蓄冷罐对于数据中心制冷系统的优化

王斌

【摘  要】蓄冷罐在数据中心空调系统中近年得到了大量的应用，绝大部分新建的冷冻水制冷系统的数据中心都设置了蓄冷罐，以满足机房连续制冷的要求。主要用于数据中心的连续制冷使用。本次介绍的数据中心是一座位于上海市新建的Uptime Tier III 等级的数据中心，本文将以此数据中心为例，通过不同的角度分析蓄冷罐方案对于数据中心整体造价、能效、可靠性等方面的影响。

【关键词】蓄冷罐;峰谷电;连续制冷;冷水机组;二次泵系统

本文介绍的数据中心建筑面积约20000平米，总IT用电量12000kW，数据中心采用了1600冷吨10kV冷水机组3+1冗余设置，二次泵系统，设置了水蓄冷罐，本项目在设计初期对蓄冷罐方案进行了详细的比选，最初原设计方案考虑设置15分钟蓄冷的闭式蓄冷罐，安装于室外地面上。冷机采用N+1冗余，N制冷容量为4800冷吨，单台冷机制冷量1600冷吨。但是1600冷吨冷水机组制冷量较大，数据中心初期运行时，冷水机组难以稳定运行，因此在方案设计时进行了方案比选，通过对不同方案组合比选，在初投资和运行效率等方面进行了对比分析，得出最终的蓄冷罐建设方案，最后的实施方案选择了适合本项目实际运行状况的大型蓄冷罐方案，从初投资，运行效率、可靠性等方面对比均优于原方案，。

此项目园区室外场地紧张，在有限的场地上主要安装了集装箱柴油发电机和室外储油罐，剩余面积则布置了地下蓄水池。园区内没有位置再布置大型蓄冷装置，原方案是将蓄冷罐贴邻建筑物，由于直径较小，无法设置高大的开式蓄冷罐，只能考虑设置小型立式闭式蓄冷罐，储存冷冻水600立方米。

方案一按照此思路进行设计，考虑采用两台800冷吨400V变频冷水机组加三台10kV高压冷水机组的方式，在初期低负荷时采用两台小功率冷机轮换工作，在极低负荷状态采用蓄冷罐充放冷运行。假设数据中心总冷负荷在达到单台冷机制冷能力的25%即约700kW时即可进入稳定运行状态，机房可由一台800冷吨冷水机组为机房持续制冷。此方案数据中心在满负荷工作期间，主要使用大功率冷机进行制冷，小功率冷机作为备用冷源使用。方案一通过小功率冷机解决机房低负荷运行问题。此方案在以往项目中应用较多，但是小功率冷机为400V供电，需要为冷机设置相应的变配电系统。而在机房满负荷运行时，由于大功率冷机效率较高，因此通常小功率冷机很少运行。而如果数据中心低负荷的时间很短则小功率冷机很快就面临退出日常运行，成为备用设备，投资利用率较低。

根据以上的优缺点分析，在第一种方案讨论的基础上我们进行了优化设计，形成了第二种方案，也是项目最后实施的方案。此方案对现场场地进行分析，对方案一进行了优化，通过运行效率、初投资，运行效益多方面的对比，此方案采用了蓄冷达到2个小时以上的大型蓄冷罐，占用了原方案预留给地下蓄水池的位置，建设两座蓄冷罐。由于蓄冷罐直径比较大，在高径比合理的前提下，采用两个与数据中心楼等高的开式蓄冷罐，冷水机组全部采用10kV高压冷水机组，1600冷吨制冷量3+1配置。蓄冷罐位置占用了原设计方案地下蓄水池的位置。

但是因为蓄冷罐容积设计的比较大，并且设置有两座，因此考虑蓄冷罐可以兼做冷却水储水，当园区水源出现故障的情况下，隔离一座蓄冷罐，由其对冷却水系统进行补水。10kV高压冷机系统在低负荷阶段可以采用蓄冷罐充放冷的模式进行工作。

我们对两种方案从运行效率，占地面积，可靠性和造价几个方面进行比较，对比发现，方案二虽然只是适当的放大了蓄冷罐，調整了一台冷机的配置，系统原理未进行大的调整，暖通系统的造价并未增加，但是在系统效率，系统可靠性等各方面都得到了提高。

1）运行效率比较：

满负荷比较：

在数据中心满负荷运行状态下，两种方案均主要以高压冷机运行为主，运行效率相近，方案二的蓄冷罐蓄容积较大，因此热损耗稍大，方案二采用4500立方米蓄冷罐，在夏季蓄冷罐每100立方米冷量消耗在0.7kW左右，4500立方米蓄冷罐需要消耗32kW制冷量，对比整个冷冻站的16800kW，占总制冷量的0.2%左右，预计PUE将增加0.001，对能耗影响并不大。

部分负荷比较：

我们假设以25%负荷作为冷机稳定运行的起点，设置有变频低压冷机的方案一在机房具备700kW（约等于200冷吨）冷负荷后基本可满足单台冷机25%的稳定负荷工况，方案2 中1600冷吨10kV冷水机组采用蓄冷罐进行缓冲充放冷，制冷系统采用夜间冷机充冷，白天蓄冷罐放冷的工作方式。以上海地区夏季工况进行测算。采用800冷吨冷机连续工作制冷，以某厂家的冷机运行参数为例：

