数据中心直接蒸发型风冷机房空调和水冷冷水空调方案的能效分析.docx

数据中心直接蒸发型风冷机房空调和水冷冷水空调方案的能效分析艾默生网络能源有限公司 王 前 方彭 少 华丁 麒 钢摘 要针对数据中心常用的直接蒸发型风冷机房空调方案和水冷冷水 机组冷 水 型 机 房 空调末端方案，通过分析和计算，认为空调方式节能与否与数据中心的容量和地理位置有关，在北方地区，直接蒸发型风冷空调方案有优势；水冷冷 水 机 组 冷 水 型 机 房 空 调 末 端 方 案 在 巨 型 数 据 中心（机房面积）应用有优势，风冷机房空调方案则在大中型数据中心更具有优势。关 键 词 数 据 中 心 能 效 比 风 冷 水 冷 冷 水 机 组 ， （ ） ， ，目前 数据中心空调 系统方案主要有两大类型 ：直 接 蒸 发 型 风 冷 机房空调方案和水 冷 冷 水 机 组 冷 水 型 机 房 空 调 末 端 方 案 ，下 文分别简称为风冷方 案 和 水 冷 方 案 。一 般 中 小 型 数 据 中 心 （机 房 面 积 ） 采 用 风 冷 方 案 ，主 要 考 虑 灵 活 性 、可 靠 性 、维 护 管 理 等 ；巨 型 数 据 中 心（机 房 面 积 ）采 用 水 冷 方 案 ，主 要 考 虑 集 中 建 设 、室外散热设备面积 、统 一 管 理 等 ；大 型 数 据 中 心 两 种 方 案 均 有 采 用 。方 案 ，包 括 冷 水 机 组 、冷 却 塔 、冷 却 水 泵 、冷 水 泵 和室 内末端风机能耗 ，计算 能 耗是 这些设备的能耗 之 和 ，所以水冷方案的能效 比 并不 等于水冷冷水机 组的 能 效 比 。对 于 水 冷 冷 水 机 组 ，冷 水 机 组 能效限定值及能源效率等级对 能 效 等 级 和 能 效比均 有 相 关 的 规 定 。 风 冷 机 房 空 调 机 组 没 有 单 独 的 能效等级和能效比标准 ，但 其 和 单 元 式 空 气 调 节机 是 一 类 产 品 ，可借鉴单元式空气调节机的规 定 。相 关 数 据 见 表 。从 表 可 以 看 出 ，随 着 冷水 机组单机制冷量 的 增 加 ，能 效 比 也 逐 渐 增 大 。 表 为 单元式空气调节机 能 效限 定值及能源效率 等水 冷 方 案 和 风 冷 方 案 的 能 效 分 析水冷方 案 与 风 冷 方 案 相 比，哪种方案更节能？本文从两个方面进行分析：）在额定工况下两种方 案能效比分析；）全年运行工况下的能效比分析。额 定 工 况 下 两 种 方 案 能 效 比 分 析计 算 空 调 方 案 的 能 效 比 需 要 计 算 整 个 空 调 系 统 的 总 能 耗 ，对 于 风 冷 方 案 ，包括室内压缩机 、室 内风 机 和 室 外 风 机 能 耗 ，即风 冷 机房空调的能耗就是 风 冷 方 案 的 能 耗 ，两 者 的 能 效 比 也 相 等 ；对 于 水 冷 王 前 方 ，男 ，年 月 生 ，大 学 ，助 理 工 程 师 深圳市南山区学苑大道 号 南 山 智 园 栋 楼（）：收 稿 日 期 ：修 回 日 期 ：暖 通 空 调 年 第 卷 第 期专 业 论 坛表 规定的能效指标 效 比 。为 简 化 计 算 ，不 考 虑 湿 度 控 制 因 素 。为 统 一对 比 条 件 ，边 界 条 件 均 按 国 标 的 相 关 规 定 选 取 。风 冷 机 房 空 调 、水冷冷水机 组 的能 效比均按使用较 多的 国 标 三 级 能 效 进 行 比 较 ；室内干球温度取 ， 湿 球 温 度 取 ；风 冷 方 案 室 外 温 度 按 国 标 规 定 的 取 值 ；水 冷 方 案 的 冷 却 水 进 出 水 温 度 为 ，冷 水 机组的进出水温度 为 。