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【摘 要】Internet Data Center简称IDC，计算机辅助设备和更多高密度、高功率专业服务器的使用也日渐普及，IDC机房一时间如雨后春笋般大量涌现，但IDC机房能耗也是相当的惊人，这严重制约了IDC业务的可持续发展。针对主机中心能耗问题，以深圳某数据中心项目为例，采用eQUEST分析软件模拟计算建筑负荷特点，据此分析研究IDC建筑节能措施，分析冷却塔免费制冷在夏热冬暖地区的适用性。
【关键词】IDC;eQuest;分析模拟;免费制冷1.建筑概况
本项目为深圳某信息产业园厂房改造数据中心建设，建筑占地面积3115㎡，总建筑面积18615㎡，厂房共有层数6层，每层约3115㎡，主体高度28.35m。一层预留面积1500㎡为后期三联供规划设计，二层～六层为主要数据机房功能，实际可用机柜最大总功率15220KW，按建设投运分期规划考虑部分负载（25%/50%/75%）时的设计需求，配置离心式水冷机组8087KW两台，4044KW两台，配套两大两小冷水泵、冷却泵及冷却塔。
1.建筑能耗模拟计算模型的建立
采用全年8760h的逐时能耗模拟软件eQUEST对该项目进行模拟计算。该软件以DOE-2的算法为内核，DOE-2可以提供整栋建筑物每小时的能量消耗分析，用于计算系统运行过程中的能效和总费用，也可以用来分析围护结构（包括屋顶、外墙、外窗、地面、楼板、内墙等）、空调系统、电器设备和照明对能耗的影响，进而得出方案比选结果。
1.1建筑几何模型
根据项目的平面设计图纸进行几何建模，同时对建筑外立面及内部建筑细节进行简化，分析模型如图所示。
由于是改造项目，原始设计资料缺失，围护结构数据按《公共建筑节能设计标准》规范值要求选取，与模拟软件中的材料库进行匹配，具体参数见表1。
由于本项目外立面几乎没有外窗，暂不考虑遮阳影响。
1.2内部负荷
IDC机房能耗主要分为以下4部分：1.设备（IT设备以及网络通信设备）用电;2.变压器以及供电系统（低压配电系统以及UPS系统）;3.空调制冷系统;4.其他部分：办公设备、照明等。
将整栋楼进行典型区域划分，由于数据机房运行特点，办公监控室及主要机房空间为全年24小时运行，按设计计算及规范取值对模拟软件输入建筑的人员密度、照明负荷及设备负荷。建筑典型区域划分如图2、3，各区域内部负荷见表2。
1.3空调系统运行参数设定
模拟的主要内容为空调系统，设定空调系统运行参数如表4。
2.分析模拟计算
本实例中主要模拟计算的是全年范围内逐时、逐月建筑的冷、热、电负荷变化情况，模拟计算负荷量覆盖全年8760h，根据深圳市夏热冬暖气候条件，由建筑物仿真模型，利用广州典型气象年逐时气象数据进行目标建筑全年负荷计算，如图4出示了本项目全年8760h的建筑能耗计算的结果。
从模拟计算分析结果可以看出其中设备用电、变压器以及供电系统、空调制冷系统这三部分能耗占了IDC机房能耗95%以上，数据中心冷负荷常年稳定，主要由服务器、UPS等散热转化而成的潜热负荷，几乎没有潜热负荷，冬夏季冷负荷相差不大。通过模拟计算可以得到该建筑的一系列能耗指标，100%负载时年总耗电量为113Kwh，由此推算电能利用率。电能利用率（PUE）是国内外IDC普遍采用的一种衡量IDC能效水平的综合指标。电能利用率（PUE）=数据中心总用电量/IT设备总用电量本项目100%负载时全年总PUE为1.35，见图5：
