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绿色节能机房空调对制冷配件的新需求

发表日期:2017/12/28 10:21:36 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

数据中心是互联网、云计算、大数据、物联网等数据化技术的物理载体,我国各类数据中心的保有量和建设速度正在以前所未有的速度推进。2015年,工业和信息化部在《关于引发国家绿色数据中心试点工作方案的通知》中指出:近年来,我国数据中心发展迅猛,总量已超过40万个。而且这种发展势头为顺应全球数据化的大趋势,在未来数年内仍然会以指数型增长。到2020年中国的数据总量将占全球数据总量的20%,届时将成为世界第一数据资源大国和全球数据中心。

制冷空调系统是数据中心重要的关键基础设施。保证数据中心的可靠运行,空调制冷系统担负着举足轻重的职责。数据中心的高能耗已引起高度关注,2015年,数据中心用电量约900亿度,已达到社会总用电量的1.5%。预计10年后,数据中心耗电量将会达到约6000亿度,占社会总用电量5%~8%,而其中制冷空调系统的能耗占比达到30%~40%。降低制冷空调系统的能耗已成为行业努力的重点方向。同时,数据中心的建设逐渐出现模块化、高热密度等新的趋势,对制冷空调系统的技术方案、技术要求等提出了新的挑战。

单元式机房空调机是各类数据中心制冷空调系统方案中最传统且成熟的一类方案,在国内有着广泛的应用。本文从机房空调的可靠性、节能性、高密度与模块化等几个方面,探讨数据中心对机房空调与制冷配件的特殊要求。

1 高可靠性是对机房空调与制冷器件的最基础的要求

制冷空调系统要保证数据中心设备24小时全年不间断运行,高可靠性是对机房空调设备的最基础的要求。机房空调及其配件的可靠性应分3个层面理解。

首先,保证所服务的IT设备运行环境正常,特别是在极限、超限等特殊情况下,机房空调与制冷器件应能做出自我牺牲,甚至“带病”坚持运行或降额运行,而不允许“超出范围,停机保护”。这一点,与常用的商用空调或冷水机组等的可靠性理念是不同的。

其次,在机房空调或器件出现故障后,能够迅速实现任务转移或者更换,保证故障不再扩大以及迅速复原,以此来保证整体系统的安全。数据中心需要配置多台机房空调备份或轮值运行,一台机组或几台机组的故障,不能影响整体的正常运行。

最后,机房空调整机和制冷器件应能在其标定的运行范围内,用合理的检测手段,保证其长寿命运行。对关键器件的超限与加速测试或破坏性试验,是机房空调厂家评估关键器件寿命的常用手段。形象点说,对机房空调及其配件的要求就是:“能干、能换、长寿命”。

国际上,数据中心的可靠性等级引起众多关注与大量研究,ANSI/TIA—942—A《数据中心电信基础设施标准》是美国国家标准学会(ANSI)2005年批准颁布的。该标准把数据中心按可靠性要求分成4个等级,不同可靠性等级的数据中心,对制冷空调系统的配置做了不同的要求。

2 绿色节能是最现实的发展要求

绿色节能是制冷行业长期以来重要的发展驱动力。但对数据中心与机房空调而言,降低运行能耗,已成为发展的瓶颈。机房空调节能发展的方向,从大的方面讲,应分成两类:一类是利用制冷空调行业的新技术,新器件,逐渐应用于机房设备中,如电子膨胀阀、EC风机、高效换热器、高能效压缩机等;更重要的是另一类,充分发掘机房空调的特殊性,开发机房空调所特有的技术和应用。

机房空调的第一个特殊要求是全年制冷。衡量机房空调真实耗电量的指标应放到全年的气温环境考察,而不仅仅是用单一工况点测试出的能效比(EER)。国家标准GB/T 19413—2010《计算机与数据处理机房用单元式空气调节机》首次定义了全年能效比(AEER)及其测试方法,根据气温分布情况,用5个工况点的能效比加权平均得到全年能效比。

全年能效比的广泛应用,推动了机房空调行业在室外环境温度较低的“自然冷却技术”的发展。其中,利用制冷剂泵驱动液态制冷剂的“氟泵自然冷却”技术及产品已经得到大规模应用。其相应的关键器件如制冷剂泵、管路转换阀件、控制器件等专用器件需求逐渐增加。

所谓“自然冷却”,是指当室外温度低于数据中心机房内(回风)温度时,可以通过某些换热技术或设备,把热量直接或间接的传递到室外环境,从而减少压缩机的使用时间或者关闭压缩机,从而实现节能运行。从原理上来看,是实现热量从高温热源传递到低温热源的自然过程。但从应用上看,要从安全性、适用性、经济性等各方面综合考虑取舍。

