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数据中心机房中央空调解决方案
——海尔磁悬浮变频离心式机组在数据中心机房中的应用
1、 我国数据中心概况
随着互联网、云计算和大数据产业的加速发展，我国数据中心产业进入大规模规划建设阶段。根据工信部发布的全国数据中心规划建设情况通报：2011年到2013年上半年，全部共规划建设数据中心255个，已投入使用173个，总用地约713.2万平方米。总机房面积约400万平方米。2015年，我国数据中心总耗电量将达到1000亿万瓦时，相当于三峡电站全年发电量。
数据中心能耗巨大，如何降低其能耗是一个非常重要的工作。衡量数据中心是否节能，实际上是衡量在保证设备安全稳定运行的前提下，各部分能耗的最佳比例，确保服务器和网络存储等设备能效比的最大化。目前衡量数据中心能耗比较有影响的是电能利用效率PUF（power usageeffectiveness）指标，其定义为
PUF=数据中心年总耗电量/信息设备年耗电量
日本部分数据中心的PUF可达1.5，Google的数据中心PUF可达1.2。在我国，80%以上数据中心的PUF月大于2.0，有的甚至高达3.0，我过数据中心能耗分布大致如图1所示。
我国数据中心PUF值偏高的一个重要原因是空调系统的能耗过高。
笔者通过分析一种新型中央空调产品——海尔磁悬浮变频离心式冷水机组应用于数据中心机房时的性能，对比现在常规中央空调产品的经济性，进而提出机房中央空调最佳解决方案。
2、 数据中心机房的空调负荷特点
数据中心机房，特别是大型IDC机房里的IP网络设备耗电量、发热量都非常大，导致数据中心机房的电源、空调需求量比传统空调系统大很多。
数据设备发热是数据中心机房环境温升最主要来源，空调系统需提供基本制冷量等于数据机房及其他机房内所有设备产生热量，加上新风系统、围护系统及照明系统带来的热量。
归纳起来，有别于常规舒适性空调系统，数据中心空调符合特点为：
1） 显热负荷密度大。显热比高；
2） 空调负荷稳定；
3） 有一定新风负荷，但新风负荷较舒服性中央空调新风负荷小；
4） 需全年制冷，无休。
因此，空调系统的节能性尤为重要。
为了衡量不同冷水机组的性能，国家标准GB/T18460.1——2007《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组》综合考虑我国南北气候差异，分别针对不同冷却水温度和不同冷却水温度对应的机组负荷率机组时的能效作为比较基准。据此，GB/T18460.1——2007给出了机组综合能效IPLV的定义，其定义为
IPLV=0.023×COP1+0.415×COP2+0.461×COP3+0.101×COP4
式中：COP1～COP4分别为机组在负荷率100%，75%，50%和25%时的性能系数。
显然，该规定针对的是舒适性空调：室外环境温度降低，冷却水温度随之降低，空调负荷也就随之减小，而数据中心机房用空调负荷受环境温度影响较小，如忽略围护结构传热差异，可认为其空调负荷为恒定的。舒适性空调及数据中心空调在不同环境温度（对应为不同冷却水温度）下负荷情况如表1所示
～
因此，按照GB/T18460.1——2007规定的评价数据中心用冷水机组的性能并不适用于数据中心需全年满负荷制冷运行的情形，须按照机组在额定制冷量（即制冷量不变）前提下，机组在不同冷却条件下的COP评价分析机组性能。
3、 不同季节空调运行工况分析
大中型数据中心一般采用蒸气压缩式冷水机组实现制冷。下面分析不同环境温度下冷凝器压力变化带来的冷凝压力与蒸发压力比值的变化。
不同季节，随着室外环境温度的变化，冷水机组的冷却侧工况条件随之变化。以R134a制冷剂为例，对于风冷冷水机组和水冷冷水机组，在不同环境温度下，其冷凝压力与蒸发压力之比如图2所示。
图2中各曲线基于以下工况计算得出：
机组冷凝温度---风冷机组冷凝温度取高于环境温度10℃，冷机组冷凝温度取高于环境温度3℃机组蒸发温度---在冷水出水温度为7℃不变的前提下，其蒸发温度均按定值计算。其中，干式/板式机组蒸发温度为2℃满液/降膜机组蒸发温度为5℃。
据此，查出其相应冷凝压力和蒸发压力，计算出冷凝压力与蒸发压力比值。
可见，随着环境温度的变化，冷凝压力与蒸发
压力之比变化范围较大，当环境温度从10℃上升至35℃压力比从1.5左右上升至3左右。
对于蒸气压缩式制冷机组，采用以下2个措施可提高机组效率：
1）减小蒸发器、冷凝器两侧热交换介质传热温差；
