某数据中心蓄冷方式经济性分析

杨辉青 王新轲 赵 乾 杨静洁 沙 沙

（1、中国核动力研究设计院，四川 成都610005 2、西安交通大学，陕西 西安710049）

1 概述

《中国数据中心冷却技术年度发展研究报告（2017）》[1]指出，互联网信息时代的飞速发展，带动了数据中心井喷式的发展。从我国数据机房节能潜力的结果来看，IT 设施系统的综合节能潜力区间为11%～39%，平均为29%；空调系统的综合节能潜力区间为4%～69%，平均为36%；而供配电系统的综合节能潜力区间为8%～27%，平均为18%。因此，数据中心配备蓄冷装置是数据中心避免供冷出现故障所带来的巨大损失的一种必不可少的重要举措。

吴冬青[2]等人对于上海某数据中心拿出了2 种蓄冷方法，经过分析水蓄冷的运行控制策略、经济性指标对比、蓄冷时所用主机的数量和静态回收期，确定了该工程合适的水蓄冷方案，并为类似数据机房水蓄冷方案的设计提供案例支持。张文凑[3]根据一个工程实例，采用模拟计算与分析，在主机优先的模式下，计算出冰蓄冷空调的投资回收期，能够得出影响冰蓄冷空调经济性的主要因素是国家电价政策，特别是峰谷电价之间差值的大小，如果能够从财政上对冰蓄冷空调加大扶持力度，则可以获取更大的经济效益。林庚[4]对于我国网络通信高速发展趋势和每年的能耗不断增加，采用了一种全新的空调系统形式设计和降低能耗概念，即运用相变材料的能源储存特点，合理运用户外自然清洁冷源，在满足数据机房和户外型数据机柜内部温度调控的同时，大幅减少空调系统设备能源损耗，确保数据机房节能效果。

通过上述文献可以发现，现有研究仍存有一些不足，如蓄冷时采用备用主机进行蓄冷，会增加制冷主机的启停次数，减少主机的使用寿命的同时，也会降低主机的能效等等。因此本文提出一种具有更高能源效率的蓄冷策略，并针对某示范项目数据中心的蓄冷冷源选择通过经济性模型进行评价。

2 研究内容

如图1 所示为某示范数据中心设计日冷负荷曲线图，按峰谷电价时段划分，夜间谷时总冷负荷为18727kW，白天峰时和平时总冷负荷为37543kW，可以看出，由于数据中心机房的产热主要来自于数据中心机房中的机柜散热，因此其冷负荷随时间变化时波动较小。

图2 三种蓄冷方式主机COP 随蓄冷率变化

在数据机房的空调系统中，为保证数据机房的不间断供冷，常采用蓄冷技术作为应急冷源使用，除此之外，蓄冷能源作削峰填谷使用的模式将会在今后的数据机房冷却系统中占据主流，来降低数据中心的运行费用。

因此，对于该数据中心，结合蓄冷形式，对比低温水蓄冷、高温水蓄冷、冰蓄冷和PC24 型相变蓄冷这四种蓄冷冷源分别在作为应急冷源和作为削峰填谷时的优劣，如表1 所示，在保障安全的前提下，从经济性方面进行对比。

表1 四种蓄冷系统形式对比表

蓄冷系统经济性评价的数学模型由经济性评价指标、设备费用及运行费用等组成。根据空调水系统的形式、特性及运行状况，结合文献查阅及相关设备的市场价格和市电电价对系统的设备费用和年运行费用进行相关计算并汇总，用经济性评价指标对蓄冷系统进行评估。通常运用的经济评价指标包括静态和动态两种方案。费用模型则包含机房设备初投资和年运行费用。

3 结果分析

作应急冷源使用时，综合考虑设备费用和蓄冷装置体积两个因素，采用单位冷负荷所需的费用与体积的乘积作为评判指标，数值越低则表现越好。从表2 可以看出，PC24 型相变蓄冷系统在设备投资以及蓄冷装置占用空间上都有不错的表现，为最优的选择，其次为冰蓄冷，之后则是水蓄冷。

表2 三种蓄冷方式作为应急冷源时对比表

蓄冷冷源在峰谷电价使用时，一般是利用备用制冷主机在谷时段蓄冷，在峰时段向末端供冷。但是这种运行方式会让制冷机组不断重复地进行开启、关闭操作，这对于常年运行的数据中心空调系统是非常不利的，且会对制冷机组、空调系统造成不好的影响，如发生泄漏、制冷机组能效降低、制冷机组使用寿命下降等。

因此，针对这种情况，本文采用一种全新的蓄冷策略：制冷机组在夜间低谷电价时，在提供末端负荷的制冷量的同时，也要对蓄冷装置进行蓄冷；在电价峰时及平时，制冷机组在提供末端负荷的制冷量的同时，蓄冷装置也对末端释冷。采用这种蓄冷策略后，制冷机组全天候不间断运行，可以避免制冷主机频繁的启停操作，减少制冷机组及空调系统可能出现的隐患，同时，也能让制冷机组在高能效的负荷率下运行。

对于制冷主机，根据其COP 的大小来确定削峰填谷时对应的蓄冷率，如图2 所示，为三种蓄冷方式主机COP 随蓄冷率变化的示意图，根据COP 大小，可以确定水蓄冷和相变蓄冷的最佳蓄冷率为0.2，冰蓄冷的最佳蓄冷率为0.3。确定好蓄冷率后，便从经济性角度，对三种蓄冷方式进行对比，确定哪种蓄冷方式更好。

如表3 所示为四种蓄冷方式在几种经济性指标及占用空间上的表现。从静态回收期、净现值、总费用指标和蓄冷装置体积等指标可以看出，四者的优先级为PC24 型相变蓄冷＞高温水蓄冷＞低温水蓄冷＞冰蓄冷。

4 结论及展望

本文以某数据中心为例，针对该数据中心冷负荷特征，对比低温水蓄冷、高温水蓄冷、冰蓄冷和PC24 型相变蓄冷这四种蓄冷介质分别在作为应急冷源和作为削峰填谷时的优劣；在保障安全的前提下，用经济性模型进行评价。对于夜间利用制冷主机提供末端负荷的制冷量的同时，利用蓄冷装置进行蓄冷供白天使用的蓄冷策略来讲，当蓄冷装置仅作应急冷源使用时，四种蓄冷方式的优先级为PC24 型相变蓄冷＞冰蓄冷＞低温/高温水蓄冷；而当蓄冷技术作削峰填谷使用时，四种蓄冷方式的优先级为PC24 型相变蓄冷＞高温水蓄冷＞低温水蓄冷＞冰蓄冷。

表3 三种蓄冷方式经济性指标对比表

蓄冷技术从制冷主机能效层面考虑，本身并不节能，但其削峰填谷作用不仅能有效改善供电平衡，提高制冷主机的能效，还能兼顾作为应急冷源使用，如何从更大层面考虑数据中心利用蓄冷技术所带来的节能效益，仍需做进一步研究。