隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大量的企業(yè)飛速發(fā)展,對于數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)的需求也快速提升,相繼建設(shè)了很多數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心從10多年前100-200w m-2到如今發(fā)展到1000w m-2甚至更高,機(jī)房密度的提高使得數(shù)據(jù)中心的耗能成為一個越來越重要的課題,自從GREENGRID組織提出用PUE來衡量數(shù)據(jù)中心節(jié)能要求,越來越多 的國內(nèi)建設(shè)方在設(shè)計數(shù)據(jù)中心時對于PUE值有了要求,PUE是PowerUsageEffectiveness的簡寫,是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo),是 數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載使用的能源之比,PUE=數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗,PUE是一個比率,越接近1表明能效水平越好,本文將從幾 個方面介紹提高空調(diào)能效,降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)耗能的方法用以獲得較低PUE值可以采取的一些措施。
冷源
數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷源一般有風(fēng)冷直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)、水冷直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)、水冷或風(fēng)冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)、雙冷源空調(diào)系統(tǒng)等空調(diào)系統(tǒng)。從節(jié)能的角度 來說,使用風(fēng)冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心,PUE不可能小于1.8,通常在2.0以上,在規(guī)模較大,可以設(shè)置集中冷源的情況下,能效比高的水冷冷凍水系統(tǒng)是首選。當(dāng) 電機(jī)功率功率超過500kw的情況下,可采用6kv或者10kv電壓供電,可提高運(yùn)行效率,在選擇機(jī)組時選用COP值高的機(jī)組,同時也要考慮機(jī)組的部分負(fù) 荷綜合性能系數(shù)(IPLV)。冷水機(jī)組采用變頻能取得較好的部分負(fù)荷綜合性能系數(shù),使得機(jī)組的高效區(qū)域更大。在非額定工況時,變頻式離心冷水機(jī)組將導(dǎo)流葉 片控制與變頻控制有機(jī)結(jié)合,共同控制壓縮機(jī)。冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度對于機(jī)組效率也有著影響,粗略估計蒸發(fā)溫度每提高0.6度,效率增加1%-3%,因此采用 較高的蒸發(fā)溫度效率比一般供回水7℃/12℃效率高。
如果可以提高末端送風(fēng)溫度,我們就可以使用更高的蒸發(fā)溫度,這樣可以使得效率進(jìn)一步的提高。而對于空調(diào)系統(tǒng)的耗能來說,冷水機(jī)組的能耗所占比重最大,把冷水機(jī)組的用電量降下來對于提高整個空調(diào)系統(tǒng)的效率有著很大的幫助。
而采用水系統(tǒng)帶來的安全問題,例如水系統(tǒng)的冗余設(shè)計:雙管路或環(huán)形管路,事故應(yīng)急泄水,供水保障:多水源供應(yīng)以及蓄水池,也是需要我們考慮,本文不作展開。
如果以供水溫度為12度來看,在室外濕球溫度9℃左右時即可使用冷卻塔免費(fèi)制冷,根據(jù)上表統(tǒng)計:在此溫度范圍內(nèi),上海地區(qū)全年可完全使用免費(fèi)制 冷的時間達(dá)2901小時相對于水側(cè)的免費(fèi)制冷,還有一種風(fēng)側(cè)的免費(fèi)制冷,是指利用室外的空氣,可以在室外焓值低于室內(nèi)焓值的全部時間進(jìn)行自然冷卻,但是在 數(shù)據(jù)中心采用水側(cè)免費(fèi)制冷時沒有必要再采用風(fēng)側(cè)免費(fèi)制冷,理由有以下幾點:
