ups維修|縮減數據中心自然冷卻的“尷尬時段”

1 概 述

當前,節(jié)能已成為數據中心規(guī)劃設計和運行的最重要的工作之一,而空調制冷系統(tǒng)能耗約占數據中心總體能耗的40%,無論從減少能源消耗,還是從降低數據中心的運行成本獲取商業(yè)價值的角度,空調制冷系統(tǒng)的節(jié)能運行已成為最關鍵的環(huán)節(jié)。

業(yè)內專家們把數據中心的應用需求與空調暖通行業(yè)技術相結合,開發(fā)應用了各種節(jié)能方案,取得了較好的效果。這些措施包括:提高空調能效、選擇最優(yōu)送回風方案、冷熱通道布局、高熱密度設計、選用變容量空調設備、應用智能群控技術等等,任何一項技術都值得深入研究。

近年來,針對數據中心特有的全年制冷特征,充分利用環(huán)境冷源的自然冷卻技術(FreeCooling),因其強大的節(jié)能能力和潛力逐漸走進主流市場。由于數據中心內部IT設備發(fā)熱量大,建筑的圍護結構傳熱量很小,必須通過制冷空調設備,把室內設備產生的熱量排到室外。當室外環(huán)境溫度低于數據中心內部溫度時,仍然需要空調提供冷量。如果把室外自然界的低溫冷源直接用來冷卻機房,減少制冷壓縮機運行時間甚至關閉,就可以節(jié)約能源消耗,這類方案稱為自然冷卻方案。

自然冷卻方案有多種,按熱量輸送介質的不同,可分為兩大類。一類是以空氣為介質的節(jié)能自然冷卻系統(tǒng),包括新風蒸發(fā)冷自然冷、直接新風自然冷、間接新風自然冷等;另一類是以液體為介質的自然冷卻系統(tǒng),包括風冷機房空調自然冷(即通常所說的氟泵自然冷機房空調)、冷水系統(tǒng)自然冷、乙二醇自然冷等。每種自然冷卻方式各有優(yōu)缺點及相應地應用限制,均無法單獨完成全年的制冷要求,因此自然冷卻系統(tǒng)只能作為壓縮機機械制冷系統(tǒng)的補充,其價值在于節(jié)約壓縮機制冷系統(tǒng)的能耗。同時,由于數據中心對制冷空調系統(tǒng)的依賴性很高,這就需要自然冷卻方案與壓縮機制冷系統(tǒng)緊密結合,在確保制冷系統(tǒng)可靠性的基礎上,最大限度地節(jié)約機械制冷能耗。

理論上,當室內外溫差達到某個值時,自然冷卻系統(tǒng)就可以啟動運行。但由于系統(tǒng)可靠性、制冷量、工藝要求、實際效果等因素的影響,事實上卻不能啟動或沒有節(jié)能經濟性,仍要靠機械制冷方式運行。把理論上可以自然冷卻,但卻由于種種原因不能利用的時間,稱為自然冷卻的“尷尬時段”。如何縮減自然冷卻的“尷尬時段”,成為各種自然冷卻方案所要解決的課題。對這些問題的解決或提升,成為自然冷卻方案成功與否的關鍵因素。表1給出了一些自然冷卻方案與相應數據,可供參考。

ups維修“尷尬時段“的來源有兩大類:一是因為某些不可控因素影響到了系統(tǒng)的可靠性,如雨雪沙霾、低溫冰凍、水源水質等,造成可用的自然冷源無法利用;二是在室外環(huán)境溫度高低變化的過渡季節(jié),因自然冷卻模式的能力或能效達不到應用需求,而不得不繼續(xù)使用壓縮機機械制冷模式,從而減少了節(jié)能量。

避免第一類尷尬時段,需根據當地環(huán)境情況,充分考慮節(jié)能運行帶來的負面問題,選用合適的自然冷卻模式。如果前期方案一旦確定,到運行時才發(fā)現這些問題,補救難度很大,而且現場的補救措施無法得到充分驗證,很可能引起新的未知風險,大大降低了節(jié)能運行的經濟性。反過來講,如果選用了正確的自然冷方案和相應的產品,則這類尷尬時段可以完全消除。

ups維修第二類尷尬時段,即從機械制冷模式向完全自然冷卻模式過渡的時段,這是無法避免的,但可以縮減。這就需要從各個細節(jié)入手,精益求精,提升所選用方案和產品的能力能效,把自然冷源的利用潛力“吃干榨凈”。而從全國各地的全年氣溫上來看,恰恰分布在“過渡季節(jié)”時長較多,因此,如何縮減過渡季節(jié)的“尷尬時段”,是自然冷卻方案成功與否的關鍵,也是各產品設備廠家提升技術能力的著力點。

