度低于8℃提高到低于14℃，使其運行時間得以大幅延長，系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢明顯。

3.3　自然冷卻＋機械制冷復(fù)合模式

在春秋過渡季節(jié)里，當室外濕球溫度為14～18℃時，將系統(tǒng)切換至自然冷卻＋機械制冷復(fù)合工作模式，機械制冷主機開啟，機房冷水回水在板式換熱器內(nèi)經(jīng)蒸發(fā)冷水機組制取的冷水降溫后，進入機械制冷機組蒸發(fā)器進行再次降溫，降至13℃后供冷。蒸發(fā)冷水機組冷水經(jīng)板式換熱器升溫后進入機械制冷機組冷凝器，吸熱升溫后流回蒸發(fā)冷水機組。

當采用自然冷卻＋機械制冷復(fù)合模式時，蒸發(fā)冷水機組產(chǎn)出的冷水經(jīng)板式換熱器對供冷回水進行預(yù)冷，降低冷水溫度。在此運行模式下，冷水的部分冷量由蒸發(fā)冷水機組所承擔，壓縮機的運行功耗大幅度降低，系統(tǒng)綜合能效得以有效提升。

3.4　機械制冷模式

當夏季室外濕球溫度高于18℃時，將系統(tǒng)切換至機械制冷模式，適當調(diào)整優(yōu)化運行參數(shù)，使蒸發(fā)冷水機組承擔常規(guī)冷卻塔的角色。

完全采用機械制冷時，蒸發(fā)冷水機組作為更高效的冷卻塔使用，制取溫度比濕球溫度低2～3℃的冷卻水進入機械制冷機組冷凝器吸收熱量，可明顯降低機組冷凝溫度，改善散熱條件，使系統(tǒng)在機械制冷模式下仍能實現(xiàn)節(jié)能運行。

４、節(jié)能效果及投資收益

4.1　節(jié)能效果

常規(guī)開式冷卻塔的出水溫度理論上可達到環(huán)境濕球溫度，但受限于換熱時間和換熱面積等因素，實際運行出水溫度往往比濕球溫度高3～5℃，即受冷卻塔逼近度的影響。采用蒸發(fā)冷水機組替代原有冷卻塔運行，通過兩級蒸發(fā)過程，可實現(xiàn)比濕球溫度低2～3℃的亞濕球出水溫度，即蒸發(fā)冷水機組出水溫度可較常規(guī)冷卻塔出水溫度低5～8℃，從而延長自然冷卻時長約2500ｈ。同時，當蒸發(fā)冷水機組與機械制冷復(fù)合運行時，更低的冷卻水溫度可提高壓縮機能效比，從而實現(xiàn)系統(tǒng)全年節(jié)能運行。

根據(jù)2021年上半年運行實測能耗數(shù)據(jù)，參考北京2020年下半年溫濕度，依據(jù)制定的運行方案預(yù)測下半年設(shè)備運行時間和用電情況，得到的全年能耗數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)估算，3種模式下全年共耗電約287萬kW·ｈ。

改造前機械制冷系統(tǒng)運行能耗與改造后蒸發(fā)冷水機組和機械制冷運行能耗對比見表2。預(yù)估系統(tǒng)改造后年節(jié)電約323萬kW·ｈ（水泵和空調(diào)末端未進行改造，故其能耗水平可認為改造前后無變化）。按照當前該數(shù)據(jù)中心執(zhí)行的北京市大工業(yè)用電平均電價0.74元/（kW·ｈ）計算，折合節(jié)省電費240萬元，制冷因子下降0.12，年均PUE 可降至1.28。

4.2　投資收益

根據(jù)節(jié)能公司提供的數(shù)據(jù)，如采用投資方式，項目資金回收期約為3.4ａ。

該項目實際采用EMC（合同能源管理）的商務(wù)合作模式，即北京電信與節(jié)能公司以契約形式約定節(jié)能目標，節(jié)能公司為實現(xiàn)節(jié)能目標投入必要的資金、設(shè)備和服務(wù)，北京電信與節(jié)能公司共同對合同期內(nèi)的節(jié)能收益進行分享。合同能源管理模式能充分借助專業(yè)公司的技術(shù)和資金優(yōu)勢，快速地開展節(jié)能改造，同時減少用能企業(yè)自身財務(wù)風險。

5、結(jié)語

北京電信在某數(shù)據(jù)中心增設(shè)間接蒸發(fā)冷卻冷水機組替代原冷卻塔，通過兩級蒸發(fā)過程，可在春秋過渡季節(jié)增加免費制冷時長約2500h，同時在夏季還可以作為高效冷卻塔使用，降低制冷主機冷凝溫度，從而實現(xiàn)系統(tǒng)全年節(jié)能運行。根據(jù)當前運行實測數(shù)據(jù)及北京全年濕球溫度，預(yù)計蒸發(fā)冷水系統(tǒng)年節(jié)電323萬kW·h，節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)運行電費約240萬元，機房年均PUE降至1.28。

該節(jié)能改造項目為間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在華北地區(qū)首次大規(guī)模應(yīng)用，同時也是國內(nèi)首個間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)復(fù)合機械制冷聯(lián)合制冷案例，對于探索資源節(jié)約、環(huán)境友好的數(shù)據(jù)中心高效制冷技術(shù)和實現(xiàn)企業(yè)降本增效、助力國家實現(xiàn)“雙碳”目標具有積極示范作用。