數(shù)據(jù)中心運(yùn)行會(huì)消耗大量電能。以北京電信2020年運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)為例，電費(fèi)支出占網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)總支出的比例超過(guò)40%，成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)第一成本。降低電費(fèi)已成為企業(yè)降本增效、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(shí)施方案（2021—2023年）》提出“以綠色化、智能化、集約化的模式推進(jìn)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(jì)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(jiàn)，隨著我國(guó)能源政策收緊及北京地區(qū)對(duì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)、運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

１、實(shí)例數(shù)據(jù)中心概況

實(shí)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(wàn)㎡，建筑外形見(jiàn)圖1。該數(shù)據(jù)中心規(guī)劃安裝5～7kW機(jī)柜1.2萬(wàn)個(gè)，2015年投產(chǎn)時(shí)為當(dāng)時(shí)亞洲單體規(guī)模大的數(shù)據(jù)中心。項(xiàng)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(yùn)行。空調(diào)機(jī)房位于地下3層，采用集中式冷水機(jī)組＋房間級(jí)空調(diào)末端的供冷架構(gòu)，終期規(guī)劃9臺(tái)單機(jī)制冷量6300kW（1800rt）的高壓離心式冷水機(jī)組，具備冬季使用板式換熱器和冷卻塔實(shí)現(xiàn)自然冷卻功能。其中一期已投入運(yùn)行3臺(tái)機(jī)組，按照兩用一備配置。

目前一期機(jī)房已投入IT設(shè)備總負(fù)荷為3150kW，圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷為350kW，合計(jì)3500kW。根據(jù)運(yùn)行結(jié)果測(cè)算，當(dāng)前機(jī)房年均PUE為1.4。根據(jù)北京市相關(guān)政策，迫切需要通過(guò)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(jì)思路

該數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中冷水主機(jī)用能占制冷總能耗的45％以上，因此降低主機(jī)能耗是實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)的關(guān)鍵。眾所周知，制冷最經(jīng)濟(jì)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(jī)械制冷時(shí)間。

對(duì)于已運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)中心，其改造技術(shù)方案應(yīng)對(duì)建筑空間和設(shè)備布置要求較低，對(duì)現(xiàn)有IT設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)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。考慮到北京地處華北，屬于中等濕度地區(qū)，且該數(shù)據(jù)中心樓頂室外平臺(tái)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(guò)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(jī)組的技術(shù)措施，對(duì)一期機(jī)房實(shí)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(jī)組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)蒸發(fā)冷水機(jī)組），其技術(shù)原理如圖1所示。蒸發(fā)冷水機(jī)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(jī)組主要包括間接蒸發(fā)冷卻和直接蒸發(fā)冷卻2個(gè)功能段。

圖1　蒸發(fā)冷水機(jī)組原理圖

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

圖2　蒸發(fā)冷水機(jī)組熱濕處理過(guò)程焓濕圖

2.3　改造方案

在樓頂平臺(tái)增設(shè)10臺(tái)單臺(tái)制冷量400kW的蒸發(fā)冷水機(jī)組接入原冷卻水系統(tǒng)，改造示意圖見(jiàn)圖3，增設(shè)供水管和回水管，通過(guò)三通實(shí)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(tái)蒸發(fā)冷水機(jī)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(kāi)發(fā)，每臺(tái)均單獨(dú)設(shè)置電動(dòng)閥控制啟停，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(jī)組采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼接，施工周期可縮短3個(gè)月。

圖3　節(jié)能改造示意圖

3、運(yùn)行方案

3.1　運(yùn)行策略

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

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

3.2　完全自然冷卻模式

在秋冬春季節(jié)里，當(dāng)室外濕球溫度低于14℃時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行完全自然冷卻模式，即關(guān)閉1臺(tái)機(jī)械制冷機(jī)組及其對(duì)應(yīng)的1臺(tái)冷卻塔，改由蒸發(fā)冷水機(jī)組聯(lián)合板式換熱器為機(jī)房提供13 ℃/18 ℃的冷水。

