数据中心错峰水蓄冷设计分析.pdf

数据中心错峰水蓄冷设计分析吴天昊孟强涂飞龙（世源科技工程有限公司，北京；长三角投资（上海）有限公司，上海）摘要：分析了数据中心水蓄冷技术的特点，提出了设计思路及对比方法。通过北上广个地区的错峰蓄冷典型案例对比，提出以一次能耗减少量与投资回收期作为错峰蓄冷设计的重要指标。结合数据中心现阶段的储能需求，给出了几点错峰蓄冷设计建议。关键词：数据中心；碳中和；水蓄冷；峰谷差率；冷源能效；节能量；回收期吴天昊，男，年生，大学，工程师 上海市杨浦区政益路 号楼 ：收稿日期：引言 年月，我国确定了“力争 年前实现碳达峰，年前实现碳中和”的重大战略决策。同年 月，国家发展和改革委员会为确保如期实现碳达峰，将数据中心列为推动节能降碳的重点领域，要求新建大型、超大型数据中心电能利用效率不超过。在国家政策的推动下，相信到 年行业整体能效水平和碳排放强度将达到国际先进水平，如期实现碳达峰，而要实现碳中和意味着能源系统革命性的转变。数据中心主要建设在城市近郊，其电力主要由火电系统供应，电力消费会产生间接碳排放，因此数据中心的碳中和进程必然与电力行业一脉相承，甚至成为未来新型电力系统的重要组成部分。在践行“双碳”战略的进程中，源、网、荷、储一体化是建设新型电力系统至关重要的解决方案。数据中心作为重要的用电负荷侧，可通过储能技术进行削峰填谷、柔性用电，充分发挥调节响应能力，使其深度参与到系统运行的调节中。现阶段数据中心基础设施中能直接实现储能的途径主要有蓄电和蓄冷，其与数据中心自身高可靠性要求具有极佳的匹配度，其中蓄电成本高且安全性有较大隐患，而水蓄冷以其技术成熟、成本低廉、安全可靠等特点成为数据中心储能的优选方案。本文通过分析数据中心错峰水蓄冷技术的特点、典型模型及运行对比，总结其设计要点。错峰蓄冷技术特点根据 数据中心设计规范中 级技术要求，蓄冷装置供应冷水的时间不应短于不间断电源设备的供电时间。常规数据中心设计中的水蓄冷仅为应急蓄冷，其主要用于保障市电断电至冷水机组恢复运行期间末端空调的正常运行，而错峰蓄冷主要用于将空调系统消耗的电能转化为热能存储，然后根据电力系统峰谷差进行移峰填谷，同时可兼具应急蓄冷功能。设置错峰蓄冷的主要目的是发挥其制冷系统用电负荷的调峰作用并获得相应的经济效益，以下对影响其技术应用的个特点进行理论分析。峰谷差率由于数据中心的设备发热量相对稳定，系统总冷负荷随时间变化不明显，因此错峰蓄冷主要以电力系统的峰谷差率作为设计依据。目前电力系统的峰谷差率主要体现在分时电价政策上。年月国家发展和改革委员会印发相关通知要求系统峰谷差率超过 的地方，峰谷电价比原则上不低于，其他地方原则上不低于，此外，在峰谷电价的基础上推行尖峰电价机制，在峰段电价基础上，上浮比例原则上不低于。虽然宏观政策在引导用户进行储能，但错峰蓄冷设计时仍需要结合各地区实际情况。图对比了数据中心建设较密集地区的峰谷电价比，可以看出，部分地区峰谷电价比仍然低于，甚至部分地区仅为，说明现阶段我国电力系统峰谷差率在地域分布上呈现出较大差异，需具体问题具体分析。图各地区峰谷电价比（数据来源：国家电网及南方电网 年月电价）蓄冷量数据中心的制冷系统单元采用冗余（），其中台备用主机在错峰蓄冷设计中可当蓄冷主机使用，此时蓄冷设计不需要增加额外的制冷设备，仅需扩大蓄冷罐的容积。在常规的数据中心等温水蓄冷系统中，最大蓄冷量即为蓄冷主机容量谷电时长。通常蓄冷量越大，对应的调峰能力越强、经济收益越高，但由于等温水蓄冷的单位体积蓄冷密度低，扩容后的蓄冷罐对场地条件提出新的要求，因而设计总蓄冷量时应考虑该因素。蓄冷能效蓄冷设计在计算调峰能力及经济收益时，还应考虑其对冷源能效的影响。目前全国谷电时段基本处于：至次日：之间，其室外湿球温度普遍要低于日间峰电时段，则制冷主机将获得更低的冷凝温度。根据北京、上海、广州的典型年逐时气象参数，分别汇总峰、谷时段的平均湿球温度，然后计算个时段间的湿球温度差，结果如图所示。由图可以看出：不论是寒冷地区、夏热冬冷地区，还暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷图峰、谷时段平均湿球温度差是夏热冬暖地区，全年大部分谷电时段都将处于更低的湿球温度中。）