探索數據中心空調系統的節能

朱慧賓

(中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)智能工程中心，北京 100044)

隨著信息化程度的不斷深化，人們在生產、生活以及相互交流中時刻都需要進行信息數據的獲取及處理,這就對數據處理業務提出更大更多的需求。因此，數據中心的建設進入了快速增長期，能源消耗也隨之快速增長。暖通空調設備肩負著數據中心數據處理設備冷卻的重任，是保障數據中心正常運行必不可少的一部分。數據中心服務器能耗約占數據中心總能耗的46%，數據中心空調系統能耗約占31%。如何在保障數據中心穩定運行的前提下，減少空調系統能耗成為暖通空調設計師的首要任務。暖通空調系統節能技術多樣，例如變頻技術、熱泵技術等，但在數據中心如何應用，應用哪些技術可行，能否滿足整個數據中心系統安全要求，對相關專業水、電、自控的技術要求能否滿足各自專業對數據中心設計要求等提出了諸多問題。本文就近年來工程設計中對大型數據機房建設提出的部分節能措施做簡要介紹。

1 采用合理冷源系統形式

對不同的數據中心項目應根據其項目的建設地點、項目規模、市政條件、氣象條件、IT規劃需求、數據中心建設標準、數據中心運行維護水平等多方面因素去權衡空調系統采用何種形式。目前為止，關于數據中心的節能措施、節能概念及相關術語已經出現很多。但是，使用最廣、認可度最高的一個術語是能源使用效率，即PUE。對于現有數據中心，能源節省方案在于實施相應節能措施，降低數據中心PUE。對于新建數據中心，重要的是選擇最有效的系統架構和組件，在合適的條件下實現自然冷卻，并結合所有最好的節能措施。不同空調系統的PUE統計數據見圖1。

圖1中，Air Cooled DX Plant為風冷直膨空調；Water Cooled Plant為水冷式冷凍站；Evaporative Cooled Plant Water-Side Economizer為蒸發式冷卻與水側節能器；Strict Airflow Management為嚴格的氣流管理；Water-Cooled Racks Air-Side Economizer為水冷機柜與風側節能器；PUE，能源使用系數=數據中心總能耗/IT總能耗。

圖1 數據中心不同空調系統的PUE

在權衡數據中心PUE大致標準區間后，再針對該空調系統形式選擇具體的節能措施。對于新建的數據中心常用的冷源方案有如下幾種：

1)水冷冷水機組+自由冷卻；

2)風冷冷水機組+自由冷卻；

3)自帶冷源式風冷空調機組+自由冷卻；

4)全空氣空調機組+風冷自由冷卻。

對于第1)種冷源系統方案，其系統構架形式也是種類多樣，但經過部分工程測算，其PUE值可達到1.4～1.5，本文針對該系統的部分具體節能措施做簡要的概述。其余系統的具體節能措施就不再介紹了。

方案1)的部分措施如下：

1)數據中心的水冷冷水機組單獨設置，與建筑內其他非關鍵設施所需的冷水系統分離，可以提高數據中心的冷水供水溫度，從而顯著提高冷水機組的運營效率。

2)為水冷冷水機組配備變頻器，從而可以選擇以最高效率運行。

3)采用制冷機在部分負載條件下運行的策略，可以優化制冷機效率。

4)優化冷卻水管路的控制策略，可以使制冷機的效率最優化。

5)降低冷卻水溫度可以顯著提高制冷機效率，在氣候允許的情況下，在20℉～30℉(11℃～17℃)范圍內，設定冷卻水供水溫度。這將提高制冷設備的效率并為自然冷卻創造更多的機會。定速冷卻器在每1℉(0.6℃)下的節能量為0.75%～1.25%，變頻冷卻器為1.5%～2%。另外，冷卻塔的保養工作不到位會縮短其壽命，甚至產生大筆維修費用，而且產品穩定性也會受到影響。

