数据中心空调系统冷源与凝结水回收利用

张修诚, 刘俊红

(山东建筑大学 热能工程学院, 山东 济南 250101)

1 概述

随着大数据、云计算的兴起,国内建成许多数据中心。数据中心能耗主要分为3部分[1]:互联网数据中心(简称IDC)设备、供配电系统、空调系统,其中IDC设备和空调系统的能耗占比均大于40%。现阶段对于数据中心的节能降耗,主要是对空调系统的优化。

空调系统的优化主要是借助自然冷源尽可能缩短机械制冷的时间。位于中国郴州的东江湖数据中心,全年99%的时间采用湖水自然水冷方式供冷[2]。位于美国俄勒冈州的Facebook数据中心,采用自然风直接冷却技术,将电源使用效率(简称PUE)降低至1.09[3]。此外还有学者及业内公司正在研发与应用间接蒸发技术[4]、液冷技术[5]等,进一步助力数据中心空调系统的优化。

水资源的消耗也引起了人们的注意。尽管在2010年定义了水利用效率(WUE),但该指标并未像PUE一样被广泛应用。本文介绍借助自然冷源的数据中心空调系统工艺流程。结合济南地区某数据中心项目,计算数据中心一次回风空调系统的凝结水生成量,对凝结水利用途径提出建议。

2 借助自然冷源的空调系统

新的数据中心多选择在中西部地区建设,远离一线城市,从而形成数据中心集群。在这样的发展趋势下,越来越多借助自然冷源的数据中心应运而生。借助自然冷源的数据中心空调系统工艺流程见图1。可通过动力及环境监控系统对于冷却水出水温度及室外湿球温度进行监控,从而自动调节空调系统运行工况。

图1 借助自然冷源的数据中心空调系统工艺流程

① 供冷期

当冷却塔出口冷却水温度大于13 ℃,且室外湿球温度大于10 ℃时,空调系统处于冷水机组全制冷工况。三通阀1～3的B-C导通,二通阀1、2关闭。冷却塔出口冷却水进入冷水机组冷凝器,冷却制冷剂,然后回到冷却塔进行冷却。被冷却的制冷剂经节流阀进入蒸发器,与机房空调的冷水回水进行换热,被冷却后的冷水进入机房空调冷却空气。

② 过渡期

当冷却塔出口冷却水温度大于8 ℃且小于等于13 ℃,并且室外湿球温度大于6 ℃且小于等于10 ℃时,空调系统处于冷水机组部分制冷工况。三通阀1、2的A-B及B-C均导通,三通阀3的A-C导通,二通阀1导通,二通阀2关闭。冷却塔出口冷却水一部分进入板式换热器与冷水回水进行换热实现预冷,另一部分进入冷水机组冷却制冷剂,两部分冷却水汇合后回到冷却塔进行冷却。经板式换热器部分预冷后的冷水回水进入冷水机组蒸发器与制冷剂进行换热,冷却后的冷水进入机房空调冷却空气。

③ 供暖期

当冷却塔出口冷却水温度小于等于8 ℃,且室外湿球温度小于等于6 ℃时,空调系统处于全自然冷却制冷工况。三通阀1、2的A-B导通,三通阀3的A-C导通,二通阀2导通,二通阀1关闭,冷水机组关闭。冷却水经板式换热器与机房空调冷水回水换热后,回到冷却塔继续冷却。机房空调冷水回水全部由板式换热器冷却。

3 凝结水生成量

3.1 项目概况

对济南某数据中心空调系统的凝结水生成量进行计算。该数据中心以A级机房标准建设,数据中心为3层结构,单层建筑面积4 000 m2,层高为5 m,总计布置3 800个机柜。数据中心全年运行。

