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基于水蓄冷在数据中心的应用研究

发布时间:2018-07-20 10:14:11 阅读次数:

:水蓄冷空调系统是以水为介质,将夜间电网多余的谷段电力(低电价时)与水的显热相结合来蓄冷,以低温冷冻水形式储存冷量,并在用电高峰时段(高电价时)使用储存的低温冷冻水来作为冷源的空调系统。水蓄冷空调系统在电力高峰期的白天,不开或少开冷机,充分利用夜间储存的冷量进行供冷,从而达到电力移峰填谷的目的。由于电力部门实施分时电价,蓄冷空调系统的运行费用比常规空调系统运行费用低;分时电价差值越大,用户得益越多。采用蓄冷空调技术,业主并不一定节电,但能节省运行费用;更重要的是,有利于国家电网的安全运行,因此,国家把它作为一种节能环保的技术大力推广。本文就水蓄冷技术应用在数据中心领域的形式和作用进行分析,并对大温差与小温差自然分层水蓄冷的充、放冷过程进行了研究。计算结果表明,大温差水蓄冷的斜温层相对小温差水蓄冷的较稳定,波动也小,温度分层明显,蓄冷效率较高。水蓄冷和水冷节能技术结合使用,将大大降低数据中心的运行能耗和电费,是未来绿色数据中心的节能发展趋势。
         关键词:水蓄冷技术;数据中心;节能设计;应用
          
         0 引言
         进入新世纪以来,我国互联网技术的飞速发展,人们越来越难以离开网络。数据中心作为互联网行业的后方阵地,既迎接新的发展契机也承受着能源高需求带来的弊病,所以,在数据中心进行一系列节能技术的应用、改进和融合势在必行。数据中心是为电子信息设备提供运行环境的场所,在数据中心中需要安装数据处理、数据传输和网络通讯等多种IT设备。为保障IT设备正常有效地运转和保障业务顺畅进行,还需要安装为IT设备服务的电力、空调等相关设备及传输管路。数据中心IT设备的正常工作,不仅需要电力供应系统、网络系统等配套设施的稳定运行,同时也依赖空调系统不间断持续稳定的运行。IT设备与电子元器件通常对环境的温度非常敏感,短暂的制冷中断对于低密度机房尚可容忍,但设备的可靠性和处理能力开始降低,故障发生率大大提高,而对于中高密度机房很可能会引起故障,甚至造成业务中断。空调系统的持续供冷,要求当电力系统发生紧急停电故障时,可以通过蓄冷装置和水泵为系统提供冷水。当电力系统发生故障时,一方面由于冷水机组会进入故障保护状态,首先恢复至正常开机的初始状态,再经过控制系统对冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等相关部件进行检查确认后,才能正常供冷。而冷水机组的生产厂商技术参数显示,相应的恢复时间为3~13min。另一方面由于电力系统发生故障时,备用的柴油发电机组从启动至稳定供电的过程也需要一定的时间。因此,空调系统在电力发生故障时会有一段供冷不足,为了消除这一安全隐患,在空调系统中通常设置蓄冷设施,作为备用冷源。
         1 数据中心环境和空调系统特点
         数据中心通常一般包括机房区和辅助区。机房区包括服务器机房、网络机房、存储机房等核心区域。辅助区是支持和保障机房区设备的正常、安全、连续运行的房间,包括变配电室、柴油发电机房、UPS室、电池室、制冷站、空调间、消防用钢瓶间、监控室等。数据中心内服务器机柜安装的服务器、路由器、存储设备、交换机等计算机设备常年向数据中心散发热量,一个服务器机柜的散热量在每小时几千瓦到几十千瓦,机房内的显热比高达95%以上。数据中心的制冷系统主要为这些设备提供符合要求的运行环境。数据中心的空调负荷与民用建筑空调负荷有明显区别。数据中心空调负荷归纳起来,有以下特点:1)热密度高;2)冷负荷波动小;3)显热量大、潜热量小;4)风量大、焓差小;5)不间断运行;6)常年制冷;7)温湿度波动小;8)洁净度较高。因此,数据中心对空调制冷系统提出了更高的要求。
