香港服务器购买渠道水蓄冷设计基础

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空调系统中的蓄能方式主要有冰蓄能和水蓄能，水蓄能与冰蓄能相比具有以下优势：

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1）水蓄能系统既可以在夏季蓄冷，又可以在冬季蓄热，而冰蓄能系统只能是夏季蓄冷，冬季不能蓄热。

2）蓄冰设备的造价要高于蓄水设备，而蓄冰设备在冬季供热工况时闲置，所以从投资上来说，采用蓄水系统比采用蓄冰系统具有更大的优势。

3）水蓄冷系统机组的效率远远高于冰蓄冷系统，且系统的运行费用更低。冰蓄冷系统中机组在蓄冷工况时蒸发器最低出水温度为-6℃，水蓄冷系统中机组在蓄冷工况时蒸发器最低出水温度为4℃，比冰蓄冷系统出水温度要高10℃，机组的效率比冰蓄冷系统高25%以上。

4）水蓄能系统可以将蓄存的能量尽量用在电力高峰段，且系统的运行费用较低。因为冰蓄冷系统中的蓄冰设备受到融冰率的限制，如冰盘管的最大融冰率为15，也就是说蓄冰设备在每个小时段最多能提供总蓄冷量的15%左右，蓄存的冷量只能慢慢地分摊在各个小时段，不能集中地用在电价最高的时段；而水蓄能系统没有这个限制，可以将蓄存的冷（热）量尽量用在电价最高的时段，这样，可以最大限度地降低系统的运行费用。当然，水蓄能系统需要的蓄水设备体积要远远大于冰蓄能系统的蓄冰设备。

水蓄冷（温度分层型）原理：

温度分层型水蓄冷是利用水在不同温度时密度不同的物理特性使温水和冷水分隔，避免其混合造成冷量损失， 应用散流器避免对流实现温度分层。水在4℃左右时的密度最大，随着水温的升高密度逐渐减小，利用水的这一物理特性，可使温度低的水储存于池的下部，温度高的水储存于池的上部。

