一种推荐的空调系统运行模式调整方法

我们知道,大型数据中心空调系统一般采用集中式供冷的中央空调,在运营前期,由于服务器使用数量较少,空调主机又不得不开启,系统能耗比重较大,PUE往往偏高。如何在前期就能把PUE降到合理水平,这是设施运营面临的挑战。

为了进一步的节能减排,我们在腾讯某数据中心的运营中,摸索出了一些空调系统运行模式的调整方法。较之原有设计,可使PUE下跌0.1-0.2。本篇将对这些调整方法当中有关“冷机水温调整节能控制”的部分,进行原理分析和方法提炼总结。

1.基础设施空调系统能耗组成

在空调系统中,各设备能耗比例大概为:主机(冷水机组)占70%-90%,水泵、冷塔、精密空调等动力设备占30%-10%;(比例大小的波动受冷机带载率的影响)。主机占的比重较大,如何减少主机的功耗是节能的关键。

2.供水温度与冷机节能的关系

空调业界通常采用供水温度6℃-10℃的标准。然而这种标准约束了运营的思想,使得人们固化地认为“空调水温超出这个范围是非常危险的”。但理论和实践均表明:冷冻水水温的进一步提升可降低冷机的功耗。

① 理论分析

冷机供水温度由冷机蒸发器中冷媒的蒸发温度和压力决定,两者关系成正比:冷冻水供水温度越高,冷媒蒸发温度和压力也越高。冷机压缩机是冷机的耗能主体,蒸发压力与冷凝压力的差值决定着它做功的多少:蒸发压力提升,冷凝压力不变,两者的差值变小,压缩机做功也会减少。所以说:提高冷机冷冻水出水温度,能有效降低冷机的工作能耗。

② 实验测试分析

图1某冷机的实验数据表明:在冷机能耗相同的情况下,冷冻水供水温度每提高1℃,冷水机组产冷量增加3%。同理,当制冷量一样时,冷冻水供水温度每提高1℃,冷机自身能耗将减少3%。如果供水温度提升10℃,冷机功耗将减少30%。可见供水温度的提升,对冷机系统节能意义重大。

图1 某冷机实验数据

③ 板换节能

在使用板换的节约模式中,据运营经验表明:供水温度每提升3℃,板换Freecooling使用时间延长约一个月(具体时间需要根据当地气候而定)。

④ 潜冷与显冷

由于供水温度的提升,精密空调表冷器不容易结露,这使得空调的制冷量中,显冷比例更高(几乎达到100%),这有效提高了制冷量的利用率。

3.水温的变化对系统的影响

我们已经知道:冷机要节能,可以采用提升冷冻水水温的方式,但供水温度的提升,会不会给末端空调送风温度带来影响,导致送风温度的升高,影响安全呢?下面的理论分析将为我们解答这个问题。

在精密空调中,低温水通过表冷器翅片把冷量传给了循环空气。在传热学中,我们得出以下基本公式:

Q=H*(T送风-T供水)*S

Q——总制冷量或总散热量;

H——空调表冷器换热系数,与表冷器的材质,造型等固有特征相关,可默认为固定值;

(T送风-T供水)——空调送风温度与冷冻水供水温度的差值;

S——空调表冷器总面积;

分析上述公式:

在Q和H固定不变时,(T送风-T供水)与S成反比,S越大,则(T送风-T供水)越小,即“产冷量相等,如果增大表冷器的有效换热面积,可以缩小送风温度与供水温度之间的差值;如果送风温度值不变,则冷冻水供水温度提高”。

当H和S保持不变时,Q和(T送风-T供水)成正比,即“保持表冷器有效换热面积不变时,随着末端热负荷的增加,供水温度与送风温度的差值逐渐增大;如果保持送风温度不变,则需要降低供水温度”。

以上分析告诉我们:只要末端空调表冷器换热面积足够大,提高冷冻水供水温度,不影响空调送风温度及总制冷量。

4.增大表冷器过水面积的方法

我们已经知道,供水温度越高,冷机越节能;提高供水温度而不影响送风温度的前提是增大末端空调表冷器的过水面积。能有效增大空调表冷器过水面积的方法如下:① 增大空调冷水阀开度,让更多的水进入更多的表冷器盘管中。② 加开更多的备用精密空调。

