大温差水系统运用于数据中心空调节能性分析

张淇淇

上海国际机场股份有限公司

0 概述

近年来，随着移动互联网时代的到来，数据中心的建设规模飞速发展。数据中心是高能耗单位，尤其是空调系统的能耗，约占数据中心总能耗的40%[1]，因此提升数据中心空调系统能效具有较大的节能潜力。

相对于常规空调系统设计中冷冻水供/回水温度7/12 ℃而言，当水系统供回水温差大于5 ℃时，即可称为大温差系统。相比于常规供回水温度7/12 ℃的空调水系统，大温差水系统存在以下特点：

1）降低循环水流量，节约水泵运行能耗；

2）减小输送管路直径，降低管路造价的同时节约管井空间及建筑净高；

3）提升冷水机组平均蒸发温度，提升机组制冷COP，实现节能；

4）表冷器换热效果下降，处理相同的冷负荷需要更大的换热面积，末端造价增加；

5）机器露点被提高，表冷器除湿能力下降。

由上述特点可知，大温差水系统既有节能、节省净高的优点，亦有末端造价偏高、除湿能力偏弱的缺点。本文根据数据中心空调的特征，浅析大温差水系统在数据中心空调系统中的节能。

1 数据中心空调系统特点

数据中心空调系统相比于常规舒适性空调，具有鲜明的特点。若将大温差水系统应用于数据中心空调中，则可以匹配数据中心空调系统的特殊需求。

1）数据中心湿负荷小，可通过提高回水温度实现大温差系统而不必担心除湿能力不足。同时，盘管接近干工况运行可以避免末端同时除湿与加湿的情况，节约末端能耗。

2）高等级数据中心设备冗余量大，大温差小流量可以减小水泵和管路选型，节约空间，节省初期建设投资的效果比常规建筑更明显。

3）相比于舒适性空调，数据中心空调系统全年供冷、负荷稳定，且数据中心空调系统冷负荷密度高。采用大温差小流量系统，降低输送能耗的总节能量较常规舒适性空调更为显著。

为详细说明大流量小温差系统在数据中心应用的节能性，本文定量分析大温差水系统应用于数据中心空调的节能效果。通过对数据中心空调水系统供水温度的分析，11 ℃为比较合理的供水温度设计值[2]。因此，本文基于11 ℃供水温度条件分析其节能性，为便于分析，建立理想数据中心空调系统模型，模型的主要设备参数见表1。

表1 节能性分析模型主要设备参数表

2 供回水温差与制冷主机能耗分析

在水系统中制冷机组采用制冷循环制取冷量，大温差工况通常通过蒸发侧的供水温度恒定，以提高回水温度。当蒸发器水侧平均温度提高时，冷机的平均蒸发温度提高，以提高制冷循环效率，实现单位制冷量能耗下降。

在模型的节能性分析中，以某品牌3 000 kW制冷量水冷离心冷水机组的制冷工况为例，其不同供回水温差下的冷机能耗及能耗下降情况见表2 和图 1。

表2 不同供回水温度下冷机能耗

由表2 和图1 可知，随着供回水温差增大，机组制冷能效比提高，耗电量下降。相比于11/16 ℃，5 ℃温差工况，温差每提高1 ℃，单位制冷量能耗下降约0.2%。假定其他因素不变，系统全年100%负荷率运行，可计算不同供回水温度下冷机年耗电量，见图2。

图1 不同供回水温度下冷机EER 及耗功率对比图

图2 不同供回水温度下冷机年耗电量变化图

集中空调系统的冷冻水泵承担着将冷冻机产生的冷量输送至末端设备的任务，是数据中心空调系统中运行能耗的重要影响因素。研究显示，水泵输送能耗占集中空调系统总能耗的25%至30%[3]。因此，降低水泵输送能耗具有重要节能意义。

系统供冷量计算式见式(1)。

式中：Q——供冷量，kW；

c——水的比热容，kJ/kg℃；

G——冷冻水流量，m3/h；

ΔT——供回水温差，℃。

在供冷量Q 不变的前提下，水泵输送的水流量与供回水温差成反比。在工程中进行冷冻水管路设计时，会根据设计循环水量，按照合理比摩阻范围进行管径选型。亦即水系统总的阻力基本不受设计循环水量改变的影响。因此可以认为，在新建项目中，设计水流量的改变并不会降低水泵设计扬程。因而，根据水泵轴功率的计算式（2）可得，在扬程不变的情况下，水泵能耗与循环水流量成正比例关系。

