Google数据中心PUE——笑傲江湖的独孤九剑(六)
2022年01月20日

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独孤九剑第六剑


破掌式:破解诸般拳脚指掌上功夫,长拳短打、擒拿点穴、鹰爪虎爪、铁沙掌种种拳脚功夫。

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前章(第五篇)文章讲述了Google数据中心冷冻站设置多台冷水机组,来保证冷水机组高效运行,同时尽量降低冷却水温和采用变频离心冷水机组。本章(第六篇)主要讲述Google数据中心如何充分利用自然冷源。

对于变频离心冷水机组而言,其压焓如下所示:


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冷水机组通过压缩制冷剂来完成整个制冷循环,在制冷循环过程中,若出现如下工况,冷水机组的润滑油会逐步溶解在冷媒中,导致冷水机组无法正常工作,其恶劣的制冷工况主要情况如下:

  • 冷冻水的出水温度贴近冷却水进水温度,导致冷凝温度和蒸发温度接近。
  • 冷水机组负载率比较低。
  • 冷却水温度比较低。当冷却水温度低于20℃,会导致润滑油和冷媒分离困难。

由于此运行工况为数据中心过度季节运行过程中的典型工况,时间比较长(约占全年15%)。以数据中心实际运行的常用冷冻水工况(15/20℃)为例,过渡季节常遇到水温参数如下图所示:


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目前国内给出的解决方案:要求冷水机组厂家配备自动控制箱,过度季节通过降低冷却水流量,提高冷水机组冷凝压力,保证机组安全运行。

实际运行工程中无法实现的原因:

  • 冷水机组自动控制冷却侧电动阀门后,无法和系统进行联动。

  ▶ 系统开启过程中,需要先开启阀门和水泵,然后才

      能开启冷水机组。

  ▶ 系统关机过程中,需要先关闭冷机、水泵、然后再

      关闭阀门

  • 系统停机过程中,阀门的状态无法进行测试和监控,存在安全隐患。

最佳的解决方案,是采用磁悬浮冷水机组,冷水机组内部无需润滑油循环设备,可以解决冷水机组跑油的相关问题。如下图所示冷水机组油位示意图:


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磁悬浮冷水机组由于价格原因(约为离心机组的2倍),目前数据中心通常采用如下二种低成本的解决方案:

  •  每个制冷单元设置2台冷却水泵,冷机冷却水泵通过旁通阀调节冷水机组的冷却水进水温度。

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此方案的优点:

       ▶  能充分的利用自然利用
       ▶  投资比磁悬浮冷水机组低
       ▶  需要增加水泵投资和增加机房的占地面积

  • 每2套制冷单元设置3组冷却水泵


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此方案一般应用于冷冻侧为大温差(8℃),冷却侧小温差(5~6℃)系统,可以保证板式换热器两侧流量基本相当,增加板式换热器的效率。

此方案的优点,当系统总体负载率不高于70%时:
▶  可以增加过渡季节板式换热器面积,充分利用自然源
▶  可以增加冷却塔的开启台数,充分利用自然冷源
▶  降低水泵投资
此方案的缺点:

  • 控制系统相对比较复杂


以北京地区的气象参数为例:

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目前国内常用的空调系统,为了节省投资。通常情况下,过渡季节无法充分利用自然冷源。

在湿球温度(6~10℃,共1034h)区间范围内,由于冷却水温比较低,冷水机组无法正常运行。实际运行过程中,通常会调高冷水机组出水温度,导致每年约有12%的时间内,自然冷源会浪费掉,大大降低了系统自然冷源的使用时间。
总体而言,目前随着系统供回水越来越高,自然冷源使用时间会大大延长,为了充分利用过度季节的自然冷源,后续的空调系统会逐步改善过度季节自然冷源的利用:

  • 采用磁悬浮冷水机组,充分利用低冷却水温的高能效优势

  • 1组制冷单元增加1台冷却水泵,通过温度调节保证离心式冷水机组正常运行和节能效果

  • 2组制冷单元增加1台冷却水泵,通过有效的控制逻辑,来降低成本的同时,保证系统充分的节能性(过渡季节可以增加冷却塔和板式换热器的换热能力)


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