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基于水蓄冷在數據中心的應用研究

發布時間:2018-07-20 10:14:11 閱讀次數:

:水蓄冷空調系統是以水為介質,將夜間電網多余的谷段電力(低電價時)與水的顯熱相結合來蓄冷,以低溫冷凍水形式儲存冷量,并在用電高峰時段(高電價時)使用儲存的低溫冷凍水來作為冷源的空調系統。水蓄冷空調系統在電力高峰期的白天,不開或少開冷機,充分利用夜間儲存的冷量進行供冷,從而達到電力移峰填谷的目的。由于電力部門實施分時電價,蓄冷空調系統的運行費用比常規空調系統運行費用低;分時電價差值越大,用戶得益越多。采用蓄冷空調技術,業主并不一定節電,但能節省運行費用;更重要的是,有利于國家電網的安全運行,因此,國家把它作為一種節能環保的技術大力推廣。本文就水蓄冷技術應用在數據中心領域的形式和作用進行分析,并對大溫差與小溫差自然分層水蓄冷的充、放冷過程進行了研究。計算結果表明,大溫差水蓄冷的斜溫層相對小溫差水蓄冷的較穩定,波動也小,溫度分層明顯,蓄冷效率較高。水蓄冷和水冷節能技術結合使用,將大大降低數據中心的運行能耗和電費,是未來綠色數據中心的節能發展趨勢。
         關鍵詞:水蓄冷技術;數據中心;節能設計;應用
          
         0 引言
         進入新世紀以來,我國互聯網技術的飛速發展,人們越來越難以離開網絡。數據中心作為互聯網行業的后方陣地,既迎接新的發展契機也承受著能源高需求帶來的弊病,所以,在數據中心進行一系列節能技術的應用、改進和融合勢在必行。數據中心是為電子信息設備提供運行環境的場所,在數據中心中需要安裝數據處理、數據傳輸和網絡通訊等多種IT設備。為保障IT設備正常有效地運轉和保障業務順暢進行,還需要安裝為IT設備服務的電力、空調等相關設備及傳輸管路。數據中心IT設備的正常工作,不僅需要電力供應系統、網絡系統等配套設施的穩定運行,同時也依賴空調系統不間斷持續穩定的運行。IT設備與電子元器件通常對環境的溫度非常敏感,短暫的制冷中斷對于低密度機房尚可容忍,但設備的可靠性和處理能力開始降低,故障發生率大大提高,而對于中高密度機房很可能會引起故障,甚至造成業務中斷。空調系統的持續供冷,要求當電力系統發生緊急停電故障時,可以通過蓄冷裝置和水泵為系統提供冷水。當電力系統發生故障時,一方面由于冷水機組會進入故障保護狀態,首先恢復至正常開機的初始狀態,再經過控制系統對冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等相關部件進行檢查確認后,才能正常供冷。而冷水機組的生產廠商技術參數顯示,相應的恢復時間為3~13min。另一方面由于電力系統發生故障時,備用的柴油發電機組從啟動至穩定供電的過程也需要一定的時間。因此,空調系統在電力發生故障時會有一段供冷不足,為了消除這一安全隱患,在空調系統中通常設置蓄冷設施,作為備用冷源。
         1 數據中心環境和空調系統特點
         數據中心通常一般包括機房區和輔助區。機房區包括服務器機房、網絡機房、存儲機房等核心區域。輔助區是支持和保障機房區設備的正常、安全、連續運行的房間,包括變配電室、柴油發電機房、UPS室、電池室、制冷站、空調間、消防用鋼瓶間、監控室等。數據中心內服務器機柜安裝的服務器、路由器、存儲設備、交換機等計算機設備常年向數據中心散發熱量,一個服務器機柜的散熱量在每小時幾千瓦到幾十千瓦,機房內的顯熱比高達95%以上。數據中心的制冷系統主要為這些設備提供符合要求的運行環境。數據中心的空調負荷與民用建筑空調負荷有明顯區別。數據中心空調負荷歸納起來,有以下特點:1)熱密度高;2)冷負荷波動小;3)顯熱量大、潛熱量小;4)風量大、焓差小;5)不間斷運行;6)常年制冷;7)溫濕度波動小;8)潔凈度較高。因此,數據中心對空調制冷系統提出了更高的要求。