6)為冷卻塔配備變頻器可以減少風機能耗。如果設備不以自然冷卻形式工作，在全部設備節能10%～20%情況下，與定速冷卻器相比，冷卻器可達到20%～30%的節能效果。

7)冷水泵使用變頻器，以減少水泵能耗。

8)自然冷卻設計可以充分利用室外天然冷源，以節省冷水機組運行費用。自然冷卻系統由冷卻塔、板式換熱器、冷卻水泵及所需配件組成。設計冷水供回水溫度為12℃/18℃，當冷卻水供水溫度低于16℃時，轉換至自然供冷模式，此時為部分自然冷卻模式；當冷卻水供水溫度低于10℃時，制冷機停機，為全部自然冷卻模式。

9)為冷凝器設置在線清洗裝置，通過電氣控制器控制清洗頻率，保證冷凝器的清潔度，降低污垢熱阻，提高傳熱系數，降低制冷機能耗。

因此，合理選擇冷源方案，直接影響到數據中心的PUE值和運維成本，對整個數據中心的節能有著十分重要的意義。

2 數據中心的環境標準是節能的核心

2.1 溫濕度要求

數據中心通常包括主機房、設備機房、輔助機房和管理用房。各類房間根據使用性質的不同，對室內溫度、相對濕度和空氣潔凈度的要求也不同。目前國內暖通空調設計中，數據中心主機房和設備機房環境溫度、相對濕度值遵循的是《電子信息系統機房設計規范》(GB 50174-2008)中的規定值，有的也參考美國ASHRAE(美國暖通制冷空調工程師協會)發布的《ASHRAE Environmental Guidelines for Datacom Equipment2011》中推薦的溫度、相對濕度值，見表1。2011年12月中國工程建設標準化協會信息通信專業委員會數據中心工作組推出的《數據中心機房空調系統技術白皮書》推薦使用表1中的溫濕度設置標準。對于耗能大戶的數據中心，主機房設置的環境溫度越高，空調制冷量可相對減少，空調耗能也就相對降低了。

表1 主機房的環境要求

2.2 新風要求

機房新風主要作用為：提供足夠的新鮮空氣，為工作人員創造良好的工作環境；維持機房正壓，避免灰塵進入，保證機房有更好的潔凈度。新風系統的節能需要從以下幾方面入手：

1)新風量的計算，需采用不同的計算方法，如換氣次數法、壓差法、風速法等，對比計算結果，合理選定新風量。

2)機房設備安裝完畢后，管線穿墻縫隙的封堵要嚴密，做到機房漏風量最小，減少新風的供給。

3)夏季新風除去室內含濕量等即可送入機房，無需深度除濕，達到防結露要求即可。冬季新風送風加熱也是達到防結露要求就行。

4)數據中心選址時要做好室外空氣質量調研，提前確定腐蝕氣體類型，對比選擇化學過濾方法，盡量降低風阻，減少新風機組風機能耗。

3 氣流組織設計的節能手段

3.1 主機房內的細節處理

在設計中經常會產生以下幾個方面的問題，從而使空調制冷無法充分發揮作用，導致機房熱點的產生。

1)保證來自地板柵格的氣流風速不會過高以及超越機柜的高度。

2)減少來自地板下方限制氣流向服務器流動的各種阻礙，努力最小化各種阻塞的因素。

3)密接好線纜穿出地板的部分并密封好任何其他開口處。

4)將CRAC/CRAH單元與熱風通道保持垂直。

5)應讓多孔磚與CRAC/CRAH單元之間的距離在6′以上。

6)考慮采用物理辦法來隔離進風(冷)和回風(熱)。

7)考慮在回風氣流低于天花板時，安裝一個吊頂回風壓力通風系統。

8)將熱風回路置于熱風通道并盡可能靠近IT設備的排氣口。

9)合理化的布局，比如冷風通道/熱風通道的布置。

10)機架到天花板之間的距離。

11)活動地板的高度應通過計算確定，風速不宜過大。

12)選擇穿孔地板類型時，應綜合考慮布置位置和透風率，并且選擇帶風閥的穿孔地板以便日后進行風量平衡調試；根據機柜的冷量計算所需風量，以2 m/s的速度計算穿孔板所需的截面積，從而確定穿孔板的數量。吊頂回風格柵的設置遵循同樣原則。

