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数据中心温湿度独立控制系统实践
  • 结合工程实际应用描述了温湿度独立控制系统在数据中心的设计及应用,提出了数据中心温度湿度独立控制的应用方式及运行能耗分析,根据实际运行情况及测试结果,可显著的降低PUE值及投资,为绿色数据中心的发展提供了很好的案例及应用,与传统的恒温恒湿水冷机房空调相比,可减少投资及运行费用。

    温度湿度独立控制的空调方式是我国学者率先倡导、近年来在国内外逐渐发展起来的一种全新的空调方式,早在办公及其他行业开始应用,并已在集成电路、烟草等行业已有很好成功应用,不同于传统的集中空调形式,温度湿度独立控制空调采用两个相互独立的系统分别对室内的温度和湿度进行调控,这样既可以使被控环境的温度湿度同时满足要求,又可以完全避免再热,产生较大的节能效果。随着IT产业的发展,国际上对于绿色数据中心的提倡,特别是绿色PUE的提出,对数据中心的投资、节能提出了很高的要求,同时服务器对环境的要求也越来越低,对于温度湿度独立控制提供了很好的需求。
      
      1 温度湿度独立控制系统
      
      将干燥的新风送入机房控制房间湿度,而由高温冷源产生的12/18℃冷冻水送入室内的干式机房空调机组,带走机房热量。温度湿度独立控制系统的主要内容就是处理显热的系统和处理湿度的系统分别设置。处理显热的装置可以采用室内干式空调机组循环实现,因供水温度高于室内空气露点温度,因而不存在结露的危险。湿度处理夏季采用独立新风机组控制机房湿度,冬季采用等焓加湿方式处理室内湿度,同时可降低送风温度,承担部分室内热负荷,如图1所示。
      
      2 与传统的数据中心采用机房专用恒温恒湿空调机组比较
      
      常规恒温恒湿空调机组机房内环境采用耦合的方式控制。恒温恒湿空调除对空气温度进行精密控制,同时还需要对空气湿度进行控制,机房空调本身又是小焓差大风量设计,本身湿度控制能力较差。夏季,除湿必须将温度降到露点以下,除湿后再通过电加热进行二级加热,造成能量浪费。冬季加湿耗费大量电量的情况下,机组在制冷的同时会有冷凝水产生,图2为常规恒温恒湿机组焓湿图。
      
      如图2所示,室内机既承担机房内的温度也承担机房内湿度,势必会造成冷热抵消过程,以100kW的机组为例,最大冷热抵消量为9kW。
      
      3 温度湿度独立控制核心部件
      
      温度湿度独立控制系统的三个核心组成部件分别为:高温冷冻水装置(出水温度12℃及以上)、新风处理机组(制备干燥新风)、去除显热的室内末端装置,下面分别介绍这几个核心系统的形式。
      
      (1) 高温冷冻水系统
      
      由于除湿的任务由处理潜热的系统承担,因而显热控制系统的冷水供水温度由常规空调系统中的7℃提高到12℃左右。此温度的冷水为天然冷源的使用提供了条件,如自然冷却、地下水、土壤源换热器等。在西北干燥地区,可以利用室外干燥空气通过直接蒸发或间接蒸发的方法获取12℃冷冻水。在北方冬季、过渡季节,即使没有地下水等自然冷源可供利用,也可以利用冷却塔直接冷却获取12℃冷冻水。由于供水温度的提高,制冷机的性能系数也有明显提高。
      
      (2) 高温冷水机组
      
    在无法利用地下水等天然冷源或冬蓄夏取技术获取冷水时,即采用电动制冷方式,由于要求的水温高,制冷压缩机需要的压缩比很小,制冷机的性能系数也可以大幅度提高。如果将蒸发温度从常规冷水机组的2~3℃提高到7~8℃,当冷凝温度为40℃时,卡诺制冷机的COP将从7.2~7.5提高到8.5~8.8。相同的冷量的情况下可以节约15%的电量。

