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精密机房空调水冷系统
添加时间:2017-07-13
        节能已经成为全社会的焦点问题,是关系着全球环境的重点问题。节能减排,走可持续发展道路成为国家“十一五”计划的重要部分,是关系我国经济可持续发展、造福子孙后代的一件大事。
        通信机房的节能降耗是一项技术性非常强的工作,不同的实际场景和环境有不同的节 思路、方法和技术。虽然我们已经在机房空调的节能工作中做了大量工作,取得了不少的经验,但就IDC机房的节能工作而言,难度还是很大,需要我们在工作实践中继续探索。
        可靠性和节能降耗是机房空调专业水恒的主题。节能是努力的重要方向,但节能也是有条件的,那就是必须把可靠性放在第一位,即要在保证通信系统安全运行、各种参数符合标准要求的前提下。当然,经济性也是重要的考量指标,对于以往的部分节能措施,节能不节钱,甚至经济性非常差,投入高于节约的电费,这样的节能措施是有待商榷的。当然,对于目前经济性较差,投资回报暂时无明显优势,但前景比较光明的措施,还是应采取积极的支持态度。
        由于数据中心的迅速发展,节能减排的压力,对数据中心的PUE要求,使得在设计和考虑大型数据中心的空调时,只能优先选用水冷空调系统,也就是中央空调水冷系统。其已成为数据中心空调的首选,如中国电信、中国移动和中国联通在内蒙古信息园的数据中心,规模都很宏大,都选用中央空调水冷系统。一方面,这些系统在7×24h不间断运行,它们运行情况的好坏,直接关系到能源的消耗情况;另一方面,这些水系统是否安全运行,则直接关系到数据中心的安全,。何安全运行和维护水系统,对节能减排和运维工作都是一种挑战。
 