5.加开备用空调对系统能耗的影响

4.1介绍的方法——增大水阀开度,实施起来是不会带来单台空调能耗的增加的;但4.2介绍的方法——加开备用空调台数,会不会带来能耗的增加呢?下面将为您解答这个问题。

①理论分析

腾讯某数据中心末端精密空调是应用了节能型EC(变速)风机的。其EC风机的特性是:风机能耗与风机转速的立方成正比。如果风机转速降低到50%,功耗将减为单台满频的1/8,如果为了达到原有的风量,只需加开2到3台即可(每台运行在50%的转速),此时总功耗也不过原来单台满频运行的一半。

②实验测试

为了验证这个猜测,我们对同一房间内的精密空调进行了运行模式调整测试,我们在满足相同风量(或地板上下风压)情况下,启用了不同的主备运行模式。测试实验数据见图2:

图2 测试数据

实验表明:n用0备的运行模式对于EC风机来说更节能,原因与“每台风机运行频率低”有关系。也就是说,同样风量下,更低频率,比少开空调更节能,节能率可达50%。

这个实验结果对于4.2提到的方法,是一个好消息:加开更多的备用精密空调,不仅没带来能耗的增加,还反向促进末端空调能耗的降低。

6. “动态”水温的影响因素

综合以上研究成果,我们把这种“变化水温”调节方式,命名为“动态水温”调节模式。它受以下几个因素的影响:① 末端负载大小② 末端空调换热器面积大小与空调开启数量③ 末端空调送风温度的大小

7. “动态水温”应用的收益

某年春季,在板换供水温度超过设计值且负载比较低的情况下,运营使用了“动态水温”调整模式,在保持精密空调送风温度不变下,将供水温度逐步提升至较高温度,延长板换使用时间数月,冷机处于免开启状态,期间,PUE比开启冷机模式下降了0.28。

该年入秋后,室外气温依然比较高,在保持精密空调送风温度不变的情况下,运营使用了“动态水温”调整模式,提前关闭冷机,使用板换产冷。PUE比开启冷机模式下降了0.17。

次年春季,机房负载逐步上升,运营使用“动态水温”调整模式,逐步提升供水温度,进一步缩小冷冻水供水温度和精密空调送风温度差值,并采用加开板换的形式,使得板换使用时间沿长数月,PUE比开启冷机模式下降了0.15。

两年后,板换使用时间接近半年,比原有模式使用时间多了4个月,节能比例超过数据中心总用电量的10%。

以上节能实践表明:动态水温节能模式在负载越低时,节能效应越显著,它的使用使得PUE值在原有设计基础上下跌0.1-0.2,节能效益较大。

8.“动态水温”对规划及服务器运营侧的建议

从“动态水温”原理中我们知道,末端精密空调表冷器可用面积决定供水温度的上限,那么我们就可以通过以下方式来达到延长或长期提升供水温度:

① 末端精密空调设计上增加备用台数/末端空调制冷量选型足够大。② 冷机选型上,尽量选用“冷冻水供水温度可调幅度大”的冷机类型,提高冷机节能效率。③ 各机房服务器上架进度尽量做到均匀,保证同一时期各机房空调都有一定的冗余。

结语

“动态水温”调整模式具有以下特点:

1.根据负载情况和外界气温变化动态调整冷机供水温度。

2.在送风温度保持恒定下,供水温度在任何时期保持最大化,冷机制冷模式及板换Freecooling模式均可实现最大化节能。

3.减少空调自身冷量损耗。

“动态水温”节能模式的应用,是在保证运营质量前提下,发挥系统潜在节能点,实践结果也已充分表明,该模式可最大限度利用整个制冷系统冗余容量,最小化整个制冷系统的能耗,收获综合节能效益。

原文发布于微信公众号 - 腾讯数据中心(Tencent_IDC)

原文发表时间:2018-01-26

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