         2自然分层水蓄冷技术
         水蓄冷是利用水的显热来存储冷热的蓄能技术,其原理简单、运行稳定,被人们广泛应用于工程领域。相关研究表明,水蓄冷系统的运行费用随着水蓄冷罐体积的增加而减少,当水蓄冷体积超过760m3时,采用水蓄冷系统的经济性要强于其他相变蓄冷的方式。因此,水蓄冷系统在大型数据中心空调系统中应用具有一定的经济性。由于数据中心的冷负荷大,瞬间的用冷量大,相变蓄冷的方式无法满足其快速、巨大的用冷要求,因此,水蓄冷技术广泛用于数据中心,作为应急冷源。水蓄冷在数据中心应用时,不需要额外配置蓄冷冷源,直接利用原有的备份冷水机组,在紧急情况下可以启动供冷,实现数据中心快速、持续和稳定的供冷要求。
         笔者对大温差水蓄冷与小温差水蓄冷充放冷的过程进行数值模拟研究,建模型将蓄冷罐的布水器简化成均匀流速的平面,并且蓄冷罐的外壁面按绝热层考虑。其中大温差蓄冷的供回水温度分别为7℃/18℃,小温差蓄冷的供回水温度分别为12℃/18℃。充、放冷过程15min,罐体直径为5.12m,蓄水高度为21m,高径比为4.1,初始流速为0.021m/s,设计的弗劳德数Fr为0.6,雷诺数Re为1050,以上参数值均为实际工程设计值。
         充冷时蓄冷罐内充满了18℃热水,7℃(或12℃)冷水从罐的下方流入,热水从罐的上方流出;放冷时蓄冷罐内充满了冷水,冷水从罐的下方流出,热水从罐的上方流入,2个过程都属于瞬态传热过程。
         应用GAMBIT前处理软件建立物理模型并生成六面体非结构网格,应用Fluent软件对充、放冷过程进行模拟计算。通过截取所建模型的中心平面,监视蓄冷罐内部的流动状态与温度场分布,从而得到各时刻蓄冷罐内斜温层的变化情况。
         由于将蓄冷罐作为数据中心应急冷源,整个放冷过程时间较短,因此要求罐内的水流速度较快,导致斜温层相对较厚,蓄冷和放冷的效率较低。其中大温差(7℃/18℃)蓄冷的效率约为90.6%,小温差(12℃/18℃)蓄冷的效率约为88.2%,这是由于忽略了布水器的影响,导致模拟计算的蓄冷效率大于实际的运行效率。
         从我们模拟结果可以知道,斜温层的存在一方面影响蓄冷效率,另外则有利于水蓄冷系统实现温度分层,减少冷热水混合。此外,蓄冷罐在充、放冷过程中,斜温层的厚度都逐渐增大,并且斜温层的波动也逐渐增强。这是由于在运行过程中,斜温层在时间上有一个积累,通过导热作用,同时降低热水温度和提高冷水温度。
         蓄冷罐内斜温层的位置会随着充、放冷的过程而变化,整个充、放冷过程是一个非稳态的流动与传热过程,直接计算和控制斜温层的厚度难度较大。因此在蓄冷系统的设计中,为了保证水蓄冷系统可靠、高效运行,通常需要进行仿真模拟,以对蓄冷罐的设计进行优化。
         3 水蓄冷技术在数据中心的应用
         3.1 水蓄冷作为应急冷源的应用形式
         对于数据中心不间断供冷,水蓄冷的应用形式可以分为开式和闭式2种。开式蓄冷系统技术成熟、冷热水的分层效果明显、造价相对较低,因此数据中心空调系统的设计大多采用这种形式。另一方面,设计中常将开式蓄冷罐或蓄冷池并联至空调系统中,当开式蓄冷罐为水系统定压时,其液位高度高于系统最高点(通常大于等于0.5m),罐体直径根据系统需要确定,这使得开式蓄冷罐的高径比较大,蓄冷效率较高。数据中心采用的开式蓄冷罐的蓄水容积通常大于300m3,其高径比通常大于3,蓄冷效率一般在85%以上。