1.使用風(fēng)側(cè)免費(fèi)制冷將會占用很大的室內(nèi)空間。
2風(fēng)側(cè)免費(fèi)制冷需要大量的室外空氣,如果室外空氣質(zhì)量不是很好將會導(dǎo)致設(shè)備的運(yùn)行壽命減少。
3用于加濕和減濕的能量將會很大,采用風(fēng)側(cè)免費(fèi)制冷所獲得節(jié)能效應(yīng)和這些能量的消耗相比也相差不多,同時將使室內(nèi)的濕度控制更復(fù)雜。
4.風(fēng)側(cè)免費(fèi)制冷和水側(cè)免費(fèi)制冷在使用時間上有重疊,所以在多出不多的使用時間的情況下,同時采用的意義不大。
免費(fèi)制冷時間的長短很大程度決定PUE值中空調(diào)耗能的大小,而從上圖中可以看出免費(fèi)制冷受到室外環(huán)境的影響也很大,對于中國北方以及長江流域大 部分地區(qū)來說,都能很好的采用免費(fèi)制冷,在東北等嚴(yán)寒地區(qū),采用免費(fèi)制冷的時間更長,使得PUE中空調(diào)耗能的因子能做到0.2左右,以獲得更低的PUE 值。這一點很值得我們建設(shè)方在數(shù)據(jù)中心選址中加以注意,在考慮經(jīng)濟(jì)、地理等因素時,也可以考慮氣候環(huán)境對于今后數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本的影響。
免費(fèi)制冷與冷凍機(jī)制冷的切換
當(dāng)室外免費(fèi)制冷不能完全滿足數(shù)據(jù)中心的需要時,將開啟制冷機(jī)組制冷,但此時室外的溫度低于15度,無法滿足冷水機(jī)組所需要的冷凝溫度,而采用電 加熱等方式既不節(jié)能,又沒有這么大的電量來滿足,此時只需要在系統(tǒng)中加入一路旁通,使經(jīng)過板式熱交換器后高于15度的回水不回到冷卻塔而是進(jìn)入冷水機(jī)組就 能解決這一問題,隨著室外氣溫的增加,冷水機(jī)組逐臺開啟,免費(fèi)制冷熱交換器逐臺關(guān)閉,直至全部轉(zhuǎn)變?yōu)槔渌畽C(jī)組供冷。
冷凍水側(cè)熱回收
考慮數(shù)據(jù)中心全年制冷的特點,對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行熱回收是非常有必要的,在蒸發(fā)側(cè)或者冷凝側(cè)均能采用熱回收技術(shù),如在倫敦 TelehouseWest數(shù)據(jù)中心利用服務(wù)器產(chǎn)生的熱量為附近的住宅提供暖氣服務(wù)。該數(shù)據(jù)中心及其配套設(shè)施建設(shè)項目投資達(dá)1.8億美元,預(yù)計該項目能為 數(shù)據(jù)中心周邊13萬平方英尺范圍提供相當(dāng)于900萬瓦的能量,并相對減少1100噸二氧化碳排放。蒸發(fā)側(cè)的熱回收可以通過一個簡單的水環(huán)的環(huán)路來實現(xiàn),例 如當(dāng)冷凍水系統(tǒng)供回水溫度為12-17度時,冬季及過渡季節(jié)將冷凍水回水經(jīng)過一個熱交換器和生活熱水給水交換,預(yù)加熱生活區(qū)生活熱水的給水,簡單的接管且 對于系統(tǒng)沒有任何影響。冷凍機(jī)組等設(shè)備均為常規(guī)設(shè)備。冷凝側(cè)的熱回收可以通過選用熱回收機(jī)組來實現(xiàn),但是需要對于熱回收機(jī)組的效率以及系統(tǒng)的安全性有個評 估,在能保證效率及安全的情況下,對于系統(tǒng)的節(jié)能也有著很大的益處,可以作為熱回收的首選措施。
空調(diào)末端
一般IT機(jī)房
一般來說數(shù)據(jù)中心空調(diào)末端(CRAC)的能耗主要由風(fēng)機(jī)及電加熱等組成,除濕則通常由冷卻盤管來完成,如果除濕需要較低的溫度時,則空氣就會過 冷需要再熱,而再熱就浪費(fèi)了能量,因此對于空調(diào)末端節(jié)能,首先除濕系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)避免在低負(fù)荷工況下再熱。除了合理的設(shè)計送風(fēng)溫度以外我們還可以采用獨立溫濕 度控制的系統(tǒng)來解決再熱,從原理上講如果房間能保持正壓,新風(fēng)系統(tǒng)能夠除濕后送入室內(nèi),而數(shù)據(jù)中心一般內(nèi)部沒有濕源存在,那么房間內(nèi)的絕對濕度是能夠保證 的。