2）当冷凝器侧冷却条件发生变化时，如果能始终保持压缩机排气压力与冷凝压力相同，压缩机自身压缩比与相应工况条件下的冷凝压力与蒸发压力之比相一致。
第一个措施可通过采用高效换热器实现，第二个措施则需要压缩机本身的工作特性符合变工况变化需要才能实现。下面，笔者分析常规蒸气压缩式冷水机组与磁悬浮冷水机组的结构原理，揭示其性能差异。
4、常规蒸气压缩式制冷机组运行工况分析
大型数据中心用常规冷水机组压缩机以螺杆式制冷压缩机和离心式制冷压缩机为主。就螺杆式制冷压缩机来说，其本身的内压缩比（∨i）一般是固定的，根据其应用工况不同，压缩比一般有2.2,2.6,3.0,3.5和)4.8等规格，以适应不同环境条件和使用需求。用户根据其使用条件不同，选择不同∨i的压缩机。当冷冻水出水温度为7℃时，不同冷凝温度下，推荐选用压缩机∨i值如表2所示。
针对不同地域数据中心机房，采用水冷螺杆式冷水机组时，可选择*),($(或者($"的压缩机&采用风冷螺杆式冷水机组时，可选择∨i=2.2或者2.6的压缩机；采用风冷螺杆式冷水机组时，可选择∨ i=3.0或者3.5的压缩机。
对于定频离心式制冷压缩机来说，它属于速度型压缩机，也是根据使用条件进行设计的，保证其在设计工况点效率最高。当转速不变时，随使用工况条件变化，其进口导叶开度发生变化，吸排气压缩比也有一定变化。
常规冷水机组在实际使用过程中，当冷却条件发生变化时，压缩机的压缩比与实际工况条件下的冷凝压力与蒸发压力之比存在偏差，压缩机的排气压力与冷凝压力不等。压缩机压缩过程结束时的压力可能会大于或者小于冷凝压力，这样对机组的能效都是不利的。图3和图4所示为容积式制冷压缩机的压力-体积图（P-V），分别表示压缩机压缩过程结束时排气压力大于冷凝压力和小于冷凝压力的情况。
可见，无论是过压缩还是欠压缩，都存在做功损失（loss of work）。相比之下，因欠压缩存在二次压缩过程，较过压缩做功损失更大。
数据中心分布在全国各地，其使用工况条件差异较大，变化也较大。我国领士大部分位于中纬度地区，属北温带，一小部分在热带。我国大部分地区夏季气温均超过30℃，春秋季节则在10℃左右，在同样的冷冻水出水温前提下，冷凝压力与蒸发压力的比值变卦范围较大，常用常规冷水机组必然大部分时间存在过压缩或者欠压缩，机组的全年运行效率相对低下，即使在环境温度足够低时，机组COP也很难超过10.
特别的，常规冷水机组除了压缩机排气压力不能随冷凝压力自动变化外，对于这些所使用压缩机需要润滑油的冷水机组而言，为了保证机组能够正常运行，需要将冷凝压力与蒸发压力的差值维持在一定值以上。当环境温度较低时，需人为增加冷你压力（如：减小冷却水流量/调低冷凝器风机转速等措施）或者降低蒸发温度（如：减小蒸发器水流量）。这点对于需全年制冷的场合，是以牺牲机组效率为代价的，而且代价巨大。
5 、海尔磁悬浮变频离心式冷水机组特效
作为一种新型空调产品——海尔磁悬浮变频离心式冷水机组，舍弃了传统的机械轴承，采用的是数字控制的磁悬浮轴承系统。如图5所示，磁悬浮轴承包括2组径向轴承和1组轴向轴承，其中径向轴承使转轴盒离心叶轮保持悬浮状态，而轴向轴承则用于平衡转轴的叶轮的轴向位移，在任何时候，数字控制的磁轴承系统都可确保转轴盒叶轮与周围的机械结构不会发生直接接触。
5.1 海尔磁悬浮制冷压缩机的优势
由于海尔磁悬浮制冷压缩机采用磁轴承，压缩机内没有机械摩擦，不再需要润滑油盒润滑系统，其转速不像传统离心式压缩机受机械传动机构的限制。对比传统压缩机，海尔磁悬浮压缩机的优势主要有：
1） 由于海尔磁悬浮压缩机的直流可变速运行的特点，转速变化，意味着压缩机比发生变化，因此，它实际上是一种可变压缩比的压缩机。相对于常规只能定速运行的离心式压缩机，海尔磁悬浮压缩机可以在不改变压缩机机构的情况下，比更高的效率适用于冷却条件变化范围较大的数据中心机房全年制冷使用场合。
2） 传统的压缩机通常使用的是机械轴承，而机械轴承必须有润滑系统，它所带来的负面效果是摩擦损失，并且润滑油被带到换热器中后，在换热器表面形成的油膜严重影响了热交换器的传热效率。美国制冷空调工程师协会曾经做过一项研究，这项研究是分析润滑油对制冷系统工作效果的影响作用。这是这项研究中对正在使用的一些冷水机组制冷剂中所含的润滑油浓度及润滑油对能效衰减的检验效果，如图6和图7所示。可以看出，在不同的机组中，润滑油在制冷剂中的含量最低的有3.5%，而最高的达22.9%。在含油浓度最低3.5%的情况下，导致机组能效下降8%左右。
