談數據中心的空調節能方案

朱家楨

(東莞市依仕實業投資有限公司，廣東東莞 523000)

現代網絡信息技術發展迅猛，人類社會對它的需求和依賴與日俱增，云計算數據中心的建設正步入了一個飛速發展的階段。過去由于這類大型數據中心項目稀少，人們對節能減排的意識不強，導致現在許多地區對該項目都是第一次接觸，因此無論是項目設計、施工還是監理工作，都存在著不同程度的認識不夠、技術欠缺、經驗不足和能力欠佳等問題。筆者有幸在近兩年接連參與了幾項數據中心的設計方案討論、施工過程監督和運行調試檢測工作，針對數據中心空調系統節能問題，在此提出一點粗淺的觀點和看法，僅供業內人士參考。

數據中心的最大特點就是其一旦投入使用，就必須保證它的運行是連續不間斷的，因此對于影響系統正常運行的所有設備、管道乃至冷媒(采用蓄冷罐蓄冷)都應按等級留有相應的備份;數據中心耗電量高，空調冷負荷大，且以數據中心設備發熱量為主，圍護結構冷負荷僅占極小部分，即使在寒冷的冬季也需為其供冷。上述特點決定了數據中心空調專業的節能空間很大(采用冷水機組系統制冷時空調耗電量約占整個中心用電量的25%以上)，空調系統節能設計的好壞直接關系到數據中心運行成本的高低。當前在建和近兩年剛剛投入使用的數據中心，其空調節能主要是采用較大的供回水溫差(一般為6℃)，主系統為中溫水(供水溫度一般為10℃ ～15℃)的雙冷源加冬季板式換熱器節能系統，并輔以二次泵變頻流量控制的節能方案。筆者所述方案主要是冬季(含初春、深秋)采用室外空氣直接為機房設備降溫(簡稱新風直冷)，進而取代板式換熱器節能系統(簡稱板換降溫)的可行性和經濟性。

隨著科技水平和產品質量的不斷提高，近年來數據中心機房冷熱通道的溫度要求也在逐步升高，由原來的16℃/26℃提高到了23℃/33℃甚至更高，這就給我們冬季采用室外自然空氣直接為機房設備降溫帶來更大的空間。本文就以冷熱通道要求23℃/33℃為例來進行下一步探討，理論上只要室外空氣溫度降低到了23℃以下，即可采用室外空氣直接為其降溫。在我國大部分地區全年有50%以上的時間氣溫都在23℃以下，即便是廣東、福建南部等夏熱冬暖地區全年也有30%以上的時間在23℃以下。當然，為確保室內環境的潔凈度，必須做好新風系統的防塵凈化措施，同時配備相應的除濕、加濕設施，以便在濕冷或干冷的氣候條件下保證設備環境相對濕度要求。

新風直冷系統在實際操作中可將室外氣溫23℃這一界限略作調整，如22℃～18℃。這不僅與系統配置的新風設備大小有關，還與當時當地的室外空氣濕度和潔凈程度有關。如果空氣濕度過大或者過小，應適當降低界限溫度，減少新風量，加大回風量。以免為確保室內濕度而過分增大系統的除濕量和加濕量。如果當時當地的室外空氣潔凈度較差(霧霾、風沙等天氣)，也應降低界限溫度，減少新風量以減輕濾塵設施的壓力。當然偶遇極其惡劣的天氣，可暫停使用新風直冷系統，改由冷水機組供冷。新風直冷系統的冷通道溫度可根據室外溫度的變化通過調節新回風比例來進行控制。

下面就以某T3級數據中心為例，對上述兩種空調節能方案在滿負荷節能系統全力運行時的投資與運行狀況做一概要分析對比:

1)水泵運行參數對比表見表1。

表1 水泵運行參數對比表

2)冷卻塔運行參數表見表2。

表2 冷卻塔運行參數表

3)機房正壓新風空調柜運行參數表見表3。

表3 機房正壓新風空調柜運行參數

4)板式換熱器參數及總價匯總表見表4。

表4 板式換熱器參數及總價匯總表

5)空調末端設備及新風直冷需增加的通風設備(估算)。

按冷量3 000 kW/臺×4臺=12 000 kW總負荷，單臺冷量150 kW/臺來折算空調末端設備臺數:共計12 000/150=80臺，每臺風量按30 000 m3/h，據此新風直冷系統需增設通風柜概算見表5。