    (3) 冷却塔间接制冷

      利用冷却塔制冷,在理想状况下,即各部件的换热面积无限大,且各部件风、水流量比满足匹配时,出水温度可无限接近进风的露点温度。当室外露点温度低于12℃时即可进行冷却塔直接制冷。而实际情况,考虑到各部件的效率、冷冻水的稳定性,实测冷水出水温度高于室外湿球温度5~7℃时,冷却塔冷却水的温度比较稳定。由于冷却塔产生冷量的过程,只需花费风、水间接和直接接触换热过程所需风机和水泵的电耗,和常规电动压缩制冷方式相比,不使用压缩机,机组的性能系数COP(设备获得冷量与风机、水泵电耗的比值)很高。在北方大部分地区的过渡季节、冬季以及在西北干燥的气象条件下,实测机组COP约为15~30。室外空气越干燥,湿球温度越低,获得冷水的温度越低,间接蒸发冷水机组的COP越高。同时因采用高温冷冻水系统,冷却塔制冷的时间要比常规的7℃冷冻水系统长很多,同时延长了冷却塔制冷的使用时间。
      
      (4)湿度调节系统-干燥新风的制备
      
      机房内人员比较少,机房内部没有湿负荷产生,机房环境湿度控制主要控制新风湿度即可,处理机组的核心任务是实现对新风的降温处理过程。由常规的冷冻方式来实现,有常规冷冻水新风机组、直接膨胀冷新风机组、热泵驱动的溶液除湿新风机组、间接蒸发冷却新风机组等新风处理方式。
      
      ①夏季除湿处理
      
      在数据中心机房采用温度湿度独立控制的空调系统带来了空气湿度控制问题:
      
      在图3中分界线的上方,即中国的西北部地区,室外的新风本来就是干燥的,可直接用来带走房间湿负荷。此时新风的处理过程就是等湿降温,实现此功能的间接蒸发冷却新风机组已开发成功,并已应用于十多个大型公共建筑中。

    而在分界线的下方,主要是中国的东南部地区,室外的空气非常潮湿,要获得干燥的新风送风就必须对新风进行除湿。可用的除湿方式:传统的冷凝除湿、转轮除湿和溶液除湿。
      
      ②冬季加湿度处理设备
      
      常规的机房恒温恒湿空调机组采用电热、电极、红外加湿系统,全部采用电加湿,用电量巨大,1kg水需要0.75kW的电量。机房内常年有大量的热源,采用等焓加湿,既能实现加湿,有能降低室内温度。现阶段专业的机房湿膜加湿机组已成功开发,专门用于机房冬季等焓加湿。
      
      (5)核心部件:室内末端装置
      
      温度湿度独立控制方式机房空调只承担机房温度控制,相对于常规的恒温恒湿机组来说,由于通入高于室内露点的高温冷水,因此不会出现冷凝结露现象,室内末端装置简单很多,只是干式盘管机组,无需电加热、电加湿、漏水报警、凝水盘、冷凝水系统等。由于通入冷水温度升高,冷盘管表面和空气之间的换热温差减少,冷盘管需要重新设计翅片和水路,提高盘管的换热性能。若用原机组为干工况,冷量不能沿用原机组的样本,需要对于干工况的冷量重新校核。同时盘管全部干工况运行,风阻力较湿工况小,风量也需要校核。
      
      (6)温湿度独立控制系统应用的条件
      
      温度湿度独立控制方式是新风独立处理后送新风进入房间,循环风没有除湿能力。房间的湿负荷由新风处理,这样造成处理湿负荷的能力较小,因此,温湿度独立控制系统比较适合的地方就是房间湿负荷较小、房间维护结构比较好的场合,数据中心因机房内部人员、维护结构密封性好、无外窗等情况,比较适合温湿度独立控制系统实施。同时随着服务器对房间温度要求升高,对湿度的要求越来越宽泛,温湿度独立控制系统在数据中心的应用将越来越广泛。
      
