数据中心非自然冷状态下制冷系统节能

2018-04-19

2)数据中心非自然冷状态下制冷系统节能

A、直接提升制冷工质循环温度实现节能

基于IT设备更宽泛的工作温度范围,制冷系统可以采用定制组合高回风温度高供水回水温度的空调系统,提升制冷系统能效。以冷冻水空调为例,如下表2,对应的出水温度亦即空调回风温度提高1℃,空调系统约节能3%。因此,在现有的数据中心中,冷冻水空调设计已经从常规的7℃供水/12℃回水温度提高到10℃供水/15℃回水温度,甚至提升到17/23℃供回水温度,实现空调送风24~25℃,整个制冷系统可以实现10-20%的整体节能。 

不同冷冻水出水温度对空调能耗的影响

数据中心制冷系统,可分为风冷机械压缩冷风系统、冷却水机械压缩冷风系统、风冷压缩机冷冻水空调系统,水冷冷冻水空调系统。在公用民用建筑节能标准针对空调系统均进行了相关能效的规定,但是针对数据中心行业,由于数据中心的温湿度环境与民用建筑中人体所需温湿度环境的差异,空调能效有较大的变化,因此目前并没有具体的基于数据中心标准工况下的能效对比测量,也没有建立能效基准,更缺乏项目类型的直接对比比较。笔者根据数据中心的项目经验以及厂商的机型出货量,进行了定性的分析和评估,如下表3: 

不同制冷系统的定性分析

另外,笔者针对华东区域某项目分期运行负荷进行空调系统选型比较结果如下图。因单元式压缩机空调能效比接近线性,风冷单元空调和冷却水系统+单元空调系统几乎接近线性,冷冻水空调系统选型区别在压缩机的COP数值选型,低于1581KW的冷机选型涡旋或者螺杆机,压缩机选型COP选择4.5,高于1581KW冷机选型离心机组,COP选择5.5,压缩机COP直接影响冷冻水系统能耗。尤其大型冷冻水系统可以选择较低冷却水温度,比如常规27/32℃改为常态25/30℃的冷却水供回水温度,冷冻水出水温度选择15/20℃,对于大型离心压缩机影响更大,压缩机COP甚至可以达到7-7.5,整体系统EER实现3.3-3.5,此时整个系统的投资和能耗增加不再是线性增加。从系统选型的性价比和项目实际实施统计角度看,可以说明为何中小型项目多采用单元式风冷空调,大型项目多采用水冷冷冻水空调,而风冷冷冻水系统和水冷冷风系统相对均较小份额。

3)数据中心自然制冷系统节能对比

数据中心自然冷却受天时地利影响,因地因时而不同,自然制冷系统节能空间各不相同。自然制冷系统类比机械制冷系统,可以根据工质和冷却方式的不同区分为氟利昂循环自然制冷系统,冷却水替代冷冻水的水自然制冷系统(含低温环境下的乙二醇系统),新风自然制冷系统。

三种典型的自然制冷系统,核心共同点都是取代了制冷循环中*耗能的机械压缩机循环,而通过室外低于IT设备送风温度的自然空气、自然界水进行直接换热,缩短了数据中心制冷系统换热环节;其中直接新风系统*彻底,只有一次换热循环能耗系统,而间接新风系统需要经过一次室内换风与室外换风(或水蒸发)循环的两次换热能耗环节,氟泵循环系统需要经过室内的氟/空气换热循环/氟利昂泵循环/室外空气与氟换热共三次换热能耗环节,水自然冷系统经过室内的水/空气换热循环/水循环/室外空气与换热共三次循环能耗环节。

从能耗环节进行分析,自然直接新风系统,仅有风机能耗,参考业界先进的FACEBOOK数据中心的PUE=1.07,考虑到其市电直供的架构能耗约2%,其EER=1/(1.07-1-0.02)=20;间接新风循环可以折算为两次风机能耗,其EER=10;氟泵循环与水自然冷却循环均为2次风机循环能耗及一次泵循环能耗,水泵的能效参考《公共建筑节能设计标准GB50189-2005》对中对空调冷水输送水泵的能效比ER要求不低于0.0241,即系统对应的能效为EER=1/(1/20+1/20+0.0241)=8。针对以上四个级别的制冷节能方式,汇总如下表3

表3 数据中心冷却系统节能方式

分级

第一级别

第二级别

第三级别

第四级别

分级系统

芯片/IT设备节点冷却系统

机架冷却系统

机架列-模块房间冷却系统

非自然冷却系统

自然冷却系统

节能方式

液冷-高温/高密度冷却

气流组织改善:机架密封

冷热通道密封

提升温度范围,高温送回风

自然水冷系统

热管-高密度冷却

区域制冷单元**散热

整体送回风温度提高

降低湿度要求,减少加湿量

自然风冷系统

风冷散热片-常规密度和温度

大温差或大风量高循环工质

**制冷系统:水冷冷冻水系统/冷却水系统/风冷系统选型

氟利昂自然蒸发泵循环系统

6、 数据中心能效智能管理系统

传统数据中心的管理系统从基础设施到IT设备呈现碎片化,各自独立监控,而且对于关联控制的环节缺乏逻辑的梳理和集中的智能控制。基于芯片厂商、IT设备厂商和有自主技术能力如互联网用户的共同努力,云计算数据中心的智能监控系统,在从IT设备到基础设施的可控制、自动化运行、可调度、能效管理等方面进行了较多革新,基于节点级别的IT设备管理逐步在变成现实,可以监控关键部件如CPU的利用率,监控服务器的负载,运行功耗,进风温度等,并且可以根据温度情况调整服务器风扇转速和降低负载功耗, 避免局部过热,在各节点之间智能动态分配冷量, 把对服务器群组性能的影响降到**。在基础设施层面进行联动和优化控制,对于配电系统的智能监控管理主要在于配电各环节如UPS,机架电源PSU(电源分配单元)的休眠节能,提高电源系统的转换效率。对空调系统气流分析,温度场控制,送回风气流组织,做到温度适宜,**运行。

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