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1 概 述
當前,節能已成為數據中心規劃設計和運行的最重要的工作之一,而空調制冷系統能耗約占數據中心總體能耗的40%,無論從減少能源消耗,還是從降低數據中心的運行成本獲取商業價值的角度,空調制冷系統的節能運行已成為最關鍵的環節。
業內專家們把數據中心的應用需求與空調暖通行業技術相結合,開發應用了各種節能方案,取得了較好的效果。這些措施包括:提高空調能效、選擇最優送回風方案、冷熱通道布局、高熱密度設計、選用變容量空調設備、應用智能群控技術等等,任何一項技術都值得深入研究。
近年來,針對數據中心特有的全年制冷特征,充分利用環境冷源的自然冷卻技術(FreeCooling),因其強大的節能能力和潛力逐漸走進主流市場。由于數據中心內部IT設備發熱量大,建筑的圍護結構傳熱量很小,必須通過制冷空調設備,把室內設備產生的熱量排到室外。當室外環境溫度低于數據中心內部溫度時,仍然需要空調提供冷量。如果把室外自然界的低溫冷源直接用來冷卻機房,減少制冷壓縮機運行時間甚至關閉,就可以節約能源消耗,這類方案稱為自然冷卻方案。
自然冷卻方案有多種,按熱量輸送介質的不同,可分為兩大類。一類是以空氣為介質的節能自然冷卻系統,包括新風蒸發冷自然冷、直接新風自然冷、間接新風自然冷等;另一類是以液體為介質的自然冷卻系統,包括風冷機房空調自然冷(即通常所說的氟泵自然冷機房空調)、冷水系統自然冷、乙二醇自然冷等。每種自然冷卻方式各有優缺點及相應地應用限制,均無法單獨完成全年的制冷要求,因此自然冷卻系統只能作為壓縮機機械制冷系統的補充,其價值在于節約壓縮機制冷系統的能耗。同時,由于數據中心對制冷空調系統的依賴性很高,這就需要自然冷卻方案與壓縮機制冷系統緊密結合,在確保制冷系統可靠性的基礎上,最大限度地節約機械制冷能耗。
理論上,當室內外溫差達到某個值時,自然冷卻系統就可以啟動運行。但由于系統可靠性、制冷量、工藝要求、實際效果等因素的影響,事實上卻不能啟動或沒有節能經濟性,仍要靠機械制冷方式運行。把理論上可以自然冷卻,但卻由于種種原因不能利用的時間,稱為自然冷卻的“尷尬時段”。如何縮減自然冷卻的“尷尬時段”,成為各種自然冷卻方案所要解決的課題。對這些問題的解決或提升,成為自然冷卻方案成功與否的關鍵因素。表1給出了一些自然冷卻方案與相應數據,可供參考。
“尷尬時段“的來源有兩大類:一是因為某些不可控因素影響到了系統的可靠性,如雨雪沙霾、低溫冰凍、水源水質等,造成可用的自然冷源無法利用;二是在室外環境溫度高低變化的過渡季節,因自然冷卻模式的能力或能效達不到應用需求,而不得不繼續使用壓縮機機械制冷模式,從而減少了節能量。
避免第一類尷尬時段,需根據當地環境情況,充分考慮節能運行帶來的負面問題,選用合適的自然冷卻模式。如果前期方案一旦確定,到運行時才發現這些問題,補救難度很大,而且現場的補救措施無法得到充分驗證,很可能引起新的未知風險,大大降低了節能運行的經濟性。反過來講,如果選用了正確的自然冷方案和相應的產品,則這類尷尬時段可以完全消除。
第二類尷尬時段,即從機械制冷模式向完全自然冷卻模式過渡的時段,這是無法避免的,但可以縮減。這就需要從各個細節入手,精益求精,提升所選用方案和產品的能力能效,把自然冷源的利用潛力“吃干榨凈”。而從全國各地的全年氣溫上來看,恰恰分布在“過渡季節”時長較多,因此,如何縮減過渡季節的“尷尬時段”,是自然冷卻方案成功與否的關鍵,也是各產品設備廠家提升技術能力的著力點。
