机房空调设备因地制宜

由于,数据中心耗能严重,随之市面上产生各种水冷空调系统,在选择机房空调系统时,要因地制宜,使之能够适应当地气候。
数据中心耗能问题实际上是很严重的问题,例如:深圳某银行系统的信息中心机房(建筑面积4000平方米,在用面积2000平方米),一年的电费达到了800万元人民币,约合0.4万元/平米/年(单位面积电费),而另一年级为400平方米的国家级单位的高密度计算中心,一年的电费竟高达1300万元人民币,约合3万元/平方米/年。据调查结果看来,对于一般中低密度的企业数据中心(EDC),每年的单位面积电费大约在0.4—1万元人民币之间,对于一般的互联网数据中心(IDC),单位面积电费则在0.8—1.5万元之间。单位面积电费可以粗略地根据服务器耗电得要验证。例如,一个长期满负荷运行的、功率为1kW的服务器,每年的耗电量为8760kWH,电费约为0.8万元。服务器在实际运行负荷下的功耗,约为满载的40%—60%;但同时为服务器提供环境的机房设备所消耗的电能,则可能是服务器能耗的2—3倍。如果一个数据中心安装有100台这样的服务器,在考虑以上两个因素后,每年的服务器总电费将达到80万元。
  数据中心的电能主要被两类设备消耗了:IT设备和机房设备。IT设备主要包括服务器、存储设备和网络设备;机房设备包括UPS、配电设备、线缆、空调机、新风机、加湿器、照明设备、监控设备等。从目前国内外的调查数据看,绝大多数数据中心中,机房设备的耗电要比IT设备的耗电高。
  这个典型的数据中心中,空调系统消耗了45%的电能,UPS供配电系统消耗了24%的电能,照明系统消耗了1%的电能,IT得到的电能仅占30%.据广州省电信规划设计院提供的数据,广州地区大型IDC机房的空调系统全年耗电平均占IDC总耗电的45%(2006年数据)。