对机房空调第二个特殊要求,是室内吸热侧的温度逐渐提高,相应的蒸发温度与蒸发压力逐渐提升。根据制冷原理,在冷凝温度不变的情况下,蒸发温度越高,压比越小,理论上压缩机的功耗越小。机房空调选用的压缩机,一般是按照AHRI工况标定(蒸发温度为7.2℃,冷凝温度为54.4℃),压缩机的最佳工况点也按此工况点设计(压比为3左右)。

而随着制冷设备蒸发侧越来越靠近发热源,实际蒸发温度可以达到20℃,而配置的室外冷凝器换热量充足,冷凝温度设计点在45℃左右。如此,所需压比仅为1.5左右。如果按照此工况和压比设计压缩机,整机能耗将会得到革命性地提升。压缩机工艺技术门槛较高,已经有厂家尝试开发机房空调专用压缩机。

随着大型和超大型数据中心迅猛增长,集中式冷水系统陆续大规模投入使用,冷水系统的应用问题逐渐暴露出来,如:前期投资巨大、运维费用过高、能效无法达到预期、不容忽视的耗水量等。

据分析和测算,在大型冷水系统中,热量的输送环节能耗(冷冻水泵、冷却水泵),占到制冷系统总体能耗的30%~50%,远超出设计之初的预期水平。造成水泵能耗过大的主要原因是:

1)为保证多末端的水力平衡,水泵扬程设计过高;

2)水泵的多机备份,造成水泵的效率损失与前后水阀压头损失;

3)为避免单点故障,而使阀门管道及其复杂;

4)设计与工程上选用过大的水泵;

5)长期低热负荷运行,使水泵功耗不能按比例下降。

如果换一种方式,在热量的输送环节(图1)使用液态相变制冷剂输送技术,以相变制冷剂代替水,以制冷剂泵代替水泵,则可以把热量输送环节的能耗降低至制冷系统总能耗的1%左右,几乎达到了可以忽略不计的程度,极大地提升了系统能效。同时,输送管路尺寸缩减了80%,由原来巨大的水管替换为细小而灵活的氟利昂制冷剂管。

图1 数据中心的热流环节

技术方案的革新必然带来管路阀件、制冷剂泵、控制器件的需求和增长。以1000kW制冷量的制冷系统为例,R410A为热量输送载体,管路尺寸大幅缩小(图2)。

图2 冷链输送环节管路尺寸对比

R410A是以相变方式长距离大容量输送热量的最佳载体。与其他常用制冷剂如R22、R134a等相比,R410A的优势在于:

1)气管压力高,尺寸小;

2)气管阻力小,蒸发/冷凝温差损失小;

3)蒸发器和冷凝器换热密度高;

4)较小的制冷剂充注量。

除了应用于R410A制冷剂的通用管路阀件,部分专用器件的需求逐渐凸显。例如,输送R410A的制冷剂泵需满足表1要求。

表1 R410A 制冷剂泵参数

另外,避免管路泄漏的在线检测装置,也有较好的应用价值。

3 高热密度、模块化是必须要跟上的要求

数据中心建设的高密度、模块化需求逐渐显现。而最大的限制因素,就是制冷系统及其冷源设备的高密度和模块化。传统的制冷系统方案,无论是小型分散式的风冷系统,还是大型集中式的水冷系统,都会受到模块化建设模式的巨大挑战。而小型风冷系统走向模块式大型化,大型水冷系统走向模块式小型化,将会是模块化时代的必然选择。

据业界专家分析,对与大型或超大型数据中心的建设方案,以500m2~600m2的机房面积为一个独立模块体,或者以1000kW左右的热负荷为一个独立的模块体,应用上最具优势。然后以模块为单位堆砌、叠加成规模巨大的数据中心。

响应这种要求,模块化冷源系统、小型蒸发式冷凝器、模块化小型冷却塔等将会出现大量需求。

模块化冷源系统,从制冷量上来看,介于分散式机房空调(制冷量为20kW~100kW)与大型冷水系统之间,单模块制冷量约为200kW~1000kW,可完成一个或数个模块化机房的冷却。从物理结构上来看,以标准集装箱的尺寸为基本单位,便于堆砌叠加。

200kW~1000kW制冷量所需的冷凝侧冷却方式,无论风冷,还是水冷、蒸发式冷却,在不同的应用场景下,均会有独特的应用优势和实用价值。设计良好、可标准化的小型冷却塔(水流量为20~100m3/h,模块一般配置双系统),可集成水冷冷凝器和水泵及水管路为一体,组成标准化的冷源模块。

4 结束语

本文探讨了数据中心的发展变化带来的对机房空调及制冷配件的新需求,提出了诸如制冷剂泵、小压比压缩机、相变制冷剂输送、模块化冷源系统等新的需求。技术的进步,离不开核心器件的支撑,从某种意义上讲,关键器件是制冷系统的核心。因此,器件的发展要关注系统,系统需求要反馈于器件的开发,形成行业的良性循环。


(本文节选自《制冷与空调》2017年第7期 作者:苗华)


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