3） 压缩机转轴与点击转子直联，无需增速齿轮机构，避免了传动损失、传动机构润滑以及噪声问题。
5.2海尔磁悬浮冷水机组相当于定频离心式冷水机组的优势
对于定频离心式冷水机组，当环境温度下降时，机组冷凝温度随之下降。机组要保持同样制冷能力的话，需要将压缩机入口导叶开度调小，这将导致压缩机吸气压力损失增加，压缩机吸气压力下降，此时尽管压缩机排气压力下降（H1—H2），但吸、排气压差并没有得到明显减小，即压缩机功耗并没有大幅度降低。定频离心式机组压头-流量（H-Q）示意图见图8。
变频离心式冷水机组的能力调节主要是依靠压缩机转速调节。当环境温度下降时，机组冷凝温度随之下降。机组要保持同样制冷能力的话，只需将压缩机转速降低，见图9。此时，压缩机吸气压力损失不增加（相反，还会得到改善）离心式压缩机的压头与转速的平方成正比，而制冷剂流量与转速成正比。因此，压缩机功耗与其转速的三次方成正比。当压缩机转速下降时，压缩机的功耗迅速下降。其H-Q示意图见图9。
5.3 不同形式水冷冷水机组变冷却水工况性能数据中心机房全年空调负荷恒定，对比不同形式水冷冷水机组性能时基于机组制冷能力不变这个前提条件。
图10所示为不同形式水冷冷水机组在额定制冷量下COP随冷却水进水温度的变化（按冷冻水出水温度7℃）。可以看出，随着冷却水进水温度下降，所有机组的COP都得到改善，但改善程度不同。如前所述，对于容积式压缩的螺杆式冷水机组，因存在∨i与实际运行工况压比不一致，其COP随冷却水入口温度的降低改善并不明显；定频离心式冷水机组，因存在导叶压损，其COP随冷却水入口温度降低的改善不是十分明显。海尔磁悬浮变频离心式冷水机组盒常规变频离心式冷水机组的COP随冷却水入口温度下降而迅速上升，相比之下，磁悬浮因无润滑油带来的传热损失，无增速齿轮传动损失等缺陷，其变工况性能最优，COP可在20以上。
6、数据中心机房采用不同形式冷水机组的经济性分析
为了进一步说明海尔磁悬浮机组与常规机组在数据中心机房使用时的经济性差异，下面以北京地区10000平方米数据中心机房为例说明。
高发热密度的大中型数据中心机房，优先采用水冷式冷水机组进行制冷。采用水冷冷水机组的北方地区数据中心机房，冬季可方便利用室外冷却塔作为冷源，无需开启冷水机组即可对机房进行冷却（free cooling）。
6.1 基础数据
1）空调冷负荷：10000㎡×600 W/㎡=6000kW（1 706USRt）；
2）空调供/回水温度12℃/18℃，冷却水进/出水温度30℃/35℃；
3）环境温度10℃以下不开空调主机，北京年温度低于10℃时间有3 562h，空调主机年开机运行时间5 198h；
4）空调主机选用4台600 USPt水冷冷水机组。
6.2空调主机运行费用计算及投资计算。
不同形式水冷冷水机组运行费用见表3。不同水冷冷水机组方案的投资、投资差价回收期及空调主机30年总投入见表4。
可见，海尔磁悬浮方案运行费用低于常规冷水机组，尽管期初投资高，但高出差价部分回收期均不超过2年。
以上计算为北京地区机房。对于北京以南地区，空调主机年运行时间更长，海尔磁悬浮变频离心机组的经济性更明显。
最后，简单分析一下将现在已运行的数据中心机房空调主机换为海尔磁悬浮机组后对PUE值的改善。
我国现有数据中心目前主要采用定频离心式冷水机组盒螺杆式冷水机组，如果用海尔磁悬浮变频离心式冷水机组取代之，对PUE的改善如表5所示。
可见，采用海尔磁悬浮变频离心机对数据中心机房的PUE改善十分明显，如果我国大中型数据中心均采用海尔磁悬浮机组，2015年将可减少电力消耗约100亿千瓦时。
7 、结束语
通过前面分析可知，海尔磁悬浮变频离心式冷水机组应用于数据中心明显较常规冷水机组更经济，年可节省37%～55%运行费用。并且海尔磁悬浮机组使用寿命长，运行寿命在15万小时以上，较常规产品寿命长一倍，因此海尔磁悬浮机组特别适合像数据中心机房这种年运行时间长、运行工况变化幅度大的场合使用。另外，对于有峰谷电价和热水需求场合，还可与蓄冷、热回收相结合，以进一步提高系统的经济性。
为了推动数据中心的节能减排，工业盒信息化部在《工业节能“十二五”规划》提出，“到2015年，数据中心PUE值需下降8%”的目标。国家发改委等组织的“云计算示范工程”也要求示范工程建设的数据中心PUE值要在1.5以下。
降低PUE值，是一个系统工程，任重道远。为了降低空调系统能耗，采用海尔磁悬浮变频离心式冷水机组作为空调主机为一个行之有效的措施。除此之外，还可从水泵和末端变频控制、系统集中控制、充分利用本地资源优势（如自然冷却）等方面降低能耗。
