中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 张先提 王 琳

0 引言

近年来，随着世界及我国互联网技术的飞速发展，数据量和云计算爆发式增长，网络数据中心(IDC)产业蓬勃发展。其用电规模越来越大，周期性冲击电网负荷供需平衡，水蓄冷技术既响应了错峰用电需求，减轻了电网负担，又能为IDC企业节约空调运行费用[1-2]。

本文通过分析某数据中心水蓄冷系统采用不同蓄冷主机数量对数据中心IT机柜数、蓄冷运行策略、系统初投资和静态投资回收期的影响，综合比选得出项目最优蓄冷配置，确定了1台蓄冷主机夜间蓄冷方案。提供了一种数据中心蓄冷系统优化配比的分析方法，供广大数据中心暖通设计师参考。

1 项目概况

工程位于广州某园区内，是数据中心和分布式能源站综合体项目。建筑总面积42 605 m2，建筑占地面积5 136 m2；地上8层、地下1层，建筑高46 m。按建筑使用功能划分：地下1层为对外区域分布式能源站和数据机房蓄冷水池，1层为数据中心制冷机房，2层为数据中心配电区，3～8层为IT数据机房，单个IT机柜平均功率为4.4 kW。当地针对蓄冷系统有峰谷电价政策，可将水蓄冷技术应用到数据机房冷源系统。

数据中心按国标划分为A、B、C三级，其中A级要求宜设置蓄冷设施，蓄冷装置供应冷水时间不应短于不间断电源设备的供电时间，B、C级则无蓄冷要求。该工程要求满足A级要求，数据中心制冷站设备按N+1配置。设计总冷负荷约为21 102 kW，配置6台单台制冷量为4 220 kW的离心式冷水机组(五用一备)。系统采用二级变频泵系统，设计冷水供/回水温度为12 ℃/18 ℃，冷却水供/回水温度为32 ℃/37 ℃。

该工程规划总电容量为8路10 000 kV·A(双路电源，一用一备)，可用于数据中心的总电功率约为26 300 kW。该工程设计在充分利用规划所允许电容量的基础上，尽可能多布置IT机柜数，实现投资收益最大化。

2 数据中心应用水蓄冷的功能特征

数据中心空调负荷有以下特点：1) 热密度高；2) 冷负荷波动小[2]。与民用建筑领域常规空调水蓄冷系统相比，具有移峰填谷、节约运行费用的基本特点。同时数据中心的水蓄冷系统具有以下不同功能的特征。

2.1 应急容灾功能

IDC机房是互联网数据处理中心，要求其有一个安全、可靠的空调系统来保证机房内所有计算机及配套设备的正常运转。制冷设备意外故障或数据中心意外断电会引起数据中心空气干球温度上升，可能导致其内的服务器因高温损坏而停机。研究表明，当机房的热密度达到3.0～4.5 kW/m2时，机柜的平均进风温度在5 min内将升高15～28 ℃，在短时间内就可能引起服务器故障[3-4]。因此需设置蓄冷系统作为空调系统的应急备用冷源，提供由市电切换至柴油发电机这段时间内所有系统稳定运行所需要的冷量。一般要求蓄冷系统能保证数据中心空调系统15 min的冷水供应，保障数据中心供冷安全。

2.2 降低运行费用

IDC机房耗电量极大，电负荷全年每天24 h基本恒定。电费约占机房日常运行成本的95%，主要由服务器、空调、其他(照明、门禁、安防、视频等)用电费用组成，其中服务器用电约占2/3，空调用电约占1/3[2]。对于数据中心这样的耗电大户，水蓄冷技术既可以缓解电网高峰时段用电紧张，又可以降低运行费用。尤其在数据中心运行初期，IT机柜投入运行的数量较少，系统总负荷较低，此时可最大限度发挥蓄冷系统优势，降低运行费用。

2.3 避免喘振

数据中心在运行初期系统总负荷较低，可利用离心机夜间蓄冷、白天蓄冷罐释冷，避免离心机组在低负荷运行工况下发生喘振。

2.4 备用主机高效利用

为保证系统的安全性，数据中心制冷设备采用N+1配置，可利用备用主机作为蓄冷主机，提高备用主机使用率。

2.5 设备装机容量不减反增

在常规民用建筑中，典型设计日逐时冷负荷波动明显，蓄冷系统移峰填谷具备双重功能：1) 电负荷的移峰填谷，利用峰谷电价政策降低运行费用；2) 冷负荷的移峰填谷，减少白天峰值冷负荷，降低冷水机组装机容量。

