水蓄冷设备在数据中心的多功能联合应用

文_邹元霖 高青 蔡宇 王志刚 北京英沣特能源技术有限公司

随着互联网、云计算等技术的发展，数据中心的建设进入了一个蓬勃发展时期。随着数据中心面积、规模的增加，数千甚至上万台IT设备同时在线，产生了大量的热量和电力消耗，制冷和降耗成为了数据中心面临的最大挑战。

水蓄冷是利用水的显热实现冷量的储存。现阶段水蓄冷技术作为数据中心的应急冷源系统，在数据中心设计中得到了很大的推广和应用。

蓄冷罐等蓄冷设备不仅可以用作数据中心应急制冷，同时也具备了其他辅助功能，如峰谷电价运营调优、早期低负载运行调优等。

本文以上海某联通数据中心的水蓄冷系统为例，探讨水蓄冷设备在数据中心的“应急冷源”与“削峰填谷”的联合应用。

1 工程概况

上海某联通数据中心建筑总面积约为2.15万m2，其中数据中心空调建筑面积为12530m2，工艺冷负荷19173kW。

2 水蓄冷技术简介

水蓄冷能技术是利用水在不同温度下密度不同进行自然分层的原理，利用当地的峰谷电价政策，在夜间建筑低谷负荷且电价较低时段主机开启进行蓄能，在白天电价高峰负荷时段蓄能设备释能，将低谷电价时段储存的能量移到高峰负荷时段使用，移峰填谷，节约运行费用。

在水蓄冷技术中，关键的部件是蓄能设备的结构形式应能防止所蓄冷（热）水与回流温（冷）水的混合。为实现这一目的，目前常采用自然分层蓄冷、多设备式蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷方法。其中，自然分层蓄冷方法简单、有效，是保证水蓄冷系统最为经济和高效的方法。

3 方案设计

3.1 冷源配置

冷水主机采用1600RT离心式冷水主机6台，4用2备；循环水泵、板式换热器、冷却塔也按4+2进行配置。

空调冷冻水系统设计为二次泵系统，一次泵、板式换热器、冷却塔与冷水机组一一对应，冷冻水二次泵、冷却水泵采用变频水泵，一次管路设计为环路，二次管路为双支路环路，保证系统可在线维护，提高可靠性。设计联系供冷系统，二次泵，精密狂徒机组风机。两路UPS供电。

采用开式蓄冷罐，设置在室外。平时夜间蓄冷罐处于蓄冷状态，充满14℃的冷冻水。平时白天部分电价高峰时段，关闭电制冷机运行，采用蓄冷罐补充供冷，至少可以提供2h的供冷，降低冷机运行费用。当市电断电，制冷系统转入柴机供电，在冷水机组恢复正常运转之前，二次泵，机房精密空调连续运转，蓄冷罐处于供冷状态，提供精密空调机组冷冻水，保证IT机房15min的连续供冷。当蓄冷罐出现故障时，常闭电动阀开启，阀门正常开启信号确认后，可关闭蓄冷供回水管上的电动阀。

3.2 蓄冷罐配置

本项目采用开式非承压水蓄冷钢罐，直径14m，总高35.1m,液位高度33m，体积5154m3，供回水温度14～21℃，有效蓄冷量35605kWh，作为数据中心应急冷源及削峰填谷使用。蓄冷罐产品由蓄冷罐专业厂家进行深化设计、生产与施工。

（1）罐体设计。本项目蓄冷罐设计为满足高标准、严要求，采用压力容器标准设计罐体壁板、底板厚度，焊接工艺及探伤等级要求。

（2）蓄冷罐布水器设计。本项目蓄冷罐设计了多种组合式布水器，运用流体动力学原理使用CFD专业软件对蓄冷罐的使用状态进行模拟，不断的校核布水器设计参数，修正斜温层厚度，使蓄冷罐的有效利用率达到90%以上，保证了蓄冷罐可以高效运行。

4 蓄冷罐在系统中的作用

4.1 应急冷源

数据中心保持每年365d，每天24h的常年运行工况，为满足数据中心应急制冷的需求，蓄冷罐可作为应急冷源使用。在数据中心电力故障期间为空调系统提供所需冷量，保障数据中心的安全运行。

根据计算，满足15min应急冷量为：19173×0.25=4793kWh，所需蓄冷罐体积约为700m3。

4.2 削峰填谷

本项目用于削峰填谷的蓄冷罐体积为4454m3，蓄冷量30812kWh，用于峰谷电价运营调优，节约运行费用。利用峰谷电力价格的差异，选择在夜间蓄冷，白天通过蓄冷罐给数据中心制冷的模式进行调优。

5 监测数据分析

本蓄冷罐自2016年5月完工运行至今，通过对蓄冷罐各高度温度的监测可知，蓄冷罐实际运行工况为14～18℃。通过对蓄冷罐下部2个温度探点（T5、T10），上部3个温度探点（T20、T25、T30）连续10天的数据统计分析，本蓄冷罐下部水温一直保持在14℃左右，说明下部蓄冷罐一直处于数据中心应急冷源备用状态，上部水温随着时间有规律的在14～18℃变化，夜间温度降低，白天温度升高，说明上部蓄冷罐夜间蓄冷白天释冷，作为建筑物削峰填谷使用。温度变化曲线如图1所示。

图1 蓄冷罐温度变化曲线

统计蓄冷罐T5、T10、T20、T25、T30，5天的温度变化曲线可知，蓄冷罐下部温度一直稳定在14℃左右波动，蓄冷罐上部温度变化在14℃和18℃区间变化，说明上部分蓄冷罐处于释冷和蓄冷工况。

6 节约运行费用估算

15min 应急冷负荷为：19173×0.25=4793kWh；冷水机组参数：制冷量5627kW，耗电功率776kW，COP为7.25；削峰填谷冷负荷为：30812kWh，耗电量为4250kWh。

本项目峰谷电价差约为0.9元/kWh，所以每日节约运行费用3825元。数据中心在冬季可采用自然冷源进行自由冷却，上海地区自由冷却时间约为84天，采用电制冷的时间为281天，则年节约运行费用107.5万元。

7 结论

蓄冷技术在数据中心的应用，不仅可作为应急冷源使用，在条件允许的情况下，也可以作为实现电力削峰填谷功能使用。蓄冷技术削峰填谷功能将会在未来的数据中心冷却系统中占据主流，随着数据中心空调能耗的日趋增长以及很多数据中心项目配置2N系统，利用备用机组在电价低谷时段蓄冷，白天电价高峰时段释冷是平衡电网负荷，降低数据中心运行费用的新举措。所以，在数据中心空调设计中，合理科学地应用水蓄冷技术，可以提高数据中心在运行使用过程中的节能效果，提高数据中心的PUE值。