表1中所列的風冷機房空調自然冷(俗稱“氟泵空調”)方案,成功地消除了第一類尷尬時段,適應全國各地所有的應用場景,正在成為數據中心自然冷卻的主流方案。特別是在近兩年,氟泵自然冷技術與傳統(tǒng)的風冷機房空調技術完美結合,整體能效很高,同時不給數據中心帶來任何“毒負作用”,正在迅速改變業(yè)內“風冷機房空調能效不如冷凍水系統(tǒng)”的觀念，使風冷機房空調系統(tǒng)不但保持了在中型數據中心的絕對首選地位，而且在大型/巨型數據中心開始批量應用，優(yōu)勢地位逐漸顯現。

氟泵自然冷機房空調歷經十年技術沉淀、六次產品升級,精雕細琢,匠心獨運,終于大器晚成。

其實際運行的能效表現遠超業(yè)界預期,以風冷系統(tǒng)的形式,其能效水平已經超過水冷的大型冷凍水系統(tǒng)(離心式冷水機組)的運行能效。以北京的氣候條件和實測的能效數據為例,其全年能效比(AEER)超過6.5(仍然以國標規(guī)定的室內回風溫度24℃測試)。換算到PUE的計算方法,制冷因子已降低到0.15。

擁有如此逆天的戰(zhàn)力,難道使用了傳說中的“黑科技”?當然沒有,氟泵自然冷機房空調僅僅是把每個細節(jié)做到極致,永保“可靠運行”底線基礎上,在全年環(huán)境溫度范圍內,智能選擇最優(yōu)節(jié)能運行模式,把可能挖掘的節(jié)能潛力點滴積累,終于表現出靚麗的全年能效。

如前文所述,自然冷卻的方案有多種,但唯有在過渡季節(jié)的運行表現,才能真正評價節(jié)能方案的高下。那么,氟泵自然冷機房空調如何縮短“尷尬時段”?

2  ups維修氟泵自然冷縮短“尷尬時段”

(1)氟泵自然冷機房空調的工作原理

氟泵自然冷機房空調的工作原理非常簡單,其工作原理如圖1所示。傳統(tǒng)的風冷式機房空調制冷循環(huán)管路中,在冷凝器出口液管部位接入冷媒泵。在室外環(huán)境溫度較低時,關閉制冷壓縮機,以冷媒泵為動力,把冷媒輸送到室內,完成制冷循環(huán)。冷媒泵的功耗極小(約為壓縮機功耗的3%～5%),從而實現節(jié)能運行。

(2)氟泵自然冷的三種制冷運行模式

氟泵自然冷有三種制冷運行模式:壓縮機機械制冷模式、“雙擎”壓泵雙驅制冷模式和氟泵自然冷節(jié)能模式,如圖2所示。

(3)氟泵自然冷機房空調如何縮短“尷尬時段”

在硬件上,風冷機房空調的能效已經有了大幅提升,這是基礎。一直以來,受益于市場競爭的壓力和持續(xù)的技術進步,行業(yè)主流產品的能效比(EER)比十年前提升了20%以上(基于相同的測試標準,從2.5提升到3.0)。

氟泵自然冷技術是國內自主研發(fā)的,其核心器件也由初期的借用“水泵”轉向輸送飽和相變冷媒的專用泵。和水泵相比,無需為其提供“汽蝕余量”,無需為冷媒提供過冷度,在運行上相當于擴大了冷凝器的換熱面積,能效得到相應提升。

更為關鍵的是智能控制軟件的作用,實時監(jiān)控室內負荷的變化和每種運行模式的能力能效,實時選擇最優(yōu)的運行模式,并在熱負荷和制冷能力變化時即時切換。

①智能選擇運行模式

該模式實時監(jiān)測室內熱負荷和室外環(huán)境溫度的變化,根據三種運行模式在不同室外環(huán)境溫度下的能力能效,選取既能滿足制冷量要求、同時在能效比最高的一種模式下運行。當室外溫度變化或室內負荷變化時,在達到另一種最優(yōu)模式運行條件時,即時切換。