         闭式蓄冷罐单体容积一般较小,通常设置在建筑内部,串联接入空调系统中,蓄冷罐内的冷水持续流动以保证随时保有备用蓄冷量。闭式蓄冷罐要求有承压能力,对材质的要求较高,其施工难度与造价也相对较高。当布水器配置不好时,罐内的冷热水混合现象非常严重,形不成稳定的斜温层,使得闭式蓄冷罐的蓄冷效率通常较开式蓄冷罐低。
         3.2 水蓄冷在数据中心的节能运用
         由于大型数据中心普遍采用离心式冷水机组,当制冷负荷减小到一定程度时,制冷机会发生喘振现象,严重损坏压缩机的导叶。而数据中心在初始运行时,制冷负荷有时可能只有额定负荷的15%~20%。这时可以停止冷水机组工作,利用蓄冷罐进行供冷,从而保护冷水机组,并且提高其运行效率。由于水蓄冷空调系统具有削峰填谷的功能,因此整个空调系统可以考虑节能运行模式设计,空调系统设置一用一备的制冷机,在夜间利用备用制冷机制备冷水存储在蓄冷罐内,白天利用蓄冷罐存储的冷量进行放冷。对于前期低负荷运行时,蓄冷罐承担末端的全部用冷需求;当后期负荷加大时,蓄冷罐承担末端部分时段的用冷需求。这样一方面可以有效利用备用的冷水机组与应急蓄冷系统,避免冷水机组部分负荷运行,提高其运行效率;另一方面减少制冷机白天开机时间,对于有合理分时峰、谷电差价的地区,可降低空调系统的运行费用。
         数据中心应急蓄冷量设计值为整个空调系统满负荷运行15~20min的冷量,假设系统前期运行时的设备负载只有设计负荷的10%~20%,那么单个蓄冷罐可以保证系统150~200min的运行供冷。而对于双路供水设计或者移峰填谷与应急相结合的蓄冷罐设计的空调系统,蓄冷系统则可以保证数据中心约7h运行供冷,减少白天制冷机在部分负荷的运行时间,保证冷水机组始终运行在高效制冷区间。如果采用低温水蓄冷,增大蓄冷温差(7℃/18℃),则运行节能的效果会比上述实例更加明显。
         4水蓄冷空调系统在数据中心工程中应用的前景
         数据中心机房的空调冷负荷大,空调系统需常年不间断制冷运行,其用电量占整个机房用电量的比例高达40%。因此,大型数据中心工程中,一般采用水冷集中式空调系统以取代能效比相对较低的分散式空调形式,以提高空调系统能效比,降低空调系统的运行费用。而在有峰谷电价差的地区,大型数据中心工程中的水冷集中式空调系统与水蓄冷技术相结合,提高系统安全可靠性并带来经济效益的前景将会更加广阔。
         5结束语
         目前,项目已建成,并正式运行,运行效果良好。采用水蓄冷技术配合水冷空调不仅能够减少高峰时段用电量,每年节约9.03%的运行电费,降低制冷系统运行费用,为企业带来良好的经济效益,也能作为数据中心应急供冷的备用冷源,同时能平衡电网负荷,移峰填谷,保障电网安全,提高电能利用效率。目前大型数据中心中常采用自然冷却节能技术,使得数据中心的能耗大幅度降低,因为自然冷却的节能效果一定程度上受到项目所在地气候的影响,寒冷地区自然冷却时间较长,节能效果明显。炎热地区由于室外气候原因,自然冷却时间较短,节能效果有限。所以如果在电力政策合适的地区,将水蓄冷技术与自然冷却节能技术以及其他水冷节能技术配合使用,将会大大降低数据中心的运行能耗,节能优势更明显,这也是下一代绿色数据中心的节能技术方向之一。
         参考文献:
         [1]冯立京.蓄冷技术在数据中心空调系统中的应用探讨[J].制冷空调与电力机械,2011.
         [2]钟景华,曹播,王前方,等.中国数据中心技术指南[M].北京:机械工业出版社,2014.
         [3]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2008.
         [4]方贵银.蓄冷空调工程实用新技术[M].北京:人民邮电出版社,2000.
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