数据中心冷冻水供水温度设计取值探讨

陆琼文

华东建筑设计研究总院

关键字：数据中心；冷冻水供水温度；冷水机组；冷却塔供冷

0 引言

数据中心机房是包含计算机系统及配套的数据连接系统、网络系统、环境控制系统、监控设备系和安全装置等，是对一个企业的业务系统与数据资源进行集中、集成、共享和分析的场所。

近年来，随着信息技术的快速发展和待处理数据信息量的激增，我国数据中心机房，尤其是大型和超大型的数据中心机房在未来数年内将呈现井喷式增长。

由于数据中心内部的高性能服务器机柜发热密度急剧增加，因此，数据中心机房较其他功能建筑，其建筑冷负荷需求大幅增加、空调能耗巨大。据统计，数据中心的能耗约占我国全社会总能耗的2%，占总建筑能耗的10%。数据中心机房巨大的能耗需求，对我国当前的能源形势造成了一定程度的挑战。

根据数据中心机房的负荷特点，合理选取数据中心机房空调系统的冷冻水供水温度，不仅能合理选取设备容量、降低工程设备造价，而且能有效降低数据中心电能利用率PUE值和数据中心能耗，达到节能环保与经济效益兼顾的双重目标。

1 冷冻水供水温度对冷水机组的影响

数据中心冷负荷主要是服务器、UPS等用电设备的散热形成的显热负荷，潜热负荷占比很小，因此可用较高的冷冻水供冷温度来满足冷负荷需求。提高冷水机组蒸发温度和提高冷冻水供水温度，可以显著提高机组的运行效率。制冷机运行性能可以用性能系数COP（Coefficient of Performance）值加以评价。影响制冷机性能系数的因素有：蒸发温度、冷凝温度和机组负荷率。

图1是蒸汽压缩式制冷循环压-焓图，1-2为绝热压缩过程，2-3为等压冷凝过程，3-4为绝热节流过程，4-1为等压蒸发过程。当蒸发温度升高，制冷循环由1-2-3-4-1变为1’-2’-3-4’-1’。对制冷循环产生如下影响：

图1 蒸发温度升高对制冷循环的影响

制冷剂的单位质量制冷量由q0增大为q0’；

制冷剂的单位质量压缩功由w减小为w’，压缩机COP值增大；

制冷剂排气温度由t2下降至t2’。排气温度过高会使润滑油黏度降低甚至炭化，影响机件的润滑和机组的正常运行；

制冷剂节流后的干度由χ4下降到χ4’，制冷循环节流损失减小。

根据上述分析，当冷水机组的冷冻水供水温度提高时，机组的性能系数COP会相应增大。此外，由于冷冻水供水温度提高，机组供冷量会相应增加，意味着对应同样的冷量需求，机组容量的选型可相应减小，单位供冷量的造价会相应降低。表1是某品牌冷水机组的不同冷冻水供水温度情况下机组的COP值。

表1 冷冻水供水温度对制冷机组运行性能的影响

由表1可知，随着冷冻水供水温度的提高，冷水机组COP增大。当冷冻水供水温度为15℃时，较7℃时的COP提高26．3%，每提高1℃冷冻水供水温度，冷水机组COP约提高3．3%。

2 冷冻水供水温度对冷却塔供冷的影响[1]

冷却塔供冷是指建筑物需要供应空调冷水时，停止运行或部分运行冷水机组，利用为冷水机组配置的冷却水系统，通过冷却塔与室外低温空气进行热交换，获取低温冷却水，为空调系统提供冷量的技术。