反观在数据中心采用蓄冷系统，除了利用峰谷电价政策降低运行费用外，由于全天逐时冷负荷波动小，冷负荷不仅无法移峰填谷，反而因夜间采用蓄冷主机，增加了制冷设备总装机容量。

2.6 提高电能利用效率

电能利用效率PUE(power usage effectiveness)是数据中心能效评价最常使用的指标，即数据中心总功耗与计算机服务器功耗之比。PUE接近1，说明输入到数据中心的电能几乎全部用于IT设备本身。

数据中心的蓄冷系统降低运行费用但不节电，必然导致PUE随着蓄冷量的增大而增大。

Step 4：Learning the future subjunctive mood based on Situation 3:Michael’s gains情景三主要学习关于将来时的虚拟语气。教师用ppt呈现电影图片，假设主人公Michael再次得到遥控器，他会怎么做？Motty假如再次遇见Michael又会怎么做？学生被要求根据给出的例子来编写一段小对话。

3 水蓄冷系统设计方案

3.1 数据中心分时电价政策

该项目执行的峰谷电价政策如表1所示。

3.2 蓄冷主机数量对IT机柜数量的影响

当不采用蓄冷系统时，数据中心全天电负荷波动较小；当采用蓄冷系统时，夜间蓄冷主机增加了设备装机容量，导致夜间出现电负荷峰值。由于可用于数据中心的总电功率为定值，随着蓄冷主机数量增加，空调系统装机容量增加，IT机柜数量随之减少，如图1所示。

图1 蓄冷主机数量对IT机柜数量的影响

3.3 典型日逐时冷负荷

当该数据中心仅考虑应急容灾的蓄冷量时，典型日逐时冷负荷如图2所示，系统最大冷负荷为21.1 MW。

图2 数据中心典型日逐时冷负荷

考虑数据中心总耗电量为定值，蓄冷主机数量增加，IT机柜数量随之减少，整个数据中心冷负荷随之降低。不同蓄冷主机数量对应的系统总冷负荷如表2所示。

表2 不同蓄冷主机数量对应的系统总冷负荷

3.4 最小应急蓄冷量

为了保证系统在任何情况下都不会因冷源不足而导致机房设备中断，需要设置应急蓄冷罐来确保在市电切换至柴油机发电过程中IT机房的冷源连续稳定。数据中心最小应急蓄冷量应满足全部负荷在线连续运行15 min所需冷量，设计最小蓄冷量为5 274 kW·h。

3.5 不同蓄冷主机数量的运行策略分析

3.5.11台蓄冷主机蓄冷

设置1台蓄冷主机，总IT机柜数量相应减少，系统最大冷负荷为20.2 MW。将1台备用主机作为蓄冷主机，运行策略如图3所示。00:00—08：00低谷时段，开启1台蓄冷主机，连续蓄冷8 h，最大蓄冷量约为32 400 kW·h；14:00—17:00、19:00—22:00高峰时段部分释冷。

图3 1台蓄冷主机运行策略

系统最大冷负荷为19.6 MW，设置2台蓄冷主机(其中1台为原备用主机)，运行策略如图4所示。00:00—08：00低谷时段，开启2台蓄冷主机，连续蓄冷8 h，最大蓄冷量约为62 800 kW·h；14:00—17:00、19:00—22:00高峰时段部分释冷。

图4 2台蓄冷主机运行策略

3.5.33台蓄冷主机蓄冷

系统最大冷负荷为19 MW，设置3台蓄冷主机(其中1台为原备用主机)，运行策略如图5所示。00:00—08：00低谷时段，开启3台蓄冷主机，连续蓄冷8 h，最大蓄冷量约为91 100 kW·h；14:00—17:00、19:00—22:00高峰时段部分释冷。

图5 3台蓄冷主机运行策略

3.5.44台蓄冷主机蓄冷

系统最大冷负荷为18.4 MW，设置4台蓄冷主机(其中1台为原备用主机)，运行策略如图6所示。00:00—08：00低谷时段，开启4台蓄冷主机，连续蓄冷8 h，最大蓄冷量约为117 500 kW·h；14:00—17:00、19:00—22:00高峰时段释冷和17:00—19:00平时段部分释冷。

图6 4台蓄冷主机运行策略

3.5.55台蓄冷主机蓄冷

系统最大冷负荷为17.7 MW，设置5台蓄冷主机(其中1台为原备用主机)，运行策略如图7所示。00:00—08：00低谷时段，开启5台蓄冷主机，连续蓄冷8 h，最大蓄冷量约为141 800 kW·h；14:00—17:00、19:00—22:00高峰时段和17:00—19:00平时段释冷。