1、空调水冷系统的组成
        冷冻水型机房空调系统主要由制冷主机、闭式冷却塔、环形冷冻水管道、却水泵、水冷精密空调机组五部分组成。

        1. 制冷主机
        制冷主机是指能生产冷冻水的机械制冷设备。冷水机组为冷却民用建筑而生产的冷水温度一般为7℃,若用于冷却通信机房,此温度常显太低。较高的水温能够减少机房的加湿负荷,提高空调显热比,具有很大的节能潜力。冷水温度较高的缺点是使空调末端换热器配置规格加大。制冷主机一般为N+1配置,有一台备机,安装在冷站机房。
        制冷主机的工作原理如下:
        (1)冷冻水侧:一般冷冻水回水温度为12℃,进入蒸发器与载冷剂做热交换后,出水温度为7℃。冷冻水一般通过风机盘管、组合式空调机组或水冷精密空调机向设备提供冷气。由于数据中心的制冷量大,要求温差小,风量大且湿度需要控制,一般采用水冷精密空调机。
        (2)冷却水侧:一般冷却水进水温度为30℃,进入冷凝器与载冷剂做热交换后,出水温度为35℃。冷却水一般使用蒸发式冷却塔通过水发来散热降温。
        (3)载冷剂侧:载冷剂以低温低压过热状态进入压缩机,经压缩后成为高温高压过热状态载冷剂。高温高压过热状态载冷剂进入冷凝器后,将热传给冷却水而凝结成高压中温液态载冷剂。高压中温液态载冷剂经影胀装置,成为低温低压液气混合状态载冷剂。低温低压液气混合状态载冷剂进入蒸发器后,与冷冻水进行热交换,冷冻水在此处被冷却,而载冷剂则因吸收热量而蒸发,之后以低温低压过热蒸气状态进入压缩机。
        离心式冷冻机组在小负荷时(一般为满负荷的20%以下)容易发生喘振,不能正常运转。因此,在数据中心水冷空调系统的设计中一般先安装一台小型的螺杆式水冷机组或风冷水冷机组作为过渡。
        冷水可以是100%的水,或是水与乙二醇的混合物(如管路位于有冻结危险区域),当水中有乙二醇或添加剂时,冷水机组的容量会有所衰减。
        2. 冷却塔
        冷却塔是将循环冷却水在其中喷淋,使之与空气直接接触,通过蒸发和对流把携带的热量散发到大气中去的冷却装置。冷却塔有各种形状、规格、配置与冷却容量。一般一台冷冻机组对应一组冷却塔(便于维修和保证备机系统正常待机)。由于冷却塔需要有环境空气进出的通路,因此通常设置于室外,一般在屋面或架高平台上。对设有冷却塔的通信机房空调系统,应有补水储存,以避免在市政停水时冷却塔失水。在大型空调系统中,冷却塔通常选用横流塔,每台塔由若干个相同的模块组成,根据空调负荷和室外温度灵活控制台数,并配置风机变频调速,能起到很好的节能效果。
        冷却水通过冷却塔来降温,由于水会在大气中蒸发,因此要设计安装水处理系统来除垢、除沙尘、除钠镁离子和病菌等,否则将大大降低制冷效率。另外,由于数据中心是全年连续运行的,因此还要制订冬季防结冰措施。
        3. 环形冷冻水管道
        由于数据中心需要连续运行,因此冷冻水的进水和回水管道都要设计成环路,大型数据中心可能设计成二级或三级环路,这样在局部冷冻水管道或阀门发生故障时,可以关闭相邻的阀门进行在线维护和维修。为了便于日后的维护、维修、更换和扩展,需要安装设计相当多的阀门。为了防止漏水和提高使用寿命,需要选择优质的阀门,有些工程使用优质无缝钢管,甚至不锈钢钢管。冷冻水管和冷却水管不允许经过机房区域。在水管经过的区域需要设置下水道和漏水报警设备。为了节能和防止冷凝水,冷冻水管和冷却水管都要采取严格的保温措施。
        4. 水泵
        冷冻水空调系统中主要的水泵是冷冻水循环水泵和冷却水循环水泵,泵系统设计应考虑节能、可靠性与冗余度,在满足安全的情况下,水泵配置在设计时通常可配变频调速装置,并采用高效电动机,这样对于每周7天,24h运行的泵来说,节能效果很显著。
        水泵的节能除采用变频装置外,还应采用较大直径的管道、尽量减少管道长度和弯头、采用大半径弯头、减少换热器的压降等。冷冻机房、水泵、冷却塔、板式换热器和精密空调尽量设计安装在相近的高度以减少水泵扬程。
        5. 水冷精密空调机组
        冷冻水型专用空调机组主要结构分为两部分:风机段和制冷盘管。其他选配件包括电加热器、电极式加湿器等。冷冻水管接管位置设置在机组的背面或侧面;通常该机组的送风方式采用下送风,风机段安装于高架地板之下,空气从机组顶部吸入,从机组底部送出;采用大风量小焓差设计原则,显热比大;在典型工况下(回风温度24℃,相对湿度50%,进、出水温度为7℃和12℃)的制冷量为30~210kW,风量为9000~50000m³/h;送风机配置EC调速外转子式电动机将有良好的节能效果。
        为了保证IT设备的绝对安全和便于设备检修,推荐设置物理上独立的空调设备间,四周做拦水坝,地面做防水处理和设置排水管道,安装漏水报警设备。推荐采用N+1或N+2 的冗余配置方案。
        冷水机组、冷却塔、环形冷冻水管道、水泵和专用空调五部分是冷冻水空调系统的主要耗能设备,除以上主要设备外,还有一些附属设备,包括分水器、集水器、水处理器、补水泵、定压装置、蓄冷罐等,在此不一一赘述。

        由于大型数据中心的水冷空调系统的电力负荷很大,一般需要为水冷空调系统设计独立的配电室。
        由上述内容可以看出,水冷空调系统比较复杂,成本也比较高,维护也有难度,但是能满足大型数据中心的冷却和节能要求。
 