式中：N——水泵轴功率，W；

G——水流量，m3/h

H——水泵扬程，mH2O

η——水泵效率，取0.7

综上所述，对于集中空调循环冷冻水系统，冷冻水泵运行能耗与供回水温差成反比例关系。根据前文假定的分析系统模型可计算各供回水温度工况，全年水泵输送能耗见表3。

表3 不同回水温度下单位制冷量全年输送能耗表

图3 不同供回水温度下水泵年耗电量变化图

由图3可知，当新建项目选择供回水温度时，水泵年耗电量随回水温度的升高而降低。

3 供回水温差与末端设备能耗分析

服务于数据中心机房的空调设备为机房专用精密空调，其具有冷水盘管、风机、加湿器、电再热器等关键部件。精密空调机组的运行能耗主要来自风机、电再热器及电热加湿器。

根据换热理论，在冷冻水供水温度不变，供/回水温差变大的情况下，相当于提升了盘管水侧平均换热温度，其传热系数会随之下降。因此，相比于标准温差系统，大温差系统的冷水盘管需要放大，以实现与常规冷水系统相同的供冷量。同时，由于盘管换热系数下降，基于相同回风参数及循环风量情形，其送风温度将有所提高。为实现与常规冷水系统相同的供冷量，循环风量需要提高，风机能耗相应提高。基于前文模型分析，以单末端制冷量需求均为50 kW，回风状态点均为30 ℃，40%的工况为例，各工况下末端设备相应参数见表4。

由表4可知：

1）供回水温度在 11/16 ℃，11/17 ℃，11/18 ℃三个工况下，相同循环风量下的相同设备选型即可满足相近的制冷量要求，随着供回水温差增大，其制冷量稍有下降但变化不大。相比于供回水温度11/16℃工况，11/17℃和11/18℃两种工况的风机能耗稍高。

2）供回水温度11/19 ℃，11/20℃工况相比于温差较小的工况需要更大规格的机组，其循环风量更大。与CRAC-50 相比，CRAC-60 机型循环风量更大，但风机功率却更低，这是由于其配用的风机工作在更高效率的工作点。

3）随着供回水温差增大，盘管水阻力减小明显，可以进一步降低输送能耗。

4）随着供回水温差增大，盘管显热比逐渐增大，11/18 ℃及以上工况，盘管显热比为1，即在干工况运行。在新风单独处理的工况下，数据机房通常没有湿负荷，盘管干工况运行可以避免边加湿边除湿，降低能耗。

表4 不同供回水温度下末端设备参数表

假定数据中心全年运行，其末端设备年耗电量为：

式（3）中：

P——风机总耗电量，kWh；

n——风机台数；

P0——单台风机额定功率kW，

T——工作时长，8 760 h。

计算在不同供回水温度工况下，末端设备的年耗电量，见表5。由图4 可知，在本模型条件下，供回水温差在11/19 ℃和11/20 ℃条件下时，末端风机能耗最低。

4 供回水温差与系统能耗分析

数据机房空调系统能耗主要由冷机能耗、输送能耗、末端风机能耗构成。根据前文模型计算得出的各项数据，见表6。

由表6 可知，在3 000 kW 制冷量系统模型情形下，5 种系统供回水温度工况条件中，11/20 ℃工况的系统年能耗最低，相比能耗最高的11/17 ℃工况降低了10.0%。以11/20 ℃工况为例，可得出冷机能耗、冷冻泵能耗、末端能耗在大温差数据中心空调系统中的占比，见图5。该系统能源消耗的最大部分为冷冻机能耗，占系统能耗的70%以上。因此，降低数据中心空调系统能耗，应重点致力于提升冷冻主机能效，降低主机能耗。

表5 不同供回水温度下末端设备年耗电量

表6 不同供回水温度下系统年耗电量

图4 不同供回水温度下末端年耗电量变化图

图5 11/20 ℃供回水温度下数据中心系统能耗构成图

5 结论

根据上述分析，得出关于大温差冷冻水空调系统应用于数据中心时，其相关节能性结论如下：

1)在数据中心空调系统中，冷冻主机能耗在系统总能耗中占比最高。冷冻水供回水温差在5～9 ℃时，温差越大，主机制冷能效越高。相比于11/16 ℃工况，11/20 ℃工况时，冷机单位制冷功耗下降了0.81%。年制冷能耗也按此比例下降。

2)大温差冷冻水系统可以明显降低冷冻水循环泵能耗。

3)冷冻水供回水温差对末端设备风机能耗的影响从理论上而言，温差越大，风机能耗越高。然而基于本研究条件下，受选型设备风机工作状态的影响，当供回水温差在11/19 ℃和11/20 ℃条件下，末端风机能耗最低。

4)综合考虑冷机、冷冻水泵以及末端能耗，当冷冻水供回水温度在11/16 ℃到11/20 ℃之间时，供回水温差越大系统全年能耗越低。11/20 ℃工况时系统全年能耗相比于11/16 ℃工况下降了8.0%。

5)综上，在本文研究范围内，增大供回水温差对于数据中心空调系统能效提升具有积极意义。