通过模拟得出75%、50%及25%负载时PUE值分别为1.37、1.38、1.41。
3.节能措施
降低数据中心PUE值是现在行业的一大课题，根据上述模拟分析并结合本项目的实际运行情况，提出以下几项节能措施。
1.根据项目分阶段投运需求，冷源采用大小两种规格的高效离心式冷水机组，可根据分期安装特点以及设备负荷变化组合出多种供冷运行模式，合理开启或关闭主机，避免机房冷冻水空调系统“大马拉小车”的现象。在初装时就考虑各种负载开启下的备用设备问题，确保安全运行的通知减免后期加载扩容改造换机浪费。
2.采用变频控制技术，冷水机组、水泵均采用变频控制，实现部分负荷时段的节能运行。
3.提高送回风温度与温差，提升设备运行效率。
4.采用冬季冷却塔供冷自然冷却“免费供冷”，此项措施将在下一章节詳述。
经模拟分析比对，建筑全年能耗由原来的165MKwh下降到152.97MKwh，节能效果明显（未采用冷却塔供冷，在下章详述），分析结果如下图。
4.免费制冷
4.1冷却塔制冷的原理
冷却塔供冷，是一种不使用制冷机的供冷手段（国外称为“免费制冷”free cooling），是指在常规空调水系统基础上增设部分管路和设备，当室外气象参数达到某些特定值，，特别是室外湿球温度低于某个值以下时，关闭制冷机组，将流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷，提供空调需要的冷负荷。
4.2冷却塔供冷的可行性及经济性分析
IDC数据中心的IT设备一年四季均需提供冷源，全年机房内冷负荷变化无季节特点，这一特点为冷却塔供冷提供较大潜力。但本项目位于深圳，属于夏热冬暖型气候，日平均湿球温度小于等于切换温度的理论累计小时数很少，理论供冷天数节能潜力又相对较弱，参考《中国建筑热环境分析专用气象数据及》，可得到在三中冷水供回水温度组合下，冷却塔供冷两种工况在典型措施的供冷时数1、表2，用于数据中心节能分析。笔者在此简单谈一下夏热冬暖地区IDC数据机房免费制冷的适用性。
对于夏热冬暖地区冷却塔供冷最大的问题就是要延长免费制冷或联合制冷的时长，提高室外湿球温度的工况转换点。本项目拟采用水侧免费供冷的方式，考虑到直接自然冷却方式冷水污染造成末端污垢阻塞问题，而闭式冷却塔价格在开式冷却塔的4倍左右，故采用冷却水和冷冻水分别接入板式换热器的间接供冷系统。但与冷却塔直接供冷相比，存在中间换热损失，效率有所降低，常规公共民用建筑板式换热器温差一般在2～3℃，为减小这部分损失，本项目拟采用1℃温差的板换，相对会增加一定的初投费用。系统图如下： 室外湿球温度一定的情况下，冷却塔填料尺寸越大，其出口水温越低，需进一步与甲方协商屋顶设备空间，合理选择冷却塔，最大限度增加供冷时数。在冷却塔单独供冷及联合供冷时，通过对电动阀的开闭实现串联多台冷却塔的方式来增加冷却效果，在部分负载工况下，串联冗余冷却塔，从而增加供冷时数。选择16℃冷却水供水温度作为冷却塔单独供冷工况，16～23℃作为冷水机组和板式换热器联合供冷工况，既可以满足室内冷负荷的要求，又能最大限度增加冷却塔公历时间，从而降低运行费用，达到节能效果。
此外在设计过程中注意冷却水泵的匹配，在直接供冷系统中，冷却水环路中冷水泵应设旁通，在冷却塔供冷时，冷冻泵关闭，此时循环水泵动力由冷却水泵提供。因此，在系统设计时，要考虑转换供冷模式后，冷却水泵的流量及扬程与管路系统的匹配问题。另冷却塔在冬季运行时，室外冷却水管应进行保温，集水盘、室外冷却水管及补水管等需设置电伴热设施，做好防冻措施。