活动地板下送风方式的送风温差取4 ℃,机房室内设计温度为23 ℃,机房室内设计相对湿度为50%,机柜进风区域设计温度为19 ℃。

数据中心采用一次回风空调系统,室外新风经新风机组过滤器过滤后与室内回风混合,经机房空调冷却降温至机器露点后,再由电加热到送风状态。最终通过地板下送风方式送风至冷通道,对机柜进行降温。

3.2 凝结水生成量计算

由于数据中心设备散湿量很小,湿负荷视为0,因此室内热湿比为无穷大。空气处理焓湿图见图2。图2中,点W为室外空气状态点。点C为室内回风与室外新风混合状态点。点N为机房室内空气状态点,干球温度为23 ℃,理论相对湿度φ为51.35%。点O为室内设计送风状态点,干球温度为19 ℃,含湿量为8.986 g/kg。点L为机器露点,相对湿度φ为95%,含湿量为8.986 g/kg。

图2 空气处理焓湿图

由于数据中心设备散湿量很小,因此凝结水生成量可视为从室外空气状态点至机器露点所产生的凝结水量。新风干空气质量流量取新风质量流量,凝结水生成量qwat的计算式为[6]:

qwat=qm,a(dW-dL)

(1)

式中qwat——凝结水生成量,kg/h

qm,a——新风质量流量,kg/h

dW——点W含湿量,kg/kg

dL——点L含湿量,kg/kg

GB 50174—2017《数据中心设计规范》第7.4.5条规定,空调系统的新风量应取下列两项中的较大值:第1项,按工作人员计算,每人40 m3/h。第2项,维持室内正压所需风量。由于数据中心机房偶有维修人员,无固定日常办公工作人员,按工作人员数量计算新风量不合适,因此按维持室内正压所需风量计算新风量。虽然GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》给出了按维持室内正压所需风量计算新风量的计算方法,但计算过程比较繁琐,因此笔者参照洁净室的设计经验,将数据中心机房换气次数取1 h-1。

新风质量流量qm,a的计算式为:

qm,a=ρnAh

(2)

式中ρ——新风密度,kg/m3,随新风温度变化而变化

n——换气次数,h-1,本文取1 h-1

A——建筑面积,m2

h——层高,m

3.3 凝结水生成量

由式(1)计算数据中心空调系统全年凝结水生成量,室外空气参数来自Dest软件提供的济南地区典型年室外空气参数。典型年数据中心凝结水日生成量见图3。凝结水日生成量由凝结水当日逐时生成量累加得到。图3仅给出有凝结水生成的时间。由图3可知,全年有128 d生成凝结水,主要集中在7～9月,全年总生成量为1 281.88 t,平均凝结水日生成量为10.01 t/d。由此可知,凝结水生成量很大,具有较高利用空间。

图3 典型年数据中心凝结水日生成量

4 凝结水利用途径

① 园区绿化喷灌

数据中心园区占地面积大,且根据相关规定,大型工业园区的绿化覆盖率不得低于20%,大面积绿化喷灌将消耗大量水资源。城市绿化喷灌水量一般为2 L/(m2·d),该数据中心平均凝结水日生成量取10 t/d,可满足5 000 m2的绿化喷灌需求。而且空调系统凝结水完全满足绿化用水的水质要求,无需处理。因此,利用数据中心空调系统生成的凝结水进行绿化喷灌,可节省大量水资源。

② 冷却塔补水

开式冷却塔的水蒸发和耗散量占数据中心耗水量的比例较高,尤其是高温天气。而空调系统凝结水是冷却塔补水的首选[7]。首先,凝结水能够满足冷却塔对补水水质的要求,无需处理即可直接使用,仅需增设水箱、水泵等设备即可实现。其次,凝结水的水温普遍较低,可对冷却塔中冷却水起到降温的作用。

5 结论

① 全年有128 d生成凝结水,主要集中在7～9月,全年总生成量为1 281.88 t。凝结水生成量很大,具有较高利用空间。

② 凝结水利用途径包括园区绿化喷灌、冷却塔补水。