一般情况下，板式换热器与冷水机组为并联连接。湿球温度达到某一数值时，冷水机组停止运行，系统冷量全部由冷却塔提供。图2为典型的冷却塔供冷系统。

图2 典型冷却塔供冷系统

2.1 冷水系统综合性能系数

冷水系统综合性能系数WSCOP定义为：空调冷水系统供冷量与冷水机组、冷水泵、冷却塔及冷却水泵净输入能量之比。

WSCOP用于评价冷水系统在一定供冷量工况下的系统运行能效。

2.2 分析模型

按图2所示原理，建立分析模型，各设备参数如表2所示：

2.3 冷水机组供冷模式

当系统按冷水机组在供冷模式运行时，图2中各设备及阀门运行工况如表3所示：

假定冷水机组负荷率为100%，此时机组COP仅与冷却水进水温度有关，而冷却水进水温度与湿球温度ts有关，可以通过计算获得WSCOP与ts的关系式，即：

随着室外湿球温度的降低，WSCOP线性上升。当湿球温度为t1时，冷却塔出口温度达到冷水机组最低冷却水允许温度，此时图2中冷却水系统旁通管V7进行开度调节，保证进入机组的冷却水温度等于t1，自此WSCOP值不随湿球温度而变化。t1与机组性能、冷冻水供水温度有关，同样的机型随着冷冻水供水温度的提高，其最低冷却水允许温度相应升高。

表2 主要设备参数

表3 冷水机组供冷模式设备及阀门状态

2.4 免费供冷模式

随着湿球温度的进一步降低，当板式换热器的供冷量可全部满足系统供冷量需求时，系统便可转换为冷却塔免费供冷模式。各设备及阀门工况见表4。

此时，冷水机组停止运行，系统仅依靠冷却塔冷却就可获得所需供冷量，V5进行旁通调节，控制冷冻水供水温度。此时WSCOP为一定值。切换温度t2与冷冻水供水温度成正比，冷冻水水温越高，相应的切换温度也越高，见表5。

2.5 全年运行曲线

根据上述分析及计算，可以获得全工况运行曲线，如图3所示：

图3 冷却塔供冷WSCOP值与湿球温度关系

切换温度t1与机组性能、冷冻水供水温度有关，同样的机型随着冷冻水供水温度的提高，其最低冷却水允许温度相应升高；切换温度t2与冷冻水供水温度、冷却塔性能有关。在同样的冷却塔选型情况下，较高的冷冻水供水温度意味着系统可以有较高的切换温度；湿球温度的分布近似于正态分布，如图4所示，这意味着冷却塔免费冷却供冷的时长会明显增加，系统的运行费用会有相应的减少。

图4 上海地区湿球温度时间分布频数

根据上海地区湿球温度统计结果，计算不同冷冻水供水温度下的冷源侧单位冷量年耗电量值，结果如图5所示。随着冷冻水供水温度提高，冷源侧电量消耗逐步降低。当冷冻水供水温度为7℃时，冷源侧电量为1 617kWh/kW；冷冻水供水温度为11℃时，冷源侧电量为1 483kWh/kW，降幅为8．3%；冷冻水供水温度提高至15℃时，冷源侧电量为1 263kWh/kW，降幅为21．9%。

图5 不同冷冻水供水温度下冷源侧单位冷量年耗电量

3 冷冻水供水温度对机房空调的影响

机房空调是数据机房类建筑常用的末端换热设备，其热工性能主要受到以下4个因素影响：进口空气参数、处理风量、冷冻水供水温度和冷冻水流量。

选取JW20-4型表冷器，按照文献[2]介绍的基于热交换效率的热工计算方法，计算不同工况条件下的表冷器供冷量，可以获得供冷量与供水温度之间的关系。

假设表冷器进口空气干球温度24℃，相对湿度50%，迎风速度2．5m/s，水流速1．5m/s，计算不同冷冻水供水温度下的供冷量，计算结果见表6。

表4 免费冷却模式设备及阀门状态

表5 冷冻水供水温度与冷却塔免费供冷切换温度的关系

表6 不同冷冻水供水温度下的表冷器供冷量

假定供水温度7℃时的供冷量为100%，图6为不同供水温度对供冷量的影响情况。根据图6可以得到以下结论：（1）供水温度与全热供冷量分阶段呈线形关系；（2）湿工况下，冷冻水供水温度每提高1℃，全热供冷量降低约8%，显热供冷量降低5%；（3）干工况下，供冷量下降约6%。