例 ：长 沙 公 司 机 房 ，面 积 为 ，根 据 计 算 书 得 到 冷 负 荷 为 ，风 冷 方 案 和 水 冷 方 案的设备选型见表 （不 含 备 用 机 组）。类 型额 定 制 冷 量能 效 等 级 水 冷 式 表 规定的能效指标 类 型能 效 等 级水 冷 式（不 接 风 管）级指 标 。下 面 根 据 两 个 实 例 计 算 两 种 方 案 的 能 耗 和 能表 例 风冷和水冷方案设备选型参数 设 备 类 型参 数数 量台功 率（台）功 率 合 计风 冷 方 案水 冷 方 案风 冷 机 房 空 调冷 水 机 组室内冷水机房空调末 端 冷 水 泵冷 却 水 泵 冷 却 塔制 冷 量 制 冷 量 供冷量 流 量 流 量 流 量 冷 水 机 组 制 冷 量 为 ，对应国标冷水机 组 制 冷 量 在 区 间 。经 计 算 ，风 冷 方 案 能 效 比 为 ，水 冷 方 案 能 效 比 为 （水 冷 方 案 制 冷 量 需 要 在 冷 水 机 组制 冷 量 基 础上减去空调末端风 机 功 耗 和 冷 水 泵功 耗 ）。 可 以 看 出 ，风 冷 方 案 的 能 效 比 大 于 水 冷方 案 。例 ：西 安 公 司 新 建 数 据 中 心 大 楼 ，面 积 ，冷 负 荷 为 。 风 冷 方 案 和 水 冷 方 案的设备选型见表 （不 含 备 用 机 组）。表 例 风冷和水冷方案设备选型参数 设 备 类 型参 数数 量台功 率（台）功 率 合 计风 冷 方 案水 冷 方 案风 冷 机 房 空 调冷 水 机 组室内冷水机房空调末 端 冷 水 泵冷 却 水 泵 冷 却 塔制 冷 量 制 冷 量 制冷量 流 量 流 量 流 量 冷 水 机 组 制 冷 量 为 ，对 应 国 标 冷 水机 组 制 冷 量 。经 计 算 ，风 冷 方 案 能 效 比 为 ，水 冷 方 案 能 效 比 为 。 两 个 算例的能耗和能效比见表 。表 算 例 ，的能耗和能效比对比 效 比 ，但数据中心与普通 建 筑不 同的是需要全年 供冷 ，所以需要考虑全年运 行 的能 耗 。全年运行工况下 的 能 效比 分析 数据中心空调系统全年连 续 制 冷运 行 ，在 不 同 的 室外工况下的能效比是不同 的 ，而 且 不 同 的 方 案有 较 大 差 异 ，所 以要评估空调方案的节能性 ，还 需 要 评估全年运行工况的能效比 。计算机和数据处理机房用 单 元 式 空 气 调 节 机 标 准 中 采 用 评 价 数 据中 心 空 调 设 备 的 能 效 ， 就是全年能效比 。考 虑到数据中心需要全年空调 的 情 况 ，对 不 同 室 外温 度的能效进行综合考虑 ，使 其 更 能 反 映 数 据 中 心空 调 系 统 的 实 际 能 效 水 平 。 对 个室 外 温 度 点（， ）的 能 效 比 进 行 综 合 计 算 ，每 个 温 度 点 的 权 重 见 表 。能 耗能 效 比能 效 对 比例 风 冷 方 案水 冷 方 案 风 冷 方 案 水 冷 方 案例 从 以 上 两 个 案 例 可 以 看 出 ，水冷方案采用大容 量 高能效 冷水机组时能 效略高于风冷方案 ，但 也 仅仅 节 能 ，在 采 用 小 容 量 冷 水 机 组 时 ，由 于 能 效 比 略 低 ，与 风 冷 方 案 相 当 。以 上 计 算 的 是 在 国 标 规 定 的 额 定 工 况 下 的 能（）王 前 方 ，等 ：数据中心直接蒸发型风冷机房空调和水冷冷水空调方案的能效分析 表 规定的不同城市的 温 度 分 布 系 数效 最 高 ；广 州 地 区 ，例 的 水 冷 方 案 能 效 最 高 。 