         2自然分層水蓄冷技術
         水蓄冷是利用水的顯熱來存儲冷熱的蓄能技術,其原理簡單、運行穩定,被人們廣泛應用于工程領域。相關研究表明,水蓄冷系統的運行費用隨著水蓄冷罐體積的增加而減少,當水蓄冷體積超過760m3時,采用水蓄冷系統的經濟性要強于其他相變蓄冷的方式。因此,水蓄冷系統在大型數據中心空調系統中應用具有一定的經濟性。由于數據中心的冷負荷大,瞬間的用冷量大,相變蓄冷的方式無法滿足其快速、巨大的用冷要求,因此,水蓄冷技術廣泛用于數據中心,作為應急冷源。水蓄冷在數據中心應用時,不需要額外配置蓄冷冷源,直接利用原有的備份冷水機組,在緊急情況下可以啟動供冷,實現數據中心快速、持續和穩定的供冷要求。
         筆者對大溫差水蓄冷與小溫差水蓄冷充放冷的過程進行數值模擬研究,建模型將蓄冷罐的布水器簡化成均勻流速的平面,并且蓄冷罐的外壁面按絕熱層考慮。其中大溫差蓄冷的供回水溫度分別為7℃/18℃,小溫差蓄冷的供回水溫度分別為12℃/18℃。充、放冷過程15min,罐體直徑為5.12m,蓄水高度為21m,高徑比為4.1,初始流速為0.021m/s,設計的弗勞德數Fr為0.6,雷諾數Re為1050,以上參數值均為實際工程設計值。
         充冷時蓄冷罐內充滿了18℃熱水,7℃(或12℃)冷水從罐的下方流入,熱水從罐的上方流出;放冷時蓄冷罐內充滿了冷水,冷水從罐的下方流出,熱水從罐的上方流入,2個過程都屬于瞬態傳熱過程。
         應用GAMBIT前處理軟件建立物理模型并生成六面體非結構網格,應用Fluent軟件對充、放冷過程進行模擬計算。通過截取所建模型的中心平面,監視蓄冷罐內部的流動狀態與溫度場分布,從而得到各時刻蓄冷罐內斜溫層的變化情況。
         由于將蓄冷罐作為數據中心應急冷源,整個放冷過程時間較短,因此要求罐內的水流速度較快,導致斜溫層相對較厚,蓄冷和放冷的效率較低。其中大溫差(7℃/18℃)蓄冷的效率約為90.6%,小溫差(12℃/18℃)蓄冷的效率約為88.2%,這是由于忽略了布水器的影響,導致模擬計算的蓄冷效率大于實際的運行效率。
         從我們模擬結果可以知道,斜溫層的存在一方面影響蓄冷效率,另外則有利于水蓄冷系統實現溫度分層,減少冷熱水混合。此外,蓄冷罐在充、放冷過程中,斜溫層的厚度都逐漸增大,并且斜溫層的波動也逐漸增強。這是由于在運行過程中,斜溫層在時間上有一個積累,通過導熱作用,同時降低熱水溫度和提高冷水溫度。
         蓄冷罐內斜溫層的位置會隨著充、放冷的過程而變化,整個充、放冷過程是一個非穩態的流動與傳熱過程,直接計算和控制斜溫層的厚度難度較大。因此在蓄冷系統的設計中,為了保證水蓄冷系統可靠、高效運行,通常需要進行仿真模擬,以對蓄冷罐的設計進行優化。
         3 水蓄冷技術在數據中心的應用
         3.1 水蓄冷作為應急冷源的應用形式
         對于數據中心不間斷供冷,水蓄冷的應用形式可以分為開式和閉式2種。開式蓄冷系統技術成熟、冷熱水的分層效果明顯、造價相對較低,因此數據中心空調系統的設計大多采用這種形式。另一方面,設計中常將開式蓄冷罐或蓄冷池并聯至空調系統中,當開式蓄冷罐為水系統定壓時,其液位高度高于系統最高點(通常大于等于0.5m),罐體直徑根據系統需要確定,這使得開式蓄冷罐的高徑比較大,蓄冷效率較高。數據中心采用的開式蓄冷罐的蓄水容積通常大于300m3,其高徑比通常大于3,蓄冷效率一般在85%以上。