2、免费冷却技术和数据中心选址
        免费冷却(Free Colling)技术指全部或部分使用自然界的免费冷源进行制冷,从而减少压缩机或冷冻机消耗的能量。常见的免费冷源如下:
        (1)中北部地区的冬季甚至春秋季,室外空气中储存大量冷量。
        (2)部分海域、河流、地下水水温较低,储存大量冷量。
        (3)部分地区的自来水中也储存了大量冷量。
        (4)压缩燃气在汽化过程中产生大量冷量。
        目前常用的免费冷源主要是冬季或春秋季的室外空气。因此,如果可能的话,数据中心的选址应该在天气比较寒冷或低温时间比较长的地区。在中国,北方地区都非常适合采用免费冷却技术。
        数据中心在环境温度较低的季节,将室外空气经过过滤后直接送入机房作为冷源,也能节省大量能源,称为风冷自然冷却。这种自然冷却方式的原理比较简单,成本也比较低,但存在以下不足之处:
        (1)要保证空气的洁净度不是一件容易的事。虽然可以通过高质量的过滤网保证空气的洁净度,但由于风量特别大,需要经常清洗更换,同时巨大的阻力也要消耗相当的能源。
        (2)湿度不好控制。加湿和除湿都相当地消耗能源。如果采用简单的工业加湿设备,需要对加湿的水源进行高度净化(成本比较高),简单的软化水不能满足要求(对设备有害,长时间使用会在设备内部形成一层白色物质)。
        (3)温度过低,容易结露并需要除湿。因此,需要进行细致严格的保温处理。
        (4)对于大型数据中心,由于距离远,风量特别大,这样就需要很大的风道,因此风机的电能消耗也非常大。实际的设计和安装也是很困难的事。
        (5)不可能实现全年自然冷却,夏季的制冷方式还需要安装单独的空调设备。
        由于在大型数据中心中对自然环境要求较高,因此不推荐使用风冷自然冷却方式。
        采用水冷空调系统,当室外环境温度较低时,可以关闭冷水机组,采用板式换热器进行换热,称为水冷自然冷却。这样减少了开启冷机的时间,减少大量能源消耗。湿球温度在4℃以下时可以满足完全自然冷却,在湿球温度为4~10℃时可以实现部分自然冷却。例如,在北京,一年内平均有5个月可以实现完全自然冷却,有2个月可以实现部分自然冷却。节能效果将是非常明显的。
        以上介绍的水冷自然冷却由于只需要增加一台不需要动力的板式换热器,投资和占地都比较少,是我们推荐的大型数据中心的最佳免费制冷节能方案。
        上述带自然冷却水冷空调系统中具有以下三种工作方式:
        (1)夏天完全靠冷水机组制冷,通过阀门控制使得板式换热器不工作。
        (2)冬天完全自然冷却,冷水机组关闭,通过阀门控制冷冻水和冷却水只通过板式换热器。
        (3)春秋季节部分自然冷却。这时冷却水和冷冻水要首先经过板式换热器,然后经过冷冻机组,阻力要大一些,水泵的扬程在设计时相应大一些。

        由于天气在不断地变化,上述三种工作方式也将不断进行转化。为了减轻运维人员的工作量且能精确控制,所有阀门建议采用电动阀,在空调系统管道若干位置加装可以自动采集 据的温度计、流量计和压力表等,通过一套自动化控制系统全年按最佳参数自动运行。
        对于大型数据中心,由于制冷量特别大,同时考虑到降低N+1备机的成本,一般采用2+1、3+1或4+1系统,为了便于检修和提高整个系统的可靠性,推荐蒸发式冷却塔、水泵、板式换热器和冷冻机组一对一配置。
 
3、采用变频节约技术
        我们知道,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(空调的制冷量一般要比其在理想工况下的额定值低,这时建筑物本身不但不散热,反而吸热)。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长的时间,一般也在1~3年。还有,IT负载的能耗和网络访问量或运行状态相关,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。例如,游戏服务器在早上的负载和能耗都比较低,但在晚上就比较高;视频服务器在遇到重大事件时的负载和能耗比较高。
        因此,我们强烈建议在水冷空调系统中所有电动机采用变频系统,这样可以节约大量的能量,其增加的投资一般在一年内节省的电费中就可以收回(基本满负荷情况下)。要注意的是,在选用变频器时,一般要求谱波系数小于5%,不然将对电网造成不良影响。对于风机和水泵,输入功率和这些设备的转速的三次方成正比。例如,如果风机或水泵的转速为正常转速的50%,仅需要同一设备运行在100%额定转速时理论功率的12.5%。因此,当设备运行在部分负荷时,变速装置的节能潜力十分明显。
        1. 变频冷水机组
        冷水机组采用变频电动机并做相应的特殊设计,节能效果非常明显。根据YORK公司提供的文件,其变频冷水机组不仅能大大降低嘴振,而且重启时间从一般的3~5min减少到25~50s。
        即便是数据中心处于满负荷状态,但由于数据中心的冷水机组需要常年运行,而室外的气温不断变化,对应冷却塔的供水温度也在不断变化,压缩机的工作压头也随之变化,在这种情况下,采用变频驱动的离心机组能够不断地根据压头的变化调节转速,达到节能效果。
        2. 变频冷却塔
        冷却塔采用变频电动机可以在部分负荷和满负荷的不同气象条件下实现节能效果。一般冷却塔的变频电动机根据冷却水的温差进行控制,温差一般为5℃,若高于5℃,将降低频率减少冷量来降低温差,若低于5℃,将增加频率加大风量宋提高温差。另外,冷却水的温度越低,冷水机组的效率就越高。根据YORK公司在网络上公布的材料,冷却水温度每提高1℃,冷水机组的效率就要下降4%左右。因此,在进行冷却塔的变频控制时还要考虑这个因素。
        3. 变频水泵
        冷却水和冷冻水的水泵由于常年运转,耗能相当惊人。变频水泵可以在部分负荷时通过降低水的流速来节能。一般变频水泵的变频电动机根据冷却水或冷冻水的温差进行控制,温差一般为5℃,若高于5℃,将降低频率减少流量来降低温差;若低于5℃,将增加频率加大流量来提高温差。为了降低水泵的扬程和能耗,建议冷冻机房、冷却塔和机房的垂直距离越小越好。
        4. 水冷精密空调采用调速(EC)风机
        调速风机一股根据回风温度控制风机的功率,若回风温度较低,就降低调速风机的功率减少风量;若回风温度较高,就提高调速风机的功率增加风量,根据艾默生公司提供的材料,采用下沉方式安装调速风机还可以进一步节省能耗,对于能够提供16400CFM(每分钟立方英尺)风量的精密空调设计安装三台风机,采用普通风机、普通EC风机和下沉式EC风机分别对应的风机功率为8.6kW、6.9kW和5.5kW。
 