水蓄冷系统运行原理说明（无板式换热器的系统）：

（1）主机供冷状态：开启制冷主机，冷冻水泵、电动阀门V1、电动阀门V4，冷却系统开启。

（2）蓄冷管蓄冷状态：开启制冷主机、蓄冷水泵、电动阀门V2、电动阀门V5、电动阀门V7，冷却系统开启。

（3）蓄冷罐供冷状态：开启放冷水泵、电动阀门V5、电动阀门V4、电动阀门V3、电动阀门V6、制冷主机、冷冻水泵和冷却系统关闭。

（4）边蓄边供过程：在蓄冷过程中，启动冷冻循环泵，冷水机组可以向用户供冷，蓄冷槽和主机供冷是两个独立的环路，相互没有影响。

（5）联合供冷过程：在蓄冷槽放冷时，启动冷冻循环泵，联合冷水机组向用户供冷。

JGJ158-2018《蓄能空调工程技术标准》：

3.3.10  水蓄冷（热）系统的设计应符合下列规定：

1  技术经济合理时，水蓄能系统宜采用夏季蓄冷、冬季蓄热；

2  水蓄冷系统应增大蓄冷温差，蓄冷温差不宜小于7℃；

3  水蓄冷宜采用常规制冷机组，水蓄冷温度宜为4℃；

4  水系统设计时，水泵扬程的削减应计入蓄能水槽水位与冷热水输配系统最高点相对位置关系及槽内水体高度影响，输送泵的吸入压头应为正值；

5  蓄能和释能时，蓄能水槽的进水温度宜稳定。

3.3.11  当进行水蓄能系统设计时，蓄冷（热）水槽有效容积应按下式确定：

L=3600Q/K×ρ×с×△t

式中：L，水槽的有效设计容积(m3)；

Q，水槽的有效设计蓄能量(kWh)；

K，在一个蓄能-释能周期内水槽的输出与理论上可利用的能量之比，可取0.85～0.90；

ρ，水的密度(kg/m3)；

c，水的比热容[kJ/(kg·K)]；

Δt，水槽的供回水温差(K)。

3.3.12  水蓄冷（热）系统设计时，水槽设置应符合下列规定：

1  蓄冷水槽与消防水池合用时，消防用水应安全；

2  蓄冷（热）水槽宜与建筑物结构结合，新建建筑宜将水槽与建筑结构一体化设计、施工；

3  蓄冷（热）水槽深度应计入水槽中冷热掺混热损失，水槽深度宜加深；

4  蓄冷（热）水槽冷热隔离宜采用水密度分层法，也可采用多水槽法、隔膜法或迷宫与折流法；

5  开式蓄冷（热）水槽应采取防止或减少环境对槽内水污染的措施，并应定时清洗水系统。

3.3.13  水蓄冷（热）系统设计时，布水器设计应符合下列规定：

1  采用分层法的蓄能水槽，应设置布水器使供回水在蓄能和释能循环中形成重力流，并应保持合理稳定的斜温层；

2  兼有蓄冷蓄热的系统，布水器设计应兼顾蓄冷和蓄热工况；

3  蓄冷（热）水槽内水斜温层宜为0.3m～0.8m；

4  上下布水器形状应相同，布水器应对称于槽的垂直轴和水平中心线，分配管上任意两个对称点处的压力应相等；

5  布水器形状宜为八角形、H形或径向圆盘形等；

6  布水器支管上孔口尺寸与间距应使布水器沿长度方向的出水流量均匀。

蓄冷水槽的设计

分层式水蓄冷原理：

由于水的密度在约3.98℃时最大，而＞3.98℃时，水的密度随着水温的升高而减小。在自然分层水蓄冷中，通过水的密度特性使温度在4～6℃的冷水聚集在蓄水槽下部，而6℃以上的温水自然地聚集在蓄水槽的上部，来实现冷温水的自然分层。在一个自然分层的蓄水槽中，由于温、冷水之间存在温差引起的导热过程，致使在冷、温水分界面附近，冷水温度有所升高，温水温度有所降低，从而形成一个温度过渡层--斜温层。斜温层内水的温度近似呈直线上升。

在蓄冷时，通过水流分布器使低温冷冻水缓慢地从蓄冷池底部流入，高温水从上部被抽出，斜温层在蓄水槽内自下而上逐渐升高。反之，在放冷时，随着高温水不断从上部散流器流入和低温冷冻水不断从下部散流器流出，斜温层在蓄水槽内自上而下逐渐降低。

配水器的设计：

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配水器由开孔圆管构成，分上下2层。上部配水器离水面的距离与下部配水器至水槽底的距离相等。并且上下配水器的形状一样。自然分层水蓄冷系统的配水器必须能够形成一个冷热水混合程度最小的斜温层，还要保证斜温层不被以后发生的扰动破坏。经验证，八角形、水平连续条缝形、径向圆盘形和H形配水器具有良好的自然分层性能。八角形和径向圆盘形从几何形状来说适用于圆柱形水槽，而水平条缝形和H形最适合应用于方形水槽。消防水池形状类似为长方形，因此，采用H形配水器，水平连续条缝形开孔。

蓄冷水进水水流的雷诺数Re会影响有效分层，雷诺数的下限值取决于水槽的构造：对于很短的水槽或者侧壁倾斜的水槽，Re=200；对于深度＞5m的水槽，Re=400~800；对于深度＞12m的水槽，进水口的雷诺数Re＞2000。设计应采用的最大Re=2000，推荐的下限值为Re=850。

Fr弗洛德数是表示作用在流体上的惯性力与浮力之比的无因次准则数。研究表明，若能满足Fr＞1，浮力大于惯性力，就可以较好地形成密度流；但当Fr＞2时，惯性力作用太大，就会引起明显的混合现象。

配水器孔口的流量不均匀将导致水槽内产生涡流。实现均匀的出流速度，必须保证整个分配器管内的静压平衡。若能使任意一根配水器支管上的孔口总面积不大于支管端面积的50％，即可近似满足要求。