800冷吨低压冷机在25%负荷夏季工况下，COP为4.9，变压器附加电功率损耗为5Kw;

1600冷吨10kV冷机工作在40%～90%负载范围内的COP均在6.5左右，另计入大型蓄冷罐消耗32kW制冷能力。

以制冷量需求为700kW计算，冷源部分能耗（两种方案相同的用电设备未计列）：

800冷吨全天连续工作，1600冷吨冷机在晚间以末端所需要冷量的三倍功率进行蓄冷工作（夜间8小时蓄冷量能够满足白天16小时的机房蓄冷需求）。进行全天冷源部分能耗计算。除以上所预计用电外，其余设备（如精密空调末端、冷冻水二次泵）认为两种方案用能相同。

由于1600冷吨冷机的制冷系统运行在高效区域，因此可以得出在700kW冷负荷的情况下，冷源部分用电有很大节省，全天冷源部分可节电2200余度。如果从电费角度看，由于方案二为全谷电运行，节费效果更为明显。上海地区夏季，全天平均电价为0.67元，谷电电价为0.242元。

方案二每日电费可节约3458元，方案二在低负荷时有着明显的运行效率和电费成本的优势。

2）充放冷运行附加效益分析：

蓄冷罐的容量选择需要进行详细计算，正常谷电时间为8小时，峰电时间也为8小时。如果完全的的削峰填谷，需要蓄冷8小时，在夜间谷电时段数据中心制冷系统需要在承担正常数据中心制冷的情况下提供额外的制冷量将蓄冷罐充满。以满足8小时峰电的放冷需要，因此夜间冷机需要提供正常两倍的制冷量，一半用于为机房制冷，另外一半用于蓄冷。在峰电时段冷机停止运行，用蓄冷罐放冷维持机房制冷。因此如果采用8小时蓄冷方案，需要调整系统配置为2N容量的冷机。可以采用加大冷机型号或增加冷机台数的方法，具体需要根据情况和配电系统进行匹配优化设计方案。大型蓄冷罐可以充分利用峰谷电价，在峰谷电价差较大的地区有其优势。8小时蓄冷罐所占面积较大，对场地的要求比较高，造价也比较高，后期峰谷电运行进行投资回收周期较长。另外需要注意的是峰谷电蓄冷方案在单路市电供电或发电机供电的情况下，需要关闭蓄冷模式以防止电力过负荷。

以总用电量20MW的数据中心为例，配置4台1600冷吨冷水机组，如果25%负荷冷机可以持续稳定运行，则需要1400kW冷负荷保证运行。假设在1400kW负荷的临界点，如果只设置15分钟蓄冷罐，冷机剩余冷负荷4200kW，不足一小时可以将蓄冷罐充满，并可连续放冷三小时。但是此种运行方式没有连续制冷的保证，因此在预留足够制冷量的情况下需要放大蓄冷罐，提供留出制冷的缓冲量。这样如果将蓄冷罐放大到30分钟，则可以保证机房制冷系统可以进行缓冲运行。但是与低压冷机状况类似，低负荷状态下，系统效率偏低，如果继续增大蓄冷罐则可以更为灵活的实现峰谷运行等多种运行状态。在不调整冷机3+1配置的情况下，备用冷机即1台1600吨冷机在夜间谷电的8小时内可以充满10个15分钟蓄冷罐的蓄冷水量，折算容积约5000立方米，

按照以上原则，结合场地现状，现场设置两座直径十米蓄冷罐，合计有效容积约4500立方米，接近冗余冷机蓄冷能力，选择这样尺寸的蓄冷罐可以在制冷、配电系统设备不做大的调整的情况下，只增加蓄冷罐的容积，实现最大程度的缓冲与蓄冷，4500立方米蓄冷罐在扣除15分钟应急连续制冷后还可提供园区满负荷连续制冷约两小时。同时由于占用了地下蓄水池位置，系统设计时可以隔离其中一个蓄冷罐，使用2250立方米的蓄冷罐储水为冷却水补水箱补水，可为园区供应冷却水补水48小时以上。（园区48小时冷却水补水理论计算量为2100m?）

综合造价对比：

方案二大型蓄冷罐方案将原有的小型闭式蓄冷罐改为大型开式蓄冷罐。在容积大幅提升的情况下，造价增长并不多。但是由于低压配电系统的简化，末端电流电缆母线的量有部分减少，低压配电柜数量减少。同时由于蓄冷罐代替了地下蓄水池，地下蓄水池以及水泵房的造价得以节省。冷机全部采用大型高压冷水机组，与替换一台为低压变频冷机造价基本持平，综合对比使用大型蓄冷罐后系统造价反而减少了。

系统可靠性对比：

采用方案二后，冷冻水连续制冷时间由15分钟延长到2小时，现场冷却水储水由12小时延长到48小时，整个暖通系统的连续性保障得到了极大的提高。

3）结论

通过以上综合分析可见，本项目在系统基本未进行调整的情况下，通过优化蓄冷罐设计，提高了系统初期运行效率，降低运行费用，降低了綜合造价，提高了系统的可用性，达到了一举多得的效果。

（作者单位：上海德衡数据科技有限公司）