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数据中心空调系统冷水机组节能运行策略

发布人:中嘉和信 发布时间:2023.01.12 来源:数据中心基础设施运营管理

一、冷水机组群控

根据负荷变化趋势,结合冷水机组的类型和特性,进行机组台数管理,使得冷水机组群获得最佳综合能效。冷水机组台数控制节能包括多种方法:

1) 供回水温度控制法:通过测量空调系统中冷冻水系统回水的温度,根据其值的大小,从而决定开启冷水机组的台数,达到控制冷水机组台数的目的。回水温度控制法原理虽然简单,但在实际应用中,相当部分冷水机组处于部分负荷工况,系统温差小,误差较大,无法有效节能。

2) 流量控制法:流量计通过测量冷冻水流量获得流量信号,然后再把流量值与冷水机组的额定流量进行比较,从而实现对冷水机组的台数控制。流量控制法依据流量变化和负荷成正比原理节能。但实际末端传热和流量并非线性,且供回水温差也是变化的,所以流量变化不能真实反映负荷变化,流量控制法的节能效果未必如意。

3) 冷量控制法:采用能量表通过测量冷冻水供回水温度和供()水流量获得温差和流量信号,然后将两个信号依据热力学公式计算实际的需冷量,再把冷量值与冷水机组的产冷量进行比较,从而实现节能。

4) 对冷水组的台数控制。以节能效果而言,冷量控制节能效果最好。

在数据中心的冷水机组系统中,通常在控制系统收到运行指令后,根据室外湿球温度,判断采用何种制冷模式,由控制系统进行切换,再进入不同模式的控制流程。根据我国气候划分区域(非夏热冬暖地区),一般有三种冷群机组控制模式:

1)夏季模式(全部冷水机组制冷模式);

2)过渡季模式(部分冷水机组制冷部分+自然冷却制冷模式):

3)冬季模式(完全自然冷却制冷模式)

:  1.冷水机组制冷时所指机组包括冷却塔、冷水机组、循环水泵等;  2. 自然冷却模式下所指机组包括冷却塔、循环水泵等。

二、冷冻水大温差小流量控制

冷水机组提供的冷量与冷冻水的供、回水温差和流量有关,根据冷量计算公式:Q=M*cp*DT0式中,假定比热容cp为常数,若所需的冷量Q不变,则既可采用增大流量M而减小温差DT(即增加水泵耗功而减少机组耗功),也可采用减小流量M而增大温差DT (即减少水泵耗功而增加机组耗功)

根据以上计算原则可以得到,当制冷量减小时,冷水机组的能耗随着降低,对于常规的定流量系统,冷却水水泵、冷冻水水泵及冷却塔的能耗变化不大,故水系统总能耗的减小趋势不够显著;而对于大温差小流量系统,当制冷量减小时,冷却水水泵、冷冻水水泵及冷却塔的能耗也随着降低,因此水系统的总能耗的减小趋势更为显著。在传统制冷系统设计中,供回水温差为5(出水温度为7℃,回水温度为12),但实际最不利工况下,大部分设备处于部分负荷,温差小于5℃的小温差大流量状态。因为水流量和输送水泵的功耗成正比关系,所以小温差大流量导致水泵能耗大幅增加。基于大部分工况为部分负荷,所以通过大温差小流量控制策略只需要较小的流量和输送动力,降低循环水泵的耗能。

三、冷冻水出水温度控制

ASHRAE2004年颁布的数据中心设备环境设计指南,要求IT设备机柜的入口冷风温度控制在20~25°C,相对湿度RH控制在40%~ 50%2008ASHRAE更新了该规范,将温度要求放宽为18~27°C,相对湿度RH要求则修改为25%~ 60%ASHRAE对机房环境要求的改变是基于芯片和IT设备制造对环境要求的提升,ASHRAE对扩大服务器进风参数范围可以在保证设备正常工作的前提下降低制冷系统运行成本。在冬季可以把服务器进风温度设定在较低的温度范围内,以降低新风处理能耗,最大限度地利用室外自然冷源:在过渡季节及夏季,以降低制冷能耗,增加室外自然能源的利用时间。

扩大数据中心机房服务器运行环境允许范围,可以提高冷水机组冷冻水出水温度,在降低冷水机组压缩机制冷能耗的同时,使精密空调末端处于干工况运行模式,减少室内冷凝水的产生,节省了能耗以及加湿设备的维护成本。因此适当放宽数据中心温湿度要求,可以减少空调压缩机的能耗,也能增加自然冷却的利用时间。因此提高服务器等IT设备进风温度意味着可以提高精密空调送风温度,提高精密空调送风温度就意味着可以提高冷水机组的冷冻水出水温度,提高冷水机组冷冻水温度意味着可以提高蒸发温度,带来更高的机组能效比。

数据中心机房的空调冷负荷显热比高,通常机房空调机组都配置电再热盘管和电加湿器,如果空调供回水温度较低,数据机房按湿工况运行,就有可能发生有的空调机组在加湿、有的在除湿的矛盾现象,产生不必要的能耗,当机房空调机组选择在较高的冷水供回水温度(12/18)时,空调按干工况运行,承担的是机房的显热负荷,就无需使用电再热盘管。出水温度提高可以通过主机控制屏或空调控制系统进行设定控制。当前的数据中心建设中,有相当部分用户已经采用出水温度为12°C,回水温度为18°C的控制策略。根据工程经验和有关冷水机组相关资料,冷冻水出水温度每提高1°C,冷水机组可节约3%~ 4%的功耗。

四、变频控制

数据中心空调系统的制冷能力和环境密切相关,夏天室外温度越高,制冷能力越低,因此大型数据中心空调系统的制冷量都是按最差(夏天最热)工况设计的。这样,全年绝大部分时间空调系统运行在负荷不饱满状态。另外,大型数据中心的IT负荷从零到满载也需要相当的时间,还有IT负载的能耗和网络访问量或系统峰值运行状态相关,根据其应用的特点,每天24h的能耗都在变化,一年365天的能耗也都在变化。

因此,数据中心空调系统由于季节环境温度、IT负载浮动较大等因素,所需制冷量浮动较大,因此按需供冷将大幅降低数据中心空调的能耗。数据中心机房的按需供冷可采用变频技术实现(如变容量压缩机、高效EC风机等)

空调控制系统通过PID控制(或串级PID)、自适应控制甚至人工智能控制降低水泵、风机的转速控制大幅降低水泵、风机的功率,调整设备工况获得最佳能效。在制冷系统中,负荷需量随外部环境变化的,因此流量和风速也是变化的。根据水泵、风机的工作原理:水泵(风机)的流量(风量)与其转速成正比;水泵、风机的压力(扬程)与其转速的二次方成正比。水泵、风机的轴功率等于流量与压力的乘积,因此水泵、风机的轴功率与其转速(电源频率)的三次方成正比。可见,合理调整频率降低转速能有效降低能耗。

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