蓄水槽内的配水管应设计在对称于水槽的垂直轴和水平面的中心线上，它能在各种情况下保证支管上任意2个相应点处的压力均衡，而且还具有自平衡能力。配水器上的孔口定位方向应该使进入水槽内的流体朝着邻近的水槽底或稍高的水槽表面流出。如果使孔口间的距离略小于孔口高度的2倍，并限制通过孔口的流速，则能使水混合的程度减到最小，通常孔口的水流速度应限制在0.3～0.6m／s。开口角度一般为90°～120°，在夜间低谷电价时段，开单台冷水机组全力制冷，蓄水槽单位时间最大蓄水量为：V=Q／△tpCρ

式中：Q为制冷量，kW；p为蓄冷水的密度，一般取1000kg／m3；△t为蓄冷出水温度与蓄冷进水温度间的温度差，℃；Cρ为冷水的比热容，取4．187kJ／(kg·K)。

取Re=200，配水器有效长度为：l=V／q V／(Re·u)

式中：V为最大流量，m3s；q为单位分配器长度的有效流量，m3／(m·s)；u为水的运动粘度，m2s。

配水器孔口高度可由公式得出：Fri=q／[ghi3(pi-pa)]0.5

式中：g为重力加速度，m／s；h为进水口最小高度，m；pi为进水密度，kg／m ；pa目为周围水密度，kg／m 。

配水器孔口高度的定义：进入蓄冷水槽或者离开配水器时的密度流所占有的垂直距离。对于一个靠近槽底的配水器，此高度即为水槽底至配水器进水口颈

部间的距离。进水口高度应根据Fr=1选择。

蓄冷水槽的绝热和防结露：

蓄冷水池的绝热处理，是保持其蓄冷能力的重要措施之一。在进行绝热处理时，应保证由底部传入热量必须小于由侧壁传入的热量，否则可能会形成水温分布的逆转。诱发对流，破坏水的自然分层。对于消防水池而言，保温材料可采用聚苯乙烯泡沫板，现场螺钉固定或粘接。有条件也可采用聚氨酯现场发泡。

案例：水蓄冷设备在数据中心的多功能联合应用[1]

1工程概况

上海某联通数据中心建筑总面积约为2.15万m2，其中数据中心空调建筑面积为12530m2，工艺冷负荷19173kW。

2 水冷蓄冷技术简介

在水蓄冷技术中，关键的部件是蓄能设备的结构形式应能防止所蓄冷(热)水与回流温(冷)水的混合。为实现这一目的，目前常采用自然分层蓄冷、多设备式蓄冷、迷宫式蓄冷和隔膜式蓄冷方法。其中，自然分层蓄冷方法简单、有效，是保证水蓄冷系统最为经济和高效的方法。

3 方案设计

3.1冷源配置

冷水主机采用1600RT离心式冷水主机6台，4用2备；循环水泵、板式换热器、冷却塔也按4+2进行配置。

空调冷冻水系统设计为二次泵系统，一次泵、板式换热器、冷却塔与冷水机组一一对应，冷冻水二次泵、冷却水泵采用变频水泵，一次管路设计为环路，二次管路为双支路环路，保证系统可在线维护，提高可靠性。设计联系供冷系统，二次泵，精密狂徒机组风机。两路UPS供电。

采用开式蓄冷罐，设置在室外。平时夜间蓄冷罐处于蓄冷状态，充满14℃的冷冻水。平时白天部分电价高峰时段，关闭电制冷机运行，采用蓄冷罐补充供冷，至少可以提供2h的供冷，降低冷机运行费用。当市电断电，制冷系统转入柴机供电，在冷水机组恢复正常运转之前，二次泵，机房精密空调连续运转，蓄冷罐处于供冷状态，提供精密空调机组冷冻水，保证IT机房15min的连续供冷。当蓄冷罐出现故障时，常闭电动阀开启，阀门正常开启信号确认后，可关闭蓄冷供回水管上的电动阀。