机房空调系统解决方案
  在数据中心空调系统中主要分为风冷直接蒸发式空调系统、水冷直接蒸发式空调系统、冷冻水空调系统、双冷源空调系统等空调系统。
  以数据中心空调系统作为集中冷源的冷冻水系统,该系统与各自独立的直接蒸发式空调系统相比,制冷效率更高,设备更集中更少,运行更稳定,故障率和维护成本更低,国外众多大型数据中心普遍使用冷冻水空调系统。阿尔西提出的数据中心自然冷却冷冻水系统,已通过国家专利审批。它通过冷冻水循环管路的精心设计以及控制逻辑的优化,实现与机房内部空调气流组织的完美匹配,并且可以根据室内热负荷以及室外环境的变化,对冷冻水流量进行灵活的调节,将自然冷却的效益发挥到最大,始终使机组保持高效运行。此套数据中心空调解决方案根据安装地区气候条件的不同,可以实现20%~50%的节能,使得运行费用大幅缩减,而为此增加的空调设备初投资,最多两年的时间就可以收回,而整个机组的使用寿命至少有10年。
  冷冻水空调系统包括不含冷源的冷冻水型机组加冷水主机。
  冷水主机分为普通冷水主机和自然冷却冷水主机。普通冷水主机一般安装在建筑物的屋顶外部,它们专为室外安装设计,不需要增加任何针对恶劣天气的保护措施。冷水机组按照不同冷凝方式可分为风冷和水冷两种,以风冷冷水主机为例,其工作原理是:携带室内热量的高温回水流入机组,进入壳管式蒸发器,被制冷剂盘管冷却,热量传递给制冷剂,由后者带到风冷冷凝器中,由风机驱动环境空气对其进行强制散热。按经验来说,一套空调设备的平均制冷量为设计值的85%,剩下部分作为冷量备份。
  自然冷却冷水主机的工作原理:当室外温度较低时,就可以利用冷空气冷却高温回水,不需要开启压缩机即可为空调室内机提供冷量,这种方法即为自然冷却方法。利用自然冷却效应开发的冷水主机即为自然冷却冷水主机,它与普通冷水主机最大的区别在于它在冷凝盘管之前安装了自然冷却热交换盘管,旨在最先利用环境冷空气冷却盘管内的回水;另一个区别在于内部水循环系统的设计上,自然冷却循环利用三通调节阀将循环水路与自然冷却热交换盘管连接起来(如下图所示)。
  其实,自然冷却冷水主机的工作原理并不复杂:当三通调节阀中旁通B完全关闭,A与C连通时,即自然冷却热交换盘管关闭,全部冷量由压缩机制冷提供;当室外温度低于回水温度时,A关闭,B与C连通,回水通过自然冷却热交换盘管预冷,然后再进入蒸发器,这样一来,压缩机只需部分工作就可以满足空调冷量的要求,从而节省了大部分能耗;而当室外温度足够低时,A关闭,B与C连通,通过自然冷却就可以完全满足空调冷量要求,压缩机停机,这时机组总能耗明显降低,只包含自然冷却系统的能耗,总之,室外温度越低,节能效果越明显。如果采用自然冷却冷水机组比普通冷水机组每年大约节能20~50%,具体效果如何会因安装地区的气候条件而不同。
  风冷直接蒸发式机组,适用于水源缺乏的地区和无冷却水系统的场所,可外挂或外置室外机(楼层不高,允许破坏建筑外观),系统简单,无须考虑配备水泵和冷却塔,也无需集中冷冻水系统为之服务。缺点为室内外机之前的管长受限,在室内外机之前接管超过60米时,需要根据实际情况采取解决方案。
  水冷直接蒸发式机组,适用于有集中冷却水系统的场所,机组能效比风冷式机组高,机组安装不受室外场地限制。
  双冷源机组具有直接蒸发式和冷冻水机组的双重优点外,同时还具有冷源相互备份的特点,当使用用户冷冻水资源时,只有冷冻水盘管换热,压缩机停止运行,有利于节能,当用户停止中央空调冷冻水系统时,机组启动压缩机进行制冷。
机房空调系统分析比较
  以一个面积为8000平方米,热负荷为500W/平方米的数据中心为例,不同空调系统(自含冷源的风冷直接蒸发式机组、水冷直接蒸发式机组、普通风冷冷水主机加冷冻水机组、自然冷却冷水主机加冷冻水机组、水冷冷水主机加冷冻水机组、双冷源型空调机组)分别在哈尔滨、北京、上海、广州、贵阳这五个城市运行,分析运行结果如下:
  首先,从空调系统总投资的比较可以看到,双冷源系统,具有风冷和冷冻水系统双重特点,投资成本最高,但是系统的运行最稳定,维修和维护量最大。
  自然冷却冷水主机加冷冻水机组和普通风冷冷水主机加冷冻水机组投资成本相当,比双冷源系统要小很多,自然冷却冷水机组在不同的安装条件可以达到不同的节能效果,所以在合适的安装地点推荐使用自然冷却冷水机组,风冷直接蒸发式机组和水冷直接蒸发式机组的系统总投资最小,风冷机组适用于全国范围内,其灵活性最高,而水冷机组更适用于南方地区。
  从上述各空调系统的比较分析不难看出,对于北方城市的哈尔滨来说,四季分明,冬天温度相对比较低,所以不适宜使用水冷系列,故在比较时没有将此种空调系统考虑进去,在比较中发现自然冷却冷水主机加冷冻水机组的节能效果很明显,耗电量明显减少。由于北京一年当中大约有30%的时间温度小于10度,故自然冷却冷水机组加冷冻水机组可以比普通冷水主机加冷冻水机组节能30%,和其他空调系统相比耗电量也明显减少,节能效果显著。对于平均温度很高的城市如上海、广州、贵阳等地,很难实现利用环境温度实现自然冷却功能,相比之下不推荐使用自然冷却冷水主机加冷冻水机组,从系统总投资上可以看出,水冷冷水主机加冷冻水机组的系统总投资最少,在计算设备制冷总功率和耗电量时,直接蒸发式机组最高,其中还未考虑加热器、加湿器等耗电量,同时实际机组工作时直接蒸发式机组由于室内环境变化会引起压缩机的频繁启动,必然引起耗电量增加,而水冷冷水主机加冷冻水机组这样的情况没有直接蒸发式机组发生频繁,所以从能耗角度考虑直接蒸发式机组也没有水冷冷水主机加冷冻水机组系统要好,经计算,水冷冷水主机加冷冻水机组系统较风冷直接蒸发式机组要节能可达到20%左右。

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