表5 新增通風柜概算表

6)新增通風管系統，通風柜配套電氣設備管線造價(估算)。

新增通風管系統造價:約140萬元。

新增通風柜配套電氣設備管線造價:約50萬元。

7)板式換熱器連接水管及閥門管件造價:約80萬元。

綜合上述情況分析對比如下:

a.節能角度對比:板換降溫系統運行功率需628+176+22=826 kW。而新風直冷系統的運行功率為440 kW。其余設備耗電量二者相同，二者相差826－440=386 kW，顯然后者較前者更為節能。

b.運行費用比較:板換降溫較新風直冷系統每月多用電費(按1.0 元/度計算)，386 kW ×24 h/d ×30 d×1.0 元/度 =277 920元≈27.8萬元，但后者較前者每月多用過濾器清潔更換費用約8萬元(估算)，因此前者較后者每月多用運行費用為:27.8 －8=19.8萬元。

c.初期投資比較:板換降溫系統約需投資100+80=180萬元，新風直冷系統約需投資:140+110+50=300萬元。即后者較前者多投資300－180=120萬元。

基于以上三個方面的分析對比，新風直冷系統在初期投資上雖然較板換降溫系統多120萬元，但因為在運行費用方面新風直冷較板換降溫系統每月少用約19.8萬元，故在系統投入冬季節能運行6個月(120萬元/19.8萬元/月≈6月)后即可將后者多投資的120萬元收回(當然實際運行時系統不可能始終處于滿負荷的工作狀態，因此實際的資金回收期應更長一些)，所以新風直冷是一個非常值得投資的節能方案。

由于板換降溫需利用室外空氣經冷卻塔使冷卻水冷卻，冷卻水再經板式換熱器傳遞至冷凍水，再由冷凍水經空調末端設備交換成所需的冷風送入室內。這樣一個復雜的過程需經三次冷熱交換，三次冷熱輸送才能完成，不僅運轉設備多而且輸送距離長，勢必降低了室外空氣降溫的熱效率。而新風直冷則無需如此復雜的冷熱交換和輸送過程，僅用一次輸送即可將室外空氣直接送入室內降溫，提高了室外空氣利用率。當冷通道要求溫度為23℃時，板換降溫方案通常要求室外氣溫應在18℃以下(當然空氣的濕度也會對其產生影響)方可進行節能方式運行，而新風直冷方案只需要室外氣溫達到22℃以下即可運行，因此大大縮短了冷水機組電制冷的年運行時間，從而進一步縮短了新風直冷系統投資回收期(新風直冷較電制冷日節電約6萬度)。不僅如此，它還具備了其他進一步節能運行的特點:

1)即使室外氣溫高于冷通道溫度規定的23℃，只要略低于熱通道溫度(如28℃以下)，且室外空氣質量較好(濕度適中，潔凈度較高)就可以采用大量新風替代回風，經降溫處理后送入室內，以減少冷水機組所需制冷量，從而達到節能的目的。

2)在冬季采暖季節可將熱通道33℃的熱空氣用于辦公、走廊等其他房間的采暖，達到余熱利用的目的。

3)因為新風直冷系統在冬季運行中的介質是空氣而不是水，整個運行過程均為干過程，所以即便室外氣溫在0℃以下，也無需像板換降溫系統那樣必須對室外露天的冷卻塔、冷卻水管道采取電加熱和電伴熱等措施來進行防凍。既節省了這部分的初期投資，也減少了系統的用電量。

綜上所述，筆者認為新風直冷的節能方案較板換降溫節能方案可能更具有推廣性，適用于全國大部分地區。所不同的是，隨著各地區氣候環境的不同，方案設計時應作不同的細化處理，且投資回收時間也有所不同，其新風比的大小與節能運行界限點也不同，實際應用時應根據各地區氣候環境特點的變化而變化。由于該方案在冬季節能運行時需從室外引入大量的新風進行降溫，并需要將大量的余熱排出室外，因此數據中心在選址以及內部工藝布局設計中應引起足夠的重視，做好這兩項工作將使新風直冷節能方案發揮出更大的經濟效益。