摘 要：针对数据中心空调系统配置制冷设备功率大、台数多、全年运行制冷工况以及制冷系统能耗大的问题，通过南方某地区数据中心的现场调研、勘查、分析和评估的基础上，结合该数据中心三面环河的地理位置特点，研发了适合该数据中心的河水源制冷系统。采用冬季河水源制冷替代压缩制冷的冷水机组和相关辅助制冷设备运行，通过提供低温冷冻水，降低系统能耗，提高了节能效果。实践证实了使用河水自然冷却系统后，该数据中心节能效果显著，社会效益和经济效益明显。
关键词：河水源制冷系统;节约能源;数据中心;节能改造
1 数据中心节能改造的潜力
1.1设备配置状况
某数据中心位于江苏南通，三面环河，地理位置优越。该数据中心一期空调系统配置6台离心式冷水机组，5用1备。单台机组制冷量为3825kW，输入功率为592kW，冷凝器水流量为760m2/h,进水温度为32℃，出水温度为37℃，蒸发器水流量为549m2/h，进水温度为18℃，出水温度为12℃。单台离心式冷水机组的制冷量调节范围为20%~100%，可以根据不同时段负荷的变化调节机组的出力，以保证关键负荷冷冻站运行的安全性和可靠性，该数据中心配置6台低噪声横流式冷却塔，28℃时单台冷却塔处理水量为800m2/h，配置6台一次冷冻泵，水流量为830m2/h，扬程为16m，功率为55kW。配置6台二次冷冻泵，水流量为810m2/h，扬程为30m，功率为110kW。配置6台冷却泵，水流量为905m2/h,扬程为27m，功率为110kW。
1.2 空调运行特点
1)数据中心的空调负荷包括：信息技术(IT)服务器和其它辅助设备的散热建筑物，由于室内围护结构温差，太阳辐射通过建筑物围护结构传入室内的热量形成的冷负荷,人体散热,照明装置散热,新风负荷,其中IT服务器和其它辅助设备的散热约占空调负荷的80%。
2)全年24h运行制冷降温排热,空调系统的能源消耗相当大,约占总运行成本的50%。
3)对空调系统运行的稳定性、安全性和经济性要求较高。
通过以上分析得出：该数据中心具有得天独厚的地理位置、设备配置和空调系统的运行特点，潜藏着节能改造和挖潜增效的机会。
2 实施河水源制冷系统的节能方案
2.1 系统构建
在冬季时段，取临近的低温河水作为天然冷源，通过板式换热器与冷冻水回水热交换后达到为冷冻水降温的目的，以替代水冷离心机组冷却水泵和冷却塔运行，降低空调运行能耗，减少冷却塔飘水和蒸发造成的自来水损失。
2.2 主要设备
河水源自然制冷系统的主要设备为6台板式换热器，和4台取水循环泵，技术参数如表1所示。
2.3 运行模式
河水自然冷却系统有两种运行模式。
单独运行
河水自然冷却系统单独运行时，18℃的回水进入板式换热器，经过与河水热交换后，降温至12℃，替代水冷离心机组运行，以节省水冷离心机组、冷却水泵、冷却塔等设备的运行能耗。
联合运行
河水源制冷与水冷离心机组联合运行时，18℃的回水先经过河水源制冷初步降温后，再经过水冷离心机组进一步降温至12℃，以节省水冷离心机组、冷却水泵、冷却塔等设备的运行能耗。
3 两种方案全年运行经济性比较
3.1 水冷离心冷水机组系统运行
全年运行能耗计算条件：
1)1年中155d，24h运行，5台水冷离心冷水机组平均负载为90%，5台一次冷冻水泵，5台二次冷冻水泵，5台冷却水泵，2台冷却塔泵运行。
2)1年中210d，24h运行，4台水冷离心冷水机组平均运行负载为90%，4台一次冷冻水泵，4台二次冷冻水泵，4台冷却水泵，2台冷却塔泵运行。计算结果为：单台冷水机组额定功率为592KW，单台一次冷冻水泵功率为55KW，单台二次冷冻水泵功率为110KW，单台冷却水泵功率为110KW,单台冷却塔泵功率为55KW。
3.2 河水自然冷却系统运行
全年运行能耗计算条件：
1)1年中155d，24h运行，5台水冷离心冷水,机组平均负载为90%，5台一次冷冻水泵，5台二次冷冻水泵，5台冷却水泵，2台冷却塔泵运行。
2)1年中60d，24h运行，4台水冷离心冷水机组平均运行负载90%。负载4台一次冷冻水泵，4台二次冷冻水泵，4台冷却水泵，2台冷却塔泵运行。
3)1年中30d，,24h运行，天星横河自然供冷系统与水冷离心冷水机组联合运行，4台一次冷冻水泵，4台二次冷冻水泵，4台冷却水泵，3台取水泵运行。