表1中所列的風冷機房空調自然冷(俗稱“氟泵空調”)方案,成功地消除了第一類尷尬時段,適應全國各地所有的應用場景,正在成為數據中心自然冷卻的主流方案。特別是在近兩年,氟泵自然冷技術與傳統的風冷機房空調技術完美結合,整體能效很高,同時不給數據中心帶來任何“毒負作用”,正在迅速改變業內“風冷機房空調能效不如冷凍水系統”的觀念，使風冷機房空調系統不但保持了在中型數據中心的絕對首選地位，而且在大型/巨型數據中心開始批量應用，優勢地位逐漸顯現。
氟泵自然冷機房空調歷經十年技術沉淀、六次產品升級,精雕細琢,匠心獨運,終于大器晚成。
其實際運行的能效表現遠超業界預期,以風冷系統的形式,其能效水平已經超過水冷的大型冷凍水系統(離心式冷水機組)的運行能效。以北京的氣候條件和實測的能效數據為例,其全年能效比(AEER)超過6.5(仍然以國標規定的室內回風溫度24℃測試)。換算到PUE的計算方法,制冷因子已降低到0.15。
擁有如此逆天的戰力,難道使用了傳說中的“黑科技”?當然沒有,氟泵自然冷機房空調僅僅是把每個細節做到極致,永保“可靠運行”底線基礎上,在全年環境溫度范圍內,智能選擇最優節能運行模式,把可能挖掘的節能潛力點滴積累,終于表現出靚麗的全年能效。
如前文所述,自然冷卻的方案有多種,但唯有在過渡季節的運行表現,才能真正評價節能方案的高下。那么,氟泵自然冷機房空調如何縮短“尷尬時段”?
2 氟泵自然冷縮短“尷尬時段”
(1)氟泵自然冷機房空調的工作原理
氟泵自然冷機房空調的工作原理非常簡單,其工作原理如圖1所示。傳統的風冷式機房空調制冷循環管路中,在冷凝器出口液管部位接入冷媒泵。在室外環境溫度較低時,關閉制冷壓縮機,以冷媒泵為動力,把冷媒輸送到室內,完成制冷循環。冷媒泵的功耗極小(約為壓縮機功耗的3%～5%),從而實現節能運行。
(2)氟泵自然冷的三種制冷運行模式
氟泵自然冷有三種制冷運行模式:壓縮機機械制冷模式、“雙擎”壓泵雙驅制冷模式和氟泵自然冷節能模式,如圖2所示。
(3)氟泵自然冷機房空調如何縮短“尷尬時段”
在硬件上,風冷機房空調的能效已經有了大幅提升,這是基礎。一直以來,受益于市場競爭的壓力和持續的技術進步,行業主流產品的能效比(EER)比十年前提升了20%以上(基于相同的測試標準,從2.5提升到3.0)。
氟泵自然冷技術是國內自主研發的,其核心器件也由初期的借用“水泵”轉向輸送飽和相變冷媒的專用泵。和水泵相比,無需為其提供“汽蝕余量”,無需為冷媒提供過冷度,在運行上相當于擴大了冷凝器的換熱面積,能效得到相應提升。
更為關鍵的是智能控制軟件的作用,實時監控室內負荷的變化和每種運行模式的能力能效,實時選擇最優的運行模式,并在熱負荷和制冷能力變化時即時切換。
①智能選擇運行模式
該模式實時監測室內熱負荷和室外環境溫度的變化,根據三種運行模式在不同室外環境溫度下的能力能效,選取既能滿足制冷量要求、同時在能效比最高的一種模式下運行。當室外溫度變化或室內負荷變化時,在達到另一種最優模式運行條件時,即時切換。
圖2表達了三種制冷模式所提供的制冷量和室內的熱負荷情況;圖3表達了三種制冷模式的能效比。首先保證制冷量大于室內需求,然后確定選擇哪種能效比最高的運行模式。