利用eQUST软件建立冷却塔免费制冷节能措施模型进行分析比对，比对结果如下图，分析结果显示采用冷却塔免费制冷后对于本项目全年能耗并没有明显降低，从原来的152.97MKwh变为152.14MKwh。
5.结论
1.采用eQUEST软件可以进行IDC建筑动态负荷变化规律模拟，得到全年逐时PUE，此项数据作为基础数据，对设备性能分析及设备选型提供支持，在空调系统性能预测、空调系统节能措施等方面可以提供准确的分析计算。
2.针对IDC建筑能耗特点进行节能措施分析，通过采用变频控制技术、提高送回风温度与温差等节能措施，将PUE值从原来的1.46下降到1.35，节能效果显著。
3.进一步探究夏热冬暖地区冷却塔免费供冷的适用性，根据深圳市气候特点，全年冷却塔单独供冷小时数几乎没有，联合供冷时间也很少，当100%负载时，夏季PUE峰值为1.376，而冬季采用免费制冷后仅下降到1.35，提高供回水温差需要进一步加大冷却塔容量，此外开式系统需另配板换，将加大设备初投费用，综合评估项目初投资和运行费用，初步分析夏热冬暖地区采用冷却塔免费制冷节能措施经济性较差。
参考文献：
[1] 胡艳军，张雪梅等，基于eQUEST软件的建筑能耗分析方法研究，浙江工业大学学报，2012年2月第40卷第1期
[2] 楊毅，任华华，郝海仙，数据中心冷却塔供冷应用分析，建筑热能通风空调，2014年1月第33卷第1期
[3] 艾勇，IDC机房能耗分析及优化策略，中国电子商务，2013年18期
[4] 王翔，冷却塔供冷系统设计方法，暖通空调，2009
[5] 李志英，冷却塔供冷的应用和分析，制冷技术，2010年第1期
[6] 周义超，吴祥生，郑志勇，夏热冬暖地区公共建筑能耗分析与节能研究，制冷与空调，2008年6月第22卷第3期
作者简介：
丁兆丰 男 1984年4月 汉族 甘肃临洮 中国电子系统工程第二建设有限公司 214028 中级工程师 本科 数据中心
（作者单位：中国电子系统工程第二建设有限公司）
【关键词】IDC;eQuest;分析模拟;免费制冷1.建筑概况
本项目为深圳某信息产业园厂房改造数据中心建设，建筑占地面积3115㎡，总建筑面积18615㎡，厂房共有层数6层，每层约3115㎡，主体高度28.35m。一层预留面积1500㎡为后期三联供规划设计，二层～六层为主要数据机房功能，实际可用机柜最大总功率15220KW，按建设投运分期规划考虑部分负载（25%/50%/75%）时的设计需求，配置离心式水冷机组8087KW两台，4044KW两台，配套两大两小冷水泵、冷却泵及冷却塔。
1.建筑能耗模拟计算模型的建立
采用全年8760h的逐时能耗模拟软件eQUEST对该项目进行模拟计算。该软件以DOE-2的算法为内核，DOE-2可以提供整栋建筑物每小时的能量消耗分析，用于计算系统运行过程中的能效和总费用，也可以用来分析围护结构（包括屋顶、外墙、外窗、地面、楼板、内墙等）、空调系统、电器设备和照明对能耗的影响，进而得出方案比选结果。
1.1建筑几何模型
根据项目的平面设计图纸进行几何建模，同时对建筑外立面及内部建筑细节进行简化，分析模型如图所示。
由于是改造项目，原始设计资料缺失，围护结构数据按《公共建筑节能设计标准》规范值要求选取，与模拟软件中的材料库进行匹配，具体参数见表1。
由于本项目外立面几乎没有外窗，暂不考虑遮阳影响。
1.2内部负荷