4)1年中120d，,24h运行，天星横河自然供冷系统独立运行。4台一次冷冻水泵，4台二次冷冻水泵，3台取水泵运行(配4台，3用1备 )，计算结果为：单台冷水机组额定功率为592 KW，单台一次冷冻，水泵功率为55 KW，单台二次冷冻水泵功率为110 KW，单台冷却水泵功率为110 KW，单台冷却塔泵功率为55 KW，单台取水泵功率为160 KW。
3.3 两种方案分项能耗计算结果
1)5台592 KW冷水机组。155d，,24h独立运行，平均运行负载为90%， 水冷离心冷水机组系统与天星横河自然供冷系统分项能耗计算结果相同，即冷水机组592KW，运行能耗为9910080KWh，冷冻水泵(55 KW +110 KW)运行能耗为3069000 kWh，冷却水泵(110 KW)运行能耗为2046000 kWh，冷却塔泵(55KW)，运行能耗为409200 kWh，冷水机组系统155d，总能耗为15434280 kWh。
2)4台592 KW冷水机组。60d，24h独立运行，平均运行负载为90%，水冷离心冷水机组系统与天星横河自然供冷系统分项能耗计算结果相同，即冷水机组(592 KW)运行能耗 为3068928kWh，冷冻水泵(55 KW +110 KW)运行能耗为950400kWh，冷却水泵(110kW)运行能耗为633600kWh，冷却塔泵(55kW)运行能耗为158400 kWh， 冷水机组系统60d总能 耗为4811328 kWh。
3)4台592kW冷水机组。30d，24h独立运行，平均运行负载为90% ，冷水机组592kW运行能耗为1534464 kWh，冷水机组系统30d总能耗为2405664 kWh，天星横河自然供冷系统与冷水机组系统联合运行，4台592kW冷水机组，30d，24h独立运行，平均运行负载为52%，其余负载由自然冷却系统承担，冷水机组(592kW)运行能耗为886579 kWh。两个系统其余分项能耗计算结果相同。即冷冻水泵(55kW+110kW)运行能耗为475200 kWh。冷却水泵(110KW)运行能耗为316800 kWh。冷却塔泵(55kW)运行能耗为79200kWh。取水泵(160kW×3台)运行能耗为345600 kWh。天星横河自然供冷，取水泵(160kW)运行能耗345600 kWh。 天星横河自然供冷系统与冷水机组系统联合运行30d总能耗为2103379 kWh。
4)4台592kW冷水机组。120d，24h独立运行，平均运行负载为90%，冷水机组(592kW)运行能耗为6137856 kWh。冷冻水泵(55kW+110kW)运行能耗为1900800kWh。冷却水泵(110kW)运行能耗为1267200 kWh。冷却塔(55kW)运行能耗为316800kWh。冷水机组系统120d总能耗为9622656kWh。自然冷却方案冷冻水泵(55 kW+110kW)运行能耗为1900800 kWh。取水泵160kW运行能耗为1382400kWh。天星横河自然供冷方案独立运行120d总能耗为3283200 kWh。
5)冷水机组系统全年能耗为32273928kWh，河水自然冷却系统全年能耗为25632187kWh。
计算结果表明：一期项目技改节能量与冷水机组系统比河水源自然制冷系统全年节省运行能耗为6641741 kWh，节省运行费用为583.1万元，节省标煤为1992t，该项目全年减少二氧化碳排放为5219t，减少二氧化硫排放为16.9t，减少氮氧化物排放为14.7t。
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4 结语
1)数据中心仅增加了取水构筑物、取水管路系统、循环水泵、水过滤设备、板式换热器、切换阀件等设备。改造和施工十分方便。 由于改造措施得当节能效果显著得到了数据中心业主的认可。
2)河水源自然制冷系统适用于长江流域或长江以北临水(河水、湖水等)地区的数据中心。
3)河水源制冷系统的推广，技术难度小、投入少、回收快。通过挖潜增效，节能显著，而且可复制性强值得大力推广。——论文作者：付效东
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