②制冷運行模式的“即時切換”
“即時切換”在制冷系統的運行中有非常高的技術難度。眾所周知,在傳統的機房空調的制冷控制中,壓縮機停機再開啟需要有3min的緩沖時間,用于平衡系統壓力和油位。氟泵運行和壓縮機運行模式之間的切換時間,早期版本也需要30min,以避免壓縮機中積液運行。但這個切換時間對提升節能效果是非常寶貴的,為此,開發專家團隊設立專項攻關,歷時一年,終于將安全切換時間縮減至零。
③單機雙系統互相配合運行每臺氟泵自然冷機房空調由兩套完全相同氟泵+壓縮機制冷系統組成。為了同時滿足總冷量和能效比的要求,可以1號系統運行“壓泵雙驅制冷模式”(制冷量大),而2號系統運行氟泵自然冷模式(能效比高,但冷量低),二者綜合起來,既能滿足冷量要求,又能得到較高能效。兩套系統運行模式也可主備互換。
通過上述軟硬措施,可以把過渡季節的“尷尬時段”大幅壓縮。從圖3看出,即把原來的尷尬時段(A 0 ～D)分成了三段:
A 0 ～A,此時氟泵節能模式的制冷量雖然沒有達到同機標稱的壓縮機制冷量,但比所需的熱負荷大,完全滿足制冷需求,因此可以完全使用氟泵自然冷節能運行。
A～C,此時需要判斷熱負荷需求、兩種制冷模式的制冷量和能效比,智能選擇氟泵模式或壓泵雙驅制冷模式。
C～D,此時室內外溫差較小,開啟壓泵雙驅制冷模式,用氟泵輔助壓縮機運行。在此區間內,壓泵雙驅制冷比壓縮機機械制冷模式節能10%以上。
室外溫度高于D點(等于室內溫度24℃),啟動普通的壓縮機制冷模式。
室外溫度溫度低于A 0 點(約為-5℃),此時氟泵自然冷能力已達到壓縮機標稱能力,能效比高達17,繼續保持氟泵節能運行模式。
通過上述過程,把原來的“尷尬時段”(A 0 ～D)逐步壓縮,直至為零。用實際溫度來表達,就是把過渡季節(約-5℃～24℃)取消了,大大提升了節能量(注意:過渡季節或過渡時段不是定值,隨著數據中心的設備發熱量、空調設備的配備量、室內溫度設定值等因素的變化而變化)。
④多機群控聯合運行
在數據中心中,往往有在多臺氟泵自然冷機房空調同時運行,每臺機組提供了兩套氟泵自然冷制冷系統。可以通過中央群控單元,把這些系統聯合起來,統一指揮,各司其職,可以更加貼合負荷需求,取得更好的節能效果。當然,群控裝置比較復雜,已經形成為一個產品單獨銷售了。
事實上,由于氟泵自然冷機房空調超強的節能能力和極短的“尷尬時段”,使其應用范圍已經不再限于北方,長江以南同樣也取得了顯著的節能經濟性,甚至連廣州,也有明顯的節能效果。圖4是我國部分地區利用氟泵自然冷的節電量和節電率。
本文以上的分析與實例,均建立在國標規定的室內回風溫度24℃的工況條件下。隨著室內回風溫度的提升(房間回風溫度30℃,封閉冷熱通道回風溫度35℃),氟泵自然冷經濟運行時段大大提升。
未來,可能以氟泵自然冷模式運行為主,而壓縮機僅僅做為補充,只在夏天短時間運行或做僅為安全備份了。到那時,低PUE的數據中心將是“尷尬時段”最短的自然冷節能技術的舞臺,數據中心的無謂能耗將會變得微不足道。
3 結束語
氟泵自然冷機房空調超強的節能能力和極短的“尷尬時段”,可成為在我國廣大地區推廣應用的節能技術,為降低數據中心的PUE值提供了一個新的解決方案。
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