圖2表達了三種制冷模式所提供的制冷量和室內的熱負荷情況;圖3表達了三種制冷模式的能效比。首先保證制冷量大于室內需求,然后確定選擇哪種能效比最高的運行模式。

②制冷運行模式的“即時切換”

“即時切換”在制冷系統(tǒng)的運行中有非常高的技術難度。眾所周知,在傳統(tǒng)的機房空調的制冷控制中,壓縮機停機再開啟需要有3min的緩沖時間,用于平衡系統(tǒng)壓力和油位。氟泵運行和壓縮機運行模式之間的切換時間,早期版本也需要30min,以避免壓縮機中積液運行。但這個切換時間對提升節(jié)能效果是非常寶貴的,為此,開發(fā)專家團隊設立專項攻關,歷時一年,終于將安全切換時間縮減至零。

③單機雙系統(tǒng)互相配合運行每臺氟泵自然冷機房空調由兩套完全相同氟泵+壓縮機制冷系統(tǒng)組成。為了同時滿足總冷量和能效比的要求,可以1號系統(tǒng)運行“壓泵雙驅制冷模式”(制冷量大),而2號系統(tǒng)運行氟泵自然冷模式(能效比高,但冷量低),二者綜合起來,既能滿足冷量要求,又能得到較高能效。兩套系統(tǒng)運行模式也可主備互換。

通過上述軟硬措施,可以把過渡季節(jié)的“尷尬時段”大幅壓縮。從圖3看出,即把原來的尷尬時段(A 0 ～D)分成了三段:

A 0 ～A,此時氟泵節(jié)能模式的制冷量雖然沒有達到同機標稱的壓縮機制冷量,但比所需的熱負荷大,完全滿足制冷需求,因此可以完全使用氟泵自然冷節(jié)能運行。

A～C,此時需要判斷熱負荷需求、兩種制冷模式的制冷量和能效比,智能選擇氟泵模式或壓泵雙驅制冷模式。

C～D,此時室內外溫差較小,開啟壓泵雙驅制冷模式,用氟泵輔助壓縮機運行。在此區(qū)間內,壓泵雙驅制冷比壓縮機機械制冷模式節(jié)能10%以上。

室外溫度高于D點(等于室內溫度24℃),啟動普通的壓縮機制冷模式。

室外溫度溫度低于A 0 點(約為-5℃),此時氟泵自然冷能力已達到壓縮機標稱能力,能效比高達17,繼續(xù)保持氟泵節(jié)能運行模式。

ups維修通過上述過程,把原來的“尷尬時段”(A 0 ～D)逐步壓縮,直至為零。用實際溫度來表達,就是把過渡季節(jié)(約-5℃～24℃)取消了,大大提升了節(jié)能量(注意:過渡季節(jié)或過渡時段不是定值,隨著數據中心的設備發(fā)熱量、空調設備的配備量、室內溫度設定值等因素的變化而變化)。

④多機群控聯(lián)合運行

在數據中心中,往往有在多臺氟泵自然冷機房空調同時運行,每臺機組提供了兩套氟泵自然冷制冷系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^中央群控單元,把這些系統(tǒng)聯(lián)合起來,統(tǒng)一指揮,各司其職,可以更加貼合負荷需求,取得更好的節(jié)能效果。當然,群控裝置比較復雜,已經形成為一個產品單獨銷售了。

事實上,由于氟泵自然冷機房空調超強的節(jié)能能力和極短的“尷尬時段”,使其應用范圍已經不再限于北方,長江以南同樣也取得了顯著的節(jié)能經濟性,甚至連廣州,也有明顯的節(jié)能效果。圖4是我國部分地區(qū)利用氟泵自然冷的節(jié)電量和節(jié)電率。

本文以上的分析與實例,均建立在國標規(guī)定的室內回風溫度24℃的工況條件下。隨著室內回風溫度的提升(房間回風溫度30℃,封閉冷熱通道回風溫度35℃),氟泵自然冷經濟運行時段大大提升。

未來,可能以氟泵自然冷模式運行為主,而壓縮機僅僅做為補充,只在夏天短時間運行或做僅為安全備份了。到那時,低PUE的數據中心將是“尷尬時段”最短的自然冷節(jié)能技術的舞臺,數據中心的無謂能耗將會變得微不足道。

3 結束語

ups維修氟泵自然冷機房空調超強的節(jié)能能力和極短的“尷尬時段”,可成為在我國廣大地區(qū)推廣應用的節(jié)能技術,為降低數據中心的PUE值提供了一個新的解決方案。

文章來源：ups維修http:///solve_ups.asp