(根據(jù)ASHARE2008的最新報告,影響數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備的空氣水含量指標(biāo),是絕對濕度,而不是以前強(qiáng)調(diào)的相對濕度,只要露點溫度控制在5.5°C 以上,數(shù)據(jù)中心內(nèi)的設(shè)備都可以保證安全,避免靜電的危害。)因此我們IT機(jī)房內(nèi)設(shè)置專用的定制精密空調(diào)(不設(shè)置電加熱和加濕器),新風(fēng)系統(tǒng)采用如下功能段 的機(jī)組來解決新風(fēng)的除濕,只要新風(fēng)做好送風(fēng)露點溫度控制,那么所有精密空調(diào)無需電加熱以及加濕器,大大減少了運(yùn)行費(fèi)用和裝機(jī)費(fèi)用。
此外我們可以將送風(fēng)溫度提高,一般來說如果送風(fēng)溫度提高到20度時,冷凍機(jī)組的供水溫度可以做到12度以上,一直以來,提高數(shù)據(jù)中心進(jìn)氣溫度都 是全球數(shù)據(jù)中心的設(shè)計趨勢,因為更高的數(shù)據(jù)中心進(jìn)氣溫度意味著更多的節(jié)能潛力,而且氣候條件可以支持的免費(fèi)制冷小時數(shù)也將增加。更好的節(jié)能效果則會直接降 低能耗。
高密度IT機(jī)房
隨著數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理速度提高,容量不斷提高,數(shù)據(jù)通信設(shè)備發(fā)熱量(冷負(fù)荷)不斷增大;而前者所述的冷卻系統(tǒng)有一定的局限性,即當(dāng)機(jī)架散熱量 達(dá)到4kw以上時,僅用上述冷卻方式已難以解決散熱問題。在此我們介紹一種解決方案,具體就是首先完全封閉熱通道,然后在正對熱通道的兩側(cè)機(jī)房設(shè)置風(fēng)墻式 AHU,這樣的設(shè)備風(fēng)機(jī)耗能小,單體制冷量大且冷凍水或冷媒水完全無需進(jìn)入高密度機(jī)房內(nèi)。常規(guī)工程常采用CDU(液體冷卻分配器)方式來解決高密度機(jī)房供 冷問題,CDU有著成熟的產(chǎn)品以及成功的應(yīng)用。
本文介紹的風(fēng)墻式AHU的好處有以下幾點,旨在挖掘是否還有節(jié)能的潛力。
1.如果采用冷凍水管進(jìn)入室內(nèi)CDU的末端,冷凍水管的破裂損壞將給機(jī)房帶來毀滅性的影響。
2.如果采用熱交換器的方式,讓冷凍水與冷媒管交換后只有冷媒管進(jìn)入高密度機(jī)房,此時的冷媒管溫度也非常的低,雖然避免了第一點冷凍水管破裂所帶來的巨大危險,但是低溫冷媒管所帶來的冷凝水問題也是要重點考慮的。
3.熱交換的方式會有能量損失。
4.封閉熱通道大大減少冷熱空氣混合的能量損失。
綜上所述,減少熱交換的能量損失,并可以提高安全性,對于高密度機(jī)房空調(diào)來說,也是一種節(jié)能的新措施手段。
結(jié)語
綠色節(jié)能是數(shù)據(jù)中心的一個發(fā)展趨勢,PUE因為與免費(fèi)制冷時間等因素有較大的關(guān)系,其本身也是一個區(qū)域性的指標(biāo)要求,但是利用這個指標(biāo)來衡量數(shù) 據(jù)中心節(jié)能狀況還是非常清晰明確的。例如上海地區(qū)大多建設(shè)方在標(biāo)書中就會要求把PUE值控制在1.6以內(nèi),用以控制建筑設(shè)計中對于節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。
最后總結(jié)下,在空調(diào)系統(tǒng)中要實現(xiàn)節(jié)能減排并獲得較低的PUE值,可以采取的措施有以下這些。
(1)采用水冷的機(jī)組,并盡量提高蒸發(fā)溫度及采用變頻機(jī)組。
(2)選用高效率的設(shè)備,以及采用高效率的輸配系統(tǒng)
(3)盡量延長冷卻塔免費(fèi)制冷的時間以及采用熱回收等節(jié)能措施。
(4)合理的機(jī)房冷熱通道布置以及高效的空調(diào)末端系統(tǒng)。
(5)避免空調(diào)末端因為除濕而產(chǎn)生的冷熱抵消,采用獨立溫濕度空調(diào)也是一種可以采用的手段。
文章來源:精密空調(diào)www.umvbook.com
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