图6 供水温度对供冷量的影响

由于提高冷冻水供水温度，表冷器供冷量会线性减少，因此对于固定的冷量需求，不同的冷冻水供水温度工况需对应不同的机组选型，表7是某品牌机房空调的选型结果。

对应相同的制冷量（显热），随着冷冻水供水温度的提升，机组选型不断加大，对应的风机运行功率以及设备造价随之增大。图7是不同冷冻水供水温度下，对应单位供冷量的机房空调年耗电量。根据前述分析，冷冻水供水温度的提高对于冷冻机的造价、冷冻机和冷却塔供冷系统的能耗是有正向作用，但对于末端换热设备的造价和运行能耗有反向影响，因此，必须综合分析系统的全年运行能耗和生命周期费用，见图8和图9。

图7 供水温度对机房空调能耗的影响

图8 供水温度对系统耗电量的影响

表7 不同冷冻水供水温度下的机房空调性能

图9 供水温度对系统生命周期费用的影响

冷冻水供水温度在11℃以下，机房空调表冷器处于湿工况，系统的耗电量以及生命周期费用随温度增加缓慢增长，差异不显著。当冷冻水供水温度升高至11℃以上后，机房空调表冷器处于干工况，相关数值显著增大。

4 冷冻水供水温度对于温度场的影响

冷冻水供水温度提升，机房空调的送风量和送风温度会相应增大，对工艺场所的热环境会产生不同影响。针对某数据中心机房，利用CFD模拟软件对冷冻水供水温度为7℃、11℃、15℃时不同的送风风量和送风参数情况下对机房的热环境进行模拟。

设定机房面积为640m2，高架地板500mm，层高5m；共228个IT设备机柜，单机柜4kW；机房南北侧配置两组房间级精密空调，每组均为8用2备。按照设计工况进行评估，同时考虑如下影响机房气流组织的关键参数：

①机柜前后网孔门、空气通过机柜安装导轨及盲板的泄漏率；

②未获得统一边界，空调采用送风控制，相应供水温度下的额定风量输出；

③IT设备输出风量按照EnergyStar流量比曲线设置，流量随着IT设备进口温度变化；

图10～图13从左到右依次为冷冻水供水温度7℃、11℃、15℃的模拟结果，包括机柜的最大进风温度、距高架地板1m处机房截面温度与相对湿度分布、地板出风口风量分布等。

图10 机柜进风温度分布

图11 机房截面（距高架地板1m）温度分布

图12 机房截面（距高架地板1m）湿度分布

地板出风流量分布：

图13 地板出风流量分布

对于冷冻水供水温度7℃时的工况，机柜进风温度在12℃～22℃，相对湿度42%～49%之间；11℃工况，机柜进风温度在15℃～19℃，相对湿度48%～49%之间；15℃工况，机柜进风温度在19℃～23℃，相对湿度48%～49%之间；15℃工况机房地板送风风量最大，机柜进风区域的温度、湿度分布最为均匀。

根据《数据中心设计规范》（GB50174-2017）相关规定，冷通道或机柜进风区域的温度宜为18℃～27℃，露点温度宜为5．5℃～15℃，同时相对湿度不宜大于60%。根据模拟结果，当机房空调表冷器处于干工况时，能满足规范相关要求。当冷冻水供水温度处于10℃以下，表冷器尚处于湿工况，送风参数处于机器露点附近，对于进风区域的湿度控制是不利的。冷冻水供水温度的取值应考虑保证机房空调表冷器处于干工况。

5 结论

根据上述分析，冷冻水供水温度升高，可减少冷水机组造价，降低冷源侧运行能耗；但同时末端机房空调表冷器换热能力减弱，将提高机房空调造价，增大机房空调的运行能耗。综合分析，在冷冻水供水温度11℃以下区域系统总造价和运行能耗差异不大，当冷冻水供水温度高于11℃后，造价和运行能耗上升较快；结合对于数据机房温度场、流场的模拟结果，建议类数据中心机房项目的冷冻水供水温度设计值取值10～11℃，机房空调表冷器临近干湿工况临界点，可达到节能与低设备投资兼顾的效果。