当数据中心冷源处于机械制冷时，谷电时段蓄冷主机 提高；）当数据中心冷源处于部分自然冷却时，在获得蓄冷 提高的同时，由于湿球温度降低可能切换为完全自然冷却，该工况下蓄冷相当于延长自然冷却时长，冷源全年综合能效获得提高；）当数据中心冷源处于完全自然冷却时，湿球温度降低只能带来冷却塔风机耗电降低，同时由于蓄冷泵的运行，因而错峰蓄冷对电力系统的调节作用较小，该工况下可不蓄冷。由于数据中心多采用变频离心式冷水机组作为冷源，因此部分负荷下能效较高（某项目冷水机组性能曲线见图），通常机组负荷率在 左右时 最高，而数据中心进行蓄放冷时会同时影响机组实际运行负荷率。图某项目冷水机组性能曲线）蓄冷过程会增加系统冷负荷，对于低负载数据中心可提高冷水机组 ，而对于高负载数据中心可能降低冷水机组 ；）放冷过程会减小系统冷负荷，其结果与蓄冷相反，但由于蓄冷工况下冷水机组负荷基数更大，因而系统能效主要受蓄冷工况下负荷率影响。一次能耗减少量与投资回收期传统蓄冷空调受限于建筑内蓄冷空间等因素，通常采用大温差的非等温蓄冷系统，从而导致蓄冷水温降低、蓄冷主机 降低，这也是传统蓄冷空调“节费不节能”的主要原因。而数据中心由于可靠性要求通常采用等温水蓄冷系统，其蓄冷工况与常规制冷工况水温相同，故不存在冷水机组不节能的说法。错峰蓄冷设计在节能效益比较分析时，除考虑本地制冷系统运行电量外，还应考虑对电力系统的宏观节能效益，即通过“移峰填谷”提高电力系统发电和输配效率、优化能源结构，并将本地与宏观节能量全部转化为一次能耗减少量进行分析比较，以体现错峰蓄冷设计对电力系统的调节作用；在技术经济比较分析时，相对于常规系统的增量投资，静态回收期宜小于。典型案例我国数据中心项目分布广泛，其中以北京、上海、广东及其周边经济发达地区布局时间最早，现存体量最大，发展也最为迅速。这个地区的气候分区各不相同，电力系统峰谷价差也各有区别，是数据中心错峰蓄冷应用的典型代表，以下将通过典型案例计算对错峰蓄冷在不同外部条件下的运行效果进行对比。典型案例的冷源配置见表。表典型案例冷源配置设备名称技术参数数量台单台功率备注冷水机组 变频板式换热器 一级冷水泵 ，变频二级冷水泵 ，变频冷却水泵 ，变频冷却塔 变频蓄冷罐 以某互联网数据中心（）服务商的万数据中心 万机柜容量为例，其建筑类型为丙类厂房，用电分类为 大工业。冷源采用 变频离心式冷水机组，制冷单元四用一备，蓄冷方案采用二级泵并联开式罐，蓄冷量按备机提供最大蓄冷量加系统应急蓄冷量设置，冷源系统主要设备配置见表。根据当地要求，该数据中心上架 率 一 年 内 不 应 低 于，第 二 年 及 以 后 不 低 于，平均机架运行功率不应低于设计功率的，由此预估数据中心首年负荷率为，次年及后期基本稳定在。错峰蓄冷的运行策略取决于当地峰谷电时段，北上广三地峰谷电价见表。表企业代理购电用户 大工业电价（年月）分时电价（元（）尖峰时段高峰时段平时段低谷时段北京（郊区）上海 广州 备注：）北京分时用电时段划分：夏季尖峰时段（月）：、：；高 峰 时 段：、：；平 时 段：、：、：；低谷时段：至次日：。）上海按两部制执行三段式峰谷电价。非夏季：峰时段（：、：），平时段（：、：、：），谷 时 段（：至 次 日：）；夏 季：峰 时 段（：、：、空调制冷暖通空调 年第 卷增刊：），平 时 段（：、：、：、：），谷 时 段（：至 次 日：）。）广州按峰谷分时电价全省执行统一时段划分，高峰时段为：、：；低谷时段为：；其余时段为平段；尖峰电价执行时间为月个整月，以及其他月份中广州日最高气温达到 及以上的高温天，执行时段为：、：共。为简化计算，假定数据中心负荷全年都较为稳定，冷源运行仅受室外环境温度影响，冷水机组根据负荷及冷却水温度自动调节，保证出水温度恒定，体积流量变化按变流量运行，其性能曲线如图所示，其余设备随冷水机组负载变化变频运行。当进行蓄冷时，通过控制充冷速率，确保在谷电时段内匀速充满蓄冷罐，制冷单元随系统负荷变化自动调整运行状态；当进行放冷时，通过控制放冷速率，确保开启的套制冷单元在高效区运行。根据以上预设条件，计算得到的各工况下的冷源系统功率分布见图。图各工况下冷源系统运行功率分布选用 中国建筑热环境分析专用气象数据集中北京、上海及广州个台站典型气象（设计典型）年逐时湿球温度作为运行依据。