4、提高冷冻水的温度节省能源
        冷水机组标准的冷冻水温度为7~12℃,水冷空调的标准工况也是认为冷冻水温度为7~12℃。但是这个温度范围对于数据中心来说有点低,带来以下两个不利因素。
        (1)这个温度大大低于数据中心正常运行在40%左右相对湿度的露点温度,将在风机盘管上形成大量的冷凝水,需要进一步加湿才能保持机房的环境湿度。这个除湿和加湿过程都是非常消耗能量的过程。
        (2)冷冻水的温度和冷水机组的效率成正比关系,也就是说冷冻水的温度越高,冷水机组的效率也就越高。根据YORK公司在网络上公布的材料,冷冻水温度每提高1℃,冷水机组的效率就可以提高约3%。
        目前,在集装箱数据中心和高功率密度的冷水背板制冷技术中都把冷冻水的温度设计为12~18℃,已经高于露点温度,完全不会除湿,也就不需要加湿。冷冻水的温度提高后,水冷精密空调的制冷能力会下降,实际的制冷能力需要厂家提供的计算机选型软件来确定,一般会下降10%~15%。但是由于冷冻水温度提高后很少或基本不除湿和加湿,加上采用EC调速风机,电动机产生的热量减少,整个水冷精密空调的实际制冷能力(显冷)下降并不多。

5、选择节能冷却塔设备
        冷却塔本身的结构和体积决定着消耗能量的多少。对于一般的高层写字楼,由于安装冷却塔的位置有限,一般选择体积小的冷却塔,为了达到规定的散热量,只能加大风机的功率,靠强排风来加大蒸发量。
        如果安装场地允许,请选择体积较大的冷却塔来节能能耗。根据某公司的冷却塔招标信息,相同的制冷量,益美高推荐产品的电动机功率为55kW(体积比较大),马利推荐产品的电动机功率为120kW,BAC推荐产品的电动机功率为90kW。可以明显看出,大体积的冷却塔明显比小体积的冷却塔节能。在制冷能力等条件相同的情况下,尽量选择风机功率小的冷却塔。
        依据风机轴功率与转速的三次方成正比,对多台冷却塔采用变频装置运行可能比单台冷却塔风机全速运行效率更高。对于风机选型,螺旋桨式风机一般比离心式风机的单位能耗低。

6、科学运维节约能源
        大型数据中心通过科学运维可以大大提高空调系统的节能效率。常用的科学运维措施包括以下方面:
        (1)人走关灯和关团大屏幕显示器,减少照明产生的能耗及相应增加的制冷量。
        (2)尽量减少运行新风系统,在机房无人时关闭相应区域的新风系统。
        (3)建议冷通道的温度不低于25℃。定期检查冷通道的温度以免过度制冷造成能源浪费。
        (4)定期检查地板,防止各种方式的漏风。
        (5)冷通道必须完全封闭,机柜上没有设备的区域必须安装盲板,没有负荷的机柜区域不能安装通风地板。每次设备变更,都要进行检查。
        (6)在能够满足制冷的条件下尽可能提高冷冻水的温度,最高为12~18℃。
        (7)在气象环境满足的条件下,尽量使用全自然或半自然免费制冷。
        (8)定期核对数字采集数据和模拟显示仪表的数据是否一致,若发现数据存在误差,则立即更换有关采集设备或仪表。
        (9)对于还没有使用的独立机房区域,关闭所有机电设备,包括冷冻水管道的阀门。
        (10)定期检修和清洗冷冻机组内的铜管和冷却塔,确保其工作在最佳状态。
        (11)对于低负荷的机房,如果精密空调没有EC风机,就要关闭相应的空调;如果是EC风机,要通过实践摸索出更节能的空调运行方式。
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