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

3.3　自然冷卻＋機(jī)械制冷復(fù)合模式

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

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

3.4　機(jī)械制冷模式

當(dāng)夏季室外濕球溫度高于18℃時(shí)，將系統(tǒng)切換至機(jī)械制冷模式，適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，使蒸發(fā)冷水機(jī)組承擔(dān)常規(guī)冷卻塔的角色。

完全采用機(jī)械制冷時(shí)，蒸發(fā)冷水機(jī)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(jìn)入機(jī)械制冷機(jī)組冷凝器吸收熱量，可明顯降低機(jī)組冷凝溫度，改善散熱條件，使系統(tǒng)在機(jī)械制冷模式下仍能實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

４、節(jié)能效果及投資收益

4.1　節(jié)能效果

常規(guī)開(kāi)式冷卻塔的出水溫度理論上可達(dá)到環(huán)境濕球溫度，但受限于換熱時(shí)間和換熱面積等因素，實(shí)際運(yùn)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(jī)組替代原有冷卻塔運(yùn)行，通過(guò)兩級(jí)蒸發(fā)過(guò)程，可實(shí)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(jī)組出水溫度可較常規(guī)冷卻塔出水溫度低5～8℃，從而延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)長(zhǎng)約2500ｈ。同時(shí)，當(dāng)蒸發(fā)冷水機(jī)組與機(jī)械制冷復(fù)合運(yùn)行時(shí)，更低的冷卻水溫度可提高壓縮機(jī)能效比，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全年節(jié)能運(yùn)行。

根據(jù)2021年上半年運(yùn)行實(shí)測(cè)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(yùn)行方案預(yù)測(cè)下半年設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和用電情況，得到的全年能耗數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。經(jīng)估算，3種模式下全年共耗電約287萬(wàn)kW·ｈ。

改造前機(jī)械制冷系統(tǒng)運(yùn)行能耗與改造后蒸發(fā)冷水機(jī)組和機(jī)械制冷運(yùn)行能耗對(duì)比見(jiàn)表2。預(yù)估系統(tǒng)改造后年節(jié)電約323萬(wàn)kW·ｈ（水泵和空調(diào)末端未進(jìn)行改造，故其能耗水平可認(rèn)為改造前后無(wú)變化）。按照當(dāng)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(jià)0.74元/（kW·ｈ）計(jì)算，折合節(jié)省電費(fèi)240萬(wàn)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(xiàng)目資金回收期約為3.4ａ。

該項(xiàng)目實(shí)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(biāo)，節(jié)能公司為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)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(duì)合同期內(nèi)的節(jié)能收益進(jìn)行分享。合同能源管理模式能充分借助專(zhuān)業(yè)公司的技術(shù)和資金優(yōu)勢(shì)，快速地開(kāi)展節(jié)能改造，同時(shí)減少用能企業(yè)自身財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

5、結(jié)語(yǔ)

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(jī)組替代原冷卻塔，通過(guò)兩級(jí)蒸發(fā)過(guò)程，可在春秋過(guò)渡季節(jié)增加免費(fèi)制冷時(shí)長(zhǎng)約2500h，同時(shí)在夏季還可以作為高效冷卻塔使用，降低制冷主機(jī)冷凝溫度，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全年節(jié)能運(yùn)行。根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及北京全年濕球溫度，預(yù)計(jì)蒸發(fā)冷水系統(tǒng)年節(jié)電323萬(wàn)kW·h，節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)約240萬(wàn)元，機(jī)房年均PUE降至1.28。

該節(jié)能改造項(xiàng)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(shí)也是國(guó)內(nèi)首個(gè)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)復(fù)合機(jī)械制冷聯(lián)合制冷案例，對(duì)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(shí)現(xiàn)企業(yè)降本增效、助力國(guó)家實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有積極示范作用。