图7 5台蓄冷主机运行策略

通过以上分析可以看出：当设置1、2台蓄冷主机时，其夜间总蓄冷量小于14:00—17:00、19:00—22:00高峰时段总冷负荷；当蓄冷主机为3台时，夜间总蓄冷量与高峰时段总冷负荷基本持平；当蓄冷主机为4、5台时，夜间蓄冷量大于高峰时段总冷负荷，多余的蓄冷量可在平时段释冷。

4 综合经济技术分析

4.1 系统总初投资

随着蓄冷主机数量的变化，蓄冷系统的蓄冷装置、主机、水泵、冷却塔等设备的数量均相应调整，不同蓄冷主机数量的蓄冷系统主要初投资如表3所示。

表3 不同蓄冷主机数量对应的蓄冷系统初投资 万元

同时，随着蓄冷主机数量的变化，IT机柜数量相应调整，不同蓄冷主机数量对应的IT机柜初投资减少额如表4所示。

表4 不同蓄冷主机数量对应的机柜初投资减少额

蓄冷主机数量增加，蓄冷系统初投资随之增加，而IT机柜数量及其初投资随之减少。经过综合经济技术比较，IT机柜初投资减少额较蓄冷系统初投资增加额更大，因此数据中心总投资额随蓄冷主机数量增加而减少，如图8所示。

图8 系统初投资

4.2 年综合收益

结合峰谷电价、典型日系统冷负荷，按全天24 h计算逐时运行电量、运行电费，累加计算得到蓄冷系统年节约运行费用。每个IT机柜年运行电费、运维费用、水费、折旧费等约5.5万～6.5万元，每个IT机柜的年出租收入约7万～8万元，以此原则计算IT机柜年收益。

蓄冷主机数量增加，蓄冷系统年节约运行费用随之增加，而IT机柜数量随之减少，导致出租IT机柜的年收益也相应减少。经过综合经济技术比较，IT机柜年收益减少额较蓄冷系统运行费用减少额更大，因此数据中心年综合收益减少，且随蓄冷主机数量增加，系统年综合收益减少额也增加，见图9。

图9 系统年综合收益

从图9可以看出：当蓄冷主机为1、2台时，由于其夜间蓄冷量可在14:00—17:00、19:00—22:00高峰时段全部释放，蓄冷系统年节约运行费用与出租IT机柜年减少的收益相抵，系统年综合收益差距不大；当蓄冷主机为3台时，年综合收益减少额较2台蓄冷主机时更少；当蓄冷主机为4、5台时，部分夜间蓄冷量在平时段释放，蓄冷系统年节约运行费用相对于出租IT机柜年减少的收益更小，所以系统年综合收益减少额显著增加。

4.3 静态投资回收期

随蓄冷主机数量的增加，数据中心总投资额随之降低，但年综合收益也随之减少。经计算比较，系统静态投资回收期如图10所示。

图10 静态投资回收期

与常规蓄冷系统静态投资回收期越短越有利相反，该项目总投资额随蓄冷主机数量增加而降低，年综合收益随之降低。从图10可以看出，蓄冷系统选用1台和3台蓄冷主机时，相对投资效益更优。当蓄冷量达到一定比例之后，继续增加蓄冷量，静态投资回收期缩短，系统综合效益降低。其原因为：当选用1台蓄冷主机时，由于充分利用1台备用蓄冷主机及其相应的配套备用设备，蓄冷系统的初投资是最有利的，又能发挥蓄冷系统节约运行费用的优势，因此选用1台蓄冷主机投资收益高；而选用3台蓄冷主机设备，正好将夜间蓄冷量在高峰时段充分释放，实现夜间蓄冷与高峰时段释冷量的基本平衡，最大限度实现峰谷电价运行收益。

4.4 系统方案选择

从系统初投资、年综合效益、系统静态投资回收期三方面进行综合经济技术比较，同时结合投运初期低负荷运行工况，并考虑蓄冷系统占用面积等综合因素，该工程选用1台备用主机作为夜间蓄冷主机，蓄冷水池夜间蓄冷总量32 400 kW·h，其中5 274 kW·h作为数据中心应急冷源，剩余27 126 kW·h在电价高峰时段释冷。

5 结论

1) 数据中心的蓄冷系统区别于常规蓄冷系统，蓄冷系统移峰填谷仅可节约运行费用，冷源设备峰值装机容量不降反升。

2) 工程规划总容量限制IT总机柜数量，业主一般希望最大限度增加IT机柜数量来增加收益，而蓄冷系统容量增加使IT机柜数量减少，两者呈现负相关性。

3) 数据中心冷源采用蓄冷集中空调系统时，需同时考虑蓄冷系统本身投资回收期和IT机柜投资收益，通过综合经济技术比较来确定最优蓄冷容量。