         閉式蓄冷罐單體容積一般較小,通常設置在建筑內部,串聯接入空調系統中,蓄冷罐內的冷水持續流動以保證隨時保有備用蓄冷量。閉式蓄冷罐要求有承壓能力,對材質的要求較高,其施工難度與造價也相對較高。當布水器配置不好時,罐內的冷熱水混合現象非常嚴重,形不成穩定的斜溫層,使得閉式蓄冷罐的蓄冷效率通常較開式蓄冷罐低。
         3.2 水蓄冷在數據中心的節能運用
         由于大型數據中心普遍采用離心式冷水機組,當制冷負荷減小到一定程度時,制冷機會發生喘振現象,嚴重損壞壓縮機的導葉。而數據中心在初始運行時,制冷負荷有時可能只有額定負荷的15%~20%。這時可以停止冷水機組工作,利用蓄冷罐進行供冷,從而保護冷水機組,并且提高其運行效率。由于水蓄冷空調系統具有削峰填谷的功能,因此整個空調系統可以考慮節能運行模式設計,空調系統設置一用一備的制冷機,在夜間利用備用制冷機制備冷水存儲在蓄冷罐內,白天利用蓄冷罐存儲的冷量進行放冷。對于前期低負荷運行時,蓄冷罐承擔末端的全部用冷需求;當后期負荷加大時,蓄冷罐承擔末端部分時段的用冷需求。這樣一方面可以有效利用備用的冷水機組與應急蓄冷系統,避免冷水機組部分負荷運行,提高其運行效率;另一方面減少制冷機白天開機時間,對于有合理分時峰、谷電差價的地區,可降低空調系統的運行費用。
         數據中心應急蓄冷量設計值為整個空調系統滿負荷運行15~20min的冷量,假設系統前期運行時的設備負載只有設計負荷的10%~20%,那么單個蓄冷罐可以保證系統150~200min的運行供冷。而對于雙路供水設計或者移峰填谷與應急相結合的蓄冷罐設計的空調系統,蓄冷系統則可以保證數據中心約7h運行供冷,減少白天制冷機在部分負荷的運行時間,保證冷水機組始終運行在高效制冷區間。如果采用低溫水蓄冷,增大蓄冷溫差(7℃/18℃),則運行節能的效果會比上述實例更加明顯。
         4水蓄冷空調系統在數據中心工程中應用的前景
         數據中心機房的空調冷負荷大,空調系統需常年不間斷制冷運行,其用電量占整個機房用電量的比例高達40%。因此,大型數據中心工程中,一般采用水冷集中式空調系統以取代能效比相對較低的分散式空調形式,以提高空調系統能效比,降低空調系統的運行費用。而在有峰谷電價差的地區,大型數據中心工程中的水冷集中式空調系統與水蓄冷技術相結合,提高系統安全可靠性并帶來經濟效益的前景將會更加廣闊。
         5結束語
         目前,項目已建成,并正式運行,運行效果良好。采用水蓄冷技術配合水冷空調不僅能夠減少高峰時段用電量,每年節約9.03%的運行電費,降低制冷系統運行費用,為企業帶來良好的經濟效益,也能作為數據中心應急供冷的備用冷源,同時能平衡電網負荷,移峰填谷,保障電網安全,提高電能利用效率。目前大型數據中心中常采用自然冷卻節能技術,使得數據中心的能耗大幅度降低,因為自然冷卻的節能效果一定程度上受到項目所在地氣候的影響,寒冷地區自然冷卻時間較長,節能效果明顯。炎熱地區由于室外氣候原因,自然冷卻時間較短,節能效果有限。所以如果在電力政策合適的地區,將水蓄冷技術與自然冷卻節能技術以及其他水冷節能技術配合使用,將會大大降低數據中心的運行能耗,節能優勢更明顯,這也是下一代綠色數據中心的節能技術方向之一。
         參考文獻:
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關鍵字:數據中心

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