首先按湿球温度判断各时刻冷源制冷模式，若一天内峰谷时段均处于完全自然冷却，则不进行蓄冷，反之则蓄冷；然后按表中各地区峰平谷时段分配各时刻的蓄放冷工况（尖峰时段优先放冷、高峰时段依次放冷），并根据图、表匹配各时刻冷源运行功率及用电单价，从而计算冷源系统全年运行电量及电费，结果见表。表数据中心 负荷下（首年）冷源系统全年运行对比北京上海广州常规蓄冷常规蓄冷常规蓄冷运行电量（万）运行电费万元 节能量（万）节能率 节费万元 节费率 表数据中心 负荷下（次年）冷源系统全年运行对比北京上海广州常规蓄冷常规蓄冷常规蓄冷运行电量（万）运行电费万元 节能量（万）节能率 节费万元 节费率 表本地与宏观系统一次能耗年减少量对比北京上海广州首年次年首年次年首年次年年节电量（万）本地一次能耗年减少量（）年移峰电量（万）宏观一次能耗年减少量（）总一次能耗减少量（）注：电力系统宏观节能效益折算系数选取，供电标准煤耗（年）为 （）。对比分析 节能分析根据 节论述，错峰蓄冷节能效果主要受峰谷温差及负荷率影响，结合上述计算结果进行分析可以得到：）北京地区峰谷时段湿球温差最大，全年平均值为 ；广州地区次之，全年平均值为 ；上海地区最小，全年平均值为 。相同负荷率下蓄冷节能率与峰谷湿球温差呈正相关。）在低负荷下蓄冷，通过运行台数调节，冷水机组负荷率可维持在高效区间，值不变或变大；在高负荷下蓄冷，冷水机组台数调节能力受限，负荷率变大，值变小。相同湿球温度下蓄冷节能率与负荷率呈负相关。暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷根据 蓄能空调工程技术标准条文说明第 条公式，将分析案例中的年节电量和年移峰电量都转换为一次能耗减少量，结果见表。通过汇总本地和宏观的一次节能量可知，即便部分情况下本地系统不节能，但错峰蓄冷使整个能源消耗过程中的总一次能源消耗具有相当可观的节能效益。表各地区错峰蓄冷静态回收期对比增量投资万元首年节费量万元次年节费量万元静态回收期北京 上海 广州 经济分析通常对蓄能空调进行技术经济比较分析时，相对于常规系统的增量投资，静态回收期宜小于年。由于数据中心错峰蓄冷系统仅增加蓄冷罐容积，其余部分较常规系统基本不变，因此增量投资主要包括蓄冷罐及其相关配套的费用。在典型案例中，蓄冷罐从应急蓄冷的 增加到错峰蓄冷的 ，其增量投资约为 万元，分别计算上述个地区错峰蓄冷的静态回收期，结果见表。对于典型案例中的 企业来说，在上海、广州地区错峰蓄冷具有良好的经济效益，而在北京地区其静态回收期长达，几乎接近数据中心主设备的寿命周期。北京地区全年气温较低，冷源近一半时长处于自然冷却的非蓄冷状态，较低的蓄冷利用率导致其年移峰量仅为广州的一半，而峰谷电价比也约为广州的一半，因此静态回收期达到广州地区的倍。从上述分析可以看出，即使在高峰谷电价比地区，实际运行时较低的年移峰量也将延长静态回收期，因而评估错峰蓄冷经济性时不仅需要关注当地峰谷电价，还需要考虑项目实际运行情况，对其进行详细分析计算。结语错峰蓄冷是现阶段数据中心储能的重要方式之一，相较于其他储能方式，其以高可靠、低投入、高产出等特点成为数据中心企业储能应用探索的首选。根据错峰蓄冷的技术特点，结合典型案例的计算结果，提出如下数据中心错峰蓄冷设计建议：）分析项目峰谷电价差，当峰谷电价比大于时可采用错峰蓄冷，当峰谷电价比大于时宜采用错峰蓄冷；）分析项目可用场地条件，宜在不增加额外冷水机组的情况下，按系统最大蓄冷量确定蓄冷罐容积；）分析项目蓄冷运行情况，结合当地峰谷电政策及设计蓄冷量，计算一次能耗减少量及投资回收期，当节能与经济效益俱佳时可采用错峰蓄冷。在未来低碳的电力环境下，数据中心错峰蓄冷将衍生出更多的运行模式与“源、网”形成互补，积极响应发电侧调峰需求，助力数据中心企业实现碳中和。参考文献：吴天昊，孟强数据中心蓄电池室的通风空调设计分析暖通空调，（）：孟强，吴天昊，赵东亚大型数据中心灾后排风系统电气设计探讨建筑电气，（）：孟强，何晓露，张文弘数据中心蓄电池系统设计分析电气应用，（）：中国 电 子 工 程 设 计 院数 据 中 心 设 计 规 范：北京：中国计划出版社，：中国建筑科学研究院有限公司蓄能空调工程技术标准：北京：中国建筑工业出版社，：中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系中国建筑热环境分析专用气象数据集北京：中国建筑工业出版社，空调制冷暖通空调 年第 卷增刊