IDC机房能耗主要分为以下4部分：1.设备（IT设备以及网络通信设备）用电;2.变压器以及供电系统（低压配电系统以及UPS系统）;3.空调制冷系统;4.其他部分：办公设备、照明等。
将整栋楼进行典型区域划分，由于数据机房运行特点，办公监控室及主要机房空间为全年24小时运行，按设计计算及规范取值对模拟软件输入建筑的人员密度、照明负荷及设备负荷。建筑典型区域划分如图2、3，各区域内部负荷见表2。
1.3空调系统运行参数设定
模拟的主要内容为空调系统，设定空调系统运行参数如表4。
2.分析模拟计算
本实例中主要模拟计算的是全年范围内逐时、逐月建筑的冷、热、电负荷变化情况，模拟计算负荷量覆盖全年8760h，根据深圳市夏热冬暖气候条件，由建筑物仿真模型，利用广州典型气象年逐时气象数据进行目标建筑全年负荷计算，如图4出示了本项目全年8760h的建筑能耗计算的结果。
从模拟计算分析结果可以看出其中设备用电、变压器以及供电系统、空调制冷系统这三部分能耗占了IDC机房能耗95%以上，数据中心冷负荷常年稳定，主要由服务器、UPS等散热转化而成的潜热负荷，几乎没有潜热负荷，冬夏季冷负荷相差不大。通过模拟计算可以得到该建筑的一系列能耗指标，100%负载时年总耗电量为113Kwh，由此推算电能利用率。电能利用率（PUE）是国内外IDC普遍采用的一种衡量IDC能效水平的综合指标。电能利用率（PUE）=数据中心总用电量/IT设备总用电量本项目100%负载时全年总PUE为1.35，见图5：
通过模拟得出75%、50%及25%负载时PUE值分别为1.37、1.38、1.41。
3.节能措施
降低数据中心PUE值是现在行业的一大课题，根据上述模拟分析并结合本项目的实际运行情况，提出以下几项节能措施。
1.根据项目分阶段投运需求，冷源采用大小两种规格的高效离心式冷水机组，可根据分期安装特点以及设备负荷变化组合出多种供冷运行模式，合理开启或关闭主机，避免机房冷冻水空调系统“大马拉小车”的现象。在初装时就考虑各种负载开启下的备用设备问题，确保安全运行的通知减免后期加载扩容改造换机浪费。
2.采用变频控制技术，冷水机组、水泵均采用变频控制，实现部分负荷时段的节能运行。
3.提高送回风温度与温差，提升设备运行效率。
4.采用冬季冷却塔供冷自然冷却“免费供冷”，此项措施将在下一章节詳述。
经模拟分析比对，建筑全年能耗由原来的165MKwh下降到152.97MKwh，节能效果明显（未采用冷却塔供冷，在下章详述），分析结果如下图。
4.免费制冷
4.1冷却塔制冷的原理
冷却塔供冷，是一种不使用制冷机的供冷手段（国外称为“免费制冷”free cooling），是指在常规空调水系统基础上增设部分管路和设备，当室外气象参数达到某些特定值，，特别是室外湿球温度低于某个值以下时，关闭制冷机组，将流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷，提供空调需要的冷负荷。
4.2冷却塔供冷的可行性及经济性分析
IDC数据中心的IT设备一年四季均需提供冷源，全年机房内冷负荷变化无季节特点，这一特点为冷却塔供冷提供较大潜力。但本项目位于深圳，属于夏热冬暖型气候，日平均湿球温度小于等于切换温度的理论累计小时数很少，理论供冷天数节能潜力又相对较弱，参考《中国建筑热环境分析专用气象数据及》，可得到在三中冷水供回水温度组合下，冷却塔供冷两种工况在典型措施的供冷时数1、表2，用于数据中心节能分析。笔者在此简单谈一下夏热冬暖地区IDC数据机房免费制冷的适用性。