3．2蓄冷罐配置

本项目采用开式非承压水蓄冷钢罐，直径14m，总高35.1m，液位高度33m，体积5154m3，供回水温度14～21℃，有效蓄冷量35605kWh，作为数据中心应急冷源及削峰填谷使用。蓄冷罐产品由蓄冷罐专业厂家进行深化设计、生产与施工。

(1)罐体没计。本项目蓄冷罐设计为满足高标准、严要求，采用压力容器标准设计罐体壁板、底板厚良，焊接工艺及探伤等级要求。

(2)蓄冷罐布水器设计。本项目蓄冷罐设计了多种组合式布水器，运用流体动力原理使用CFD专业软件对蓄冷罐的使用状态进行模拟，不断的校核布水器设计参数，使蓄冷罐的有效利用率达列90％以上，保证了蓄冷罐可以高效运行。

4 蓄冷罐在系统中的作用

4.1应急冷源

数据中心保持每年365d，每天24h的常午运行工况，为满足数据中心应急制冷的需求，蓄冷罐可作为应急冷源使用。在数据中心电力故障期间为空调系统提供所需冷量，保障数据中心的安全运行。

根据计算，满足15min应急冷量为：19173×0.25=4793kWh，所需蓄冷罐体积约为700m3。

4.2 削峰填谷

本项目用于削峰填谷的蓄冷罐体积为4454m3，蓄冷量3O8l2kWh，用于谷峰电价运营调优，节约运行费用。利用峰谷电力价格的差异，选择在夜间蓄冷，白天通过蓄冷罐给数据中心制冷的模式进行对比。

5 监测数据分析

水蓄冷罐自2016年5月完工运行至今，通过对蓄冷罐各高度温度的监测可知， 蓄冷罐实际运行工况为14～18℃。通过对蓄冷罐下部2个温度探点(T5、T10)，上部3个温度探点(T20、T25、T30)连续10天的数据统计分析，本蓄冷罐下部水温一直保持在14℃左右，说明下部蓄冷罐一直处于数据中心应急冷源备用状态，上部水温随着时间有规律的在14～18℃变化，夜间温度降低，白天温度升高，说明上部蓄冷罐夜间蓄冷白天释冷，作为建筑物削峰填谷使用。温度变化曲线如图1所示。

图1 蓄冷罐温度变化曲线

统计蓄冷罐T5、T1O、T20、T25、T30，5天的温度变化曲线可知，蓄冷罐下部温度一直稳定在14℃左右波动，蓄冷罐上部温度变化在14℃和18℃区间变化，说明上部分蓄冷罐处于释冷和蓄冷工况。

6 节约运行费用估算

15min应急冷负荷为：19173×0.25=4793kWh；冷水机组参数：制冷量5627kW，耗电功率776kW，COP为7.25；削峰填谷冷负荷为：30812kWh，耗电量为4250kWh。

本项目峰谷电价笔约为O.9元／kwh，所以每日节约运行费用3825元。数据中心在冬季可采用自然冷源进行自由冷却，上海地区自由冷却时间约为84天，采用电制冷的时间为28l天，则年节约运行费用107.5万元。

7 结论

蓄冷技术在数据中心的应用，不仅可作为直急冷源使用，条件允许的情况下，也可以作为实现电力削峰填谷功能使用。蓄冷技术削峰填谷功能将会在未来的数据中心冷却系统中占据主流，随着数据中心空调能耗的日趋增长以及很多数据中心项目配置2N系统，利用备用机组在电价低谷时段蓄冷，白天电价高峰时段释冷是平衡电网负荷，降低数据中心运行费用的新举措。

所以，在数据中心空调设计中，合理科学地应用水蓄冷技术，可以提高数据中心在运行使用过程中的节能效果，提高数据中心的PUE值。

[1] 本段节选自《水蓄冷设备在数据中心的多功能联合应用》，作者：邹元霖 高青 蔡宇 王志刚 北京英沣特能源技术有限公司。

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