北方 地区风冷方案有优势 ；大 容 量 水 冷 方 案 比 小 容 量水 冷方案能效更高 。温 度 分 布 系 数 理 论 分 析风 冷 方 案 和 水 冷 方 案 本 质 上 都 是 压 缩 机 机 械 制 冷 ，其压缩机在冷凝温 度 和蒸 发温度相同时能 效 比 是 非 常 接 近 的 。但 风 冷 机 房 空 调 在 额 定 室 外 工 况 （ ）下 ， 冷 凝 温 度 一 般 在 左 右 ，而 水 冷 冷 水 机 组 采 用 水 来 冷 却 ，额 定 工 况 下 冷 凝 温 度 一 般 在 左 右 ， 所 以在额定工况下 ，水冷 冷 水机 组能效高于风冷 机 房 空 调 ，但是由于水冷方 案 还需 要增加制冷剂和 水 的 换 热 过 程 ，额 外增加了泵和风机的能耗 ，很 大 程 度 上 削 弱 了 压 缩 机制冷系统冷凝温度较低带来 的 能 耗 减 少 。随着室外温度的降低 ，风 冷 方 案 和 水 冷 方 案 压 缩 机的冷凝温度都会下降 ，但 由 于 压 缩 机 本 身 对 冷 凝 温度有下限要求 ，在 左 右 。 考 虑 到 空 调 系 统 的 安 全 余 量 ，冷 凝 温 度 一 般 高 于 。 所 以 随 着 室 外 温 度 的 降 低 ，在 室 外 温 度 左 右 ，水 冷 方 案 的 冷 凝 温 度 趋 于 稳 定 ，风 冷 方 案 的 冷 凝 温 度 在 左 右 趋 于 稳 定 。所 以 在 室 外 温 度 左 右 ， 水 冷 冷 水 系 统 压 缩机的能效比和风冷系统压缩 机 的 能 效 比 差 别 不 大 ，冷水方案的优势变为劣势 ，由 于 通 过 水 作 为 媒 介 换 热 ，增加了水泵和风机功 耗 ， 能 效反而低于风冷机房空调方 案 ，所 以 低 温 时 间 越 长 ，风冷方案在全年制冷 运 行时 越有优势 。这 也 是 本 文实例计算的结果 。北 京南 京 广 州全 年 能 效 比 的 计 算 式 为 （）式 中 分 别 为 工况条件下的能 效 比 ； 分 别 为 工况下的温度分布系数 。所 以 根 据 空 调 系 统 在 个 不 同 室 外 温 度 下 的 能 效 比 就 可 以 计 算 出 全 年 能 效 比 。对 于 例 ，可 以 计 算 其 全 年 能 效 比 ，为 简 化 计 算 ，假 定 数 据 中 心 冷 负 荷 不 变 。对 于 风 冷 方 案 ，风冷机 房 空调机组在不同温度 下 的 能 效 比 见 表 （参 考 艾 默 生 测 试 数 据）。表 风冷机房空调机组在不同温度下的能效比 能 效 比 例 例 对 于 水 冷 方 案 ，需要先 计 算出冷水机组的全年 能 效 比 。冷 水 机 组在不同室外温 度下的能效比见 表 （参 考 莱 富 康 压 缩 机 选 型 软 件）。表 冷水机组在不同温度下的能效比 能 效 比 例 例 根 据 以 上 数 据 ，可以计 算 出风冷机房空调和水 冷 冷 水 机 组 对 应 的 全 年 能 效 比 ，结 果 见 表。其 他 因 素 说 明目前在数据中心采用的水 冷 冷 水方 案中 ，为 提 高 效 率 ，在 冷 水 侧 经 常 采 用 高 水 温 设 计 ，如 出 水 、 回 水 ，同 时 提 高 空 调 末 端 的 回 风 温 度 。 这 是非 常 有 效 和 简 单 的 提 高 能 效 的 方 法 。 直 接 蒸 发 型 风 冷 空 调 也 同 样在逐步提高蒸发温度以提高 能 效 ，目 前 国 内 的 三大电信运营商中国移动 、中 国 电 信 、中国联通采购的 能 效 比 直 接 蒸 发 型 风 冷 空 调比 例 越 来 越 大 。 