对于夏热冬暖地区冷却塔供冷最大的问题就是要延长免费制冷或联合制冷的时长，提高室外湿球温度的工况转换点。本项目拟采用水侧免费供冷的方式，考虑到直接自然冷却方式冷水污染造成末端污垢阻塞问题，而闭式冷却塔价格在开式冷却塔的4倍左右，故采用冷却水和冷冻水分别接入板式换热器的间接供冷系统。但与冷却塔直接供冷相比，存在中间换热损失，效率有所降低，常规公共民用建筑板式换热器温差一般在2～3℃，为减小这部分损失，本项目拟采用1℃温差的板换，相对会增加一定的初投费用。系统图如下： 室外湿球温度一定的情况下，冷却塔填料尺寸越大，其出口水温越低，需进一步与甲方协商屋顶设备空间，合理选择冷却塔，最大限度增加供冷时数。在冷却塔单独供冷及联合供冷时，通过对电动阀的开闭实现串联多台冷却塔的方式来增加冷却效果，在部分负载工况下，串联冗余冷却塔，从而增加供冷时数。选择16℃冷却水供水温度作为冷却塔单独供冷工况，16～23℃作为冷水机组和板式换热器联合供冷工况，既可以满足室内冷负荷的要求，又能最大限度增加冷却塔公历时间，从而降低运行费用，达到节能效果。
此外在设计过程中注意冷却水泵的匹配，在直接供冷系统中，冷却水环路中冷水泵应设旁通，在冷却塔供冷时，冷冻泵关闭，此时循环水泵动力由冷却水泵提供。因此，在系统设计时，要考虑转换供冷模式后，冷却水泵的流量及扬程与管路系统的匹配问题。另冷却塔在冬季运行时，室外冷却水管应进行保温，集水盘、室外冷却水管及补水管等需设置电伴热设施，做好防冻措施。
利用eQUST软件建立冷却塔免费制冷节能措施模型进行分析比对，比对结果如下图，分析结果显示采用冷却塔免费制冷后对于本项目全年能耗并没有明显降低，从原来的152.97MKwh变为152.14MKwh。
5.结论
1.采用eQUEST软件可以进行IDC建筑动态负荷变化规律模拟，得到全年逐时PUE，此项数据作为基础数据，对设备性能分析及设备选型提供支持，在空调系统性能预测、空调系统节能措施等方面可以提供准确的分析计算。
2.针对IDC建筑能耗特点进行节能措施分析，通过采用变频控制技术、提高送回风温度与温差等节能措施，将PUE值从原来的1.46下降到1.35，节能效果显著。
3.进一步探究夏热冬暖地区冷却塔免费供冷的适用性，根据深圳市气候特点，全年冷却塔单独供冷小时数几乎没有，联合供冷时间也很少，当100%负载时，夏季PUE峰值为1.376，而冬季采用免费制冷后仅下降到1.35，提高供回水温差需要进一步加大冷却塔容量，此外开式系统需另配板换，将加大设备初投费用，综合评估项目初投资和运行费用，初步分析夏热冬暖地区采用冷却塔免费制冷节能措施经济性较差。
参考文献：
[1] 胡艳军，张雪梅等，基于eQUEST软件的建筑能耗分析方法研究，浙江工业大学学报，2012年2月第40卷第1期
[2] 楊毅，任华华，郝海仙，数据中心冷却塔供冷应用分析，建筑热能通风空调，2014年1月第33卷第1期
[3] 艾勇，IDC机房能耗分析及优化策略，中国电子商务，2013年18期
[4] 王翔，冷却塔供冷系统设计方法，暖通空调，2009
[5] 李志英，冷却塔供冷的应用和分析，制冷技术，2010年第1期
[6] 周义超，吴祥生，郑志勇，夏热冬暖地区公共建筑能耗分析与节能研究，制冷与空调，2008年6月第22卷第3期
作者简介：
丁兆丰 男 1984年4月 汉族 甘肃临洮 中国电子系统工程第二建设有限公司 214028 中级工程师 本科 数据中心
（作者单位：中国电子系统工程第二建设有限公司）