      4 工程案例分析
      
      (1)概况
      
      本项目位于北京,在原有的建筑内改造为机房,建筑共六层,机房在五层,规划机房面积3000平方米;规划机柜800个;机柜用电30%为5kW,70%为3kW。屋面设置冷却塔、冷水机组、水泵等。共规划5个机房单元。机柜的实际运行负载率在50%~80%左右。
      
      (2)设计参数
      
      冷通道设计温度为16~23℃,热通道设计温度为27~30℃。湿度为40%~60%;新风量取正压风量与人员新风量的最大值。
      
      (3)冷源设计
      
      高温冷水机组三台,两用一备,每台冷量为1500kW,设计水温为12/18℃;对应冷冻水循环泵三台(N=30kW、380V@50Hz);冷却水循环泵三台(N=37kW、380V@50Hz);模块式闭式冷却塔三台,单台水量为450立方米/小时,冷却塔按照冬季运行工况选型,夏季校核。独立新风机组一台,风量10000m3/h;板式换热机组两台,一用一备,一次侧为11/15.5℃;二次侧为12/18℃,换热量为3000kW,增加冬季的使用时间。
      
      (4)室内空调设计
      
      新风负荷由新风机组承担,室内空调机组承担房间热负荷,机房空调室内机为潜热工况运行,机组冷量为100kW,风量为16000立方米/小时,机组干工况运行,冷冻水水温为12/18℃,机组进出风温度为30/16℃,机组无电加热、电加湿、漏水报警等附属配置。每个机房N+2配置室内空调机组。
      
      (5)投资与用电量分析分析
      
      根据表1,可以明确温度湿度独立控制系统空调系统的投资比常规恒温恒湿空调系统低。根据表2,可以明确温度湿度独立控制系统空调系统的用电量比常规恒温恒湿空调系统的用电量低;即可明确运行费用降低。
         
      

    (6)运行分析
      
      本项目2012年3月份投入运行,至今运行2年,IT用电量达到了实际运行量的65%,与一期的常规空调相比,冬季使用冷却塔制冷时间延长了42天。夏季因取消电加热,机房空调部分的用电量也减少了。同时因冷水机组提高出水温度,冷水机组用电量也有减少。
      
      5 结束语
      
      ①温度湿度独立控制系统在数据中心的应用是可行的,全年运行也是节能的;
      
      ②温度湿度独立控制配合高温冷水机组,高温显热空调末端设备统一使用,实现整体节能;
      
      ③温度湿度独立控制系统能延长冷却塔的冬季制冷时间,同时可以实现多种冷源的共用;
      
      ④独立的新风控制系统是需要的,机房环境需要保持机房内部正压,避免外部热湿负荷对机房的影响,同时通过新风控制房间湿度。
      
      6 其他
      
      如下为笔者对节能的一些其他论述:
      
      ①数据中心空调系统的设计不必拘泥于某种特定的模式。本工程结合自身特点,以温度湿度独立控制系统作为空调形式,配合高温冷水机组、显热空调机组、冷却塔制冷等多种新式,实现数据中心空调系统的统筹节能;
      
      ②IT的规划及运行一般逐步投入使用,大部分空调设备在部分工况下运行,采用变频冷水机组、变频水泵、EC风机等也是数据中心空调节能的很好方式;
      
      ③温度湿度独立控制系统再配置冷热通道隔离系统,以实现机房空调大焓差、大温差送风,节能效果更明显;
      
      ④提高冷冻水供水温度,同时提高机房送风问题配合可实现机房整体节能,也可以增加机房专用空调的制冷能力,减少夏季除湿能耗。
      
      作者简介
      
      温晓军,信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司分院总工程师,高级工程师、硕士,专注数据中心规划设计、数据中心节能研究及大型数据中心冷冻水规划设计。
      
      编辑:Harris
      
      

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