所以两种方案的能效在近期 和 未 来 会 逐 渐 提 升 。在 数 据 中 心 投 入 运 行 初 期 ，热 负 荷 较 小 ，水 冷 方 案 中 冷 水 机 组 单 台 制 冷 量 较 大 ，能 效 较 低 ，风 冷方 案单台制冷量小 ，能 效 受 影 响 较 小 。（下 转 第 页）表 风冷机房空调和冷水机组全年能效比 北 京南 京广 州例 例 风 冷 机 房 空 调例 水 冷 冷 水 机 组 例 水 冷 冷 水 机 组根 据 空 调 机 组的全年能效比 可以计算出前述 两 个 例 子 中 空 调 方 案 的 全 年 能 效 比 ，假 设 数 据 中 心 冷 负 荷 全 年 保 持 不 变 。计 算 结 果 见 表 。表 风冷方案和水冷方案全年能效比 额 定 工 况能 效 比全 年 能 效 比北 京南 京广 州例 例 风 冷 方 案例 水 冷 方 案 例 水 冷 方 案从 全 年 能 效 比 看 ，北京 和 南京地区风冷方案能 （）武 根 峰 ，等 ：定静压变风量系统静压设定值的确定方法 设 计 值 ，一 次 风 阀 处 于 的 开 度 ； 号达 到 最 大 一 次 风 量 设 计 值 ，一 次 风 阀 基 本 处 于 全 开 状 态 。根据现场改进调试法 ，该 系 统 的 静 压 设 定 值 应设 为 ，这 和 现 场 调 试 法 确 定 的 静 压 设 定 值 是 相 同 的 。由 此 可 见 ，对 于 绝大 多数变风量空调 系 统 ，两种方法都是适用的 。另 外 ，对 于 该 系 统 来 说 ，最 后 达 到最 大一次风量设计值的是 号 ，这 表 明 ，由 于 设 计 和 施 工 的 原 因 ，系 统 实 际 的 最 不利环路并不一定是最长的 管 路 ，而 是 实 际 阻 力 最 高 的 环 路 。图 号 一次风量和风阀开度随静压变化趋势 结 论通过对实际项目的分析 ，发 现 对 于 绝 大 多 数 定 静 压控制的变风量空调系统 ，现 场 调 试 法 和 现 场 改 进 调 试 法 均 能 够 科学准确地确定系统所需要的 静 压 设 定 值 ，在 此 设定值下能保证系统运行的稳 定 、 高 效 和 节 能 。相 比 较 而 言 ，对 于 复 杂 程 度 较 高 的 变 风 量 空 调 系 统 ，现场改进 调 试法 确定的静压设定 值 更 准 确 。参 考 文 献 ：图 号 一次风量和风阀开度随静压变化趋势 一 次 风 量 逐 步 增 加 ，依 次达 到最大一次风量设计 值 。）在 静 压 传 感 器 的 反 馈 静 压 值 达 到 约 时 ，号 、 号 和 号 均 达 到 最 大 一 次 风 量 设 计 值 的 左 右 。）在 静 压 传 感 器 的 反 馈 静 压 值 达 到 约 时 ，号 、 号 和 号 均 达 到 最 大 一 次 风 量 设 计 值 ，一 次 风 阀 基 本 处 于 全 开 状 态 ； 号 达 到 最 大 一 次 风 量 设 计 值 的 。）直 到 静 压 点 的 反 馈 值 达 到 时 ，号 、号 和 号 均达到最大一 次 风 量陆 耀 庆 实用供热空调设计手 册 版 北 京 ：中国建筑工业出版社 ，：李 可 欣 ，叶 大 法 ，杨 国 荣 ，等 空 调 系 统 初 探 暖 通 空 调 ，（）： ， ， ， ，：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上 接 第 页）如 果 考 虑 自 然 冷 却 ，如 水 冷方案冬季采用冷却 塔 供 冷 ，或者风 冷 方案冬季 采 用泵或热管循环制冷 剂 来 冷 却 机