3.2 CFD模擬

借助計算機CFD氣流模擬軟件，建立主機房模型，可對精密空調臺數、設置位置、風口開孔率、架空地板高度及3.1中的問題進行計算分析，找到最合理、最節能的處理方案。以某工程項目主機房模擬結果為例，利用CFD模擬幫助暖通設計人員在設計階段分析方案的合理性，避免氣流組織設計的錯誤發生。

機房空調機組的選擇有兩種方式，機組的基本信息對比如表2所示。

表2 空調機組信息

設計工況下，兩種方案各臺空調的負荷率如圖2和圖3所示，150kW機組方案總額定制冷量為750kW，各空調的負荷率為90.6%～94.2%；120kW機組總額定制冷量為840kW，各空調的負荷率為82.0%～85.7%，在現有機組布置情況下，120kW機組制冷量余量較大，可以滿足進一步增設服務器的需求。

圖2 150kW空調機組使用率圖

圖3 120kW空調機組使用率圖

沿高度方向各機柜最大進風溫度如圖4和圖5所示，可以看出，120kW機組方案沿機柜高度方向，整體都基本處在一個較低的送風溫度范圍內。

圖4 150kW空調機組地板送風溫度分布圖

圖5 120kW空調機組地板送風溫度分布圖

房間溫度分布如圖6和圖7所示。

圖6 150kW空調機組地板上方1m處溫度截面圖

圖7 120kW空調機組地板上方1m處溫度截面圖

各送風孔板出口送風量如圖8和圖9所示，靠近精密空調的孔板處，由于風速較大，此處送風氣流動壓大，靜壓小，靜壓小于環境壓力時，孔板處不易出風，會造成該處位置機柜熱量難以排走，局部溫度過高。120kW機組方案送風量過低的孔板數目要小于150kW機組方案，同時，在相同送風溫度(17℃)下，120kW機組方案送風量較大，故而回風溫度較低，機房整體溫度較低。最終根據對比選用第二種方案。

圖8 150kW空調機組地板送風口風速圖

圖9 120kW空調機組地板送風口風速圖

4 空調系統的控制對節能意義重大

典型的數據中心冷源站房中制冷機、水泵及冷卻塔是能耗最大的設備，他們通常是全年7×24h，(共8 760h)運行。這就為控制策略提供了最大的節能潛力。設計一個能做出快速反應和高可靠性運行的控制系統，使各能耗設備均能在高效點運行，協調工作成為暖通設計師與自控設計師共同的目標。空調系統節能控制中主要包括：部分負荷運行、冷源工況切換、主機房精密空調集中節能控制等。

4.1 部分負荷運行

數據中心節能的最有效方法是減少機房精密空調壓縮機或冷源站房冷機壓縮機運行的臺數或運行時間。在數據中心初期IT業務發展階段，機房負荷沒有達到設計工況時，規劃好空調的運行，減

作者簡介

朱慧賓

2003年畢業于太原理工大學建筑環境與設備工程專業，高級工程師，暖通空調專業注冊公用設備工程師。現供職于中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)智能工程中心，目前主要從事數據中心項目暖通專業的設計工作。社會兼職：中國勘察設計協會建筑環境與設備分會北京市委員會副秘書長；《暖通空調》特邀通訊員。完成的主要大、中規模工程有廣東東莞日月星城、合肥機場航站樓、大連星海國際酒店等。獲獎項目：東莞新世紀星城一期(2009年東莞市優秀工程設計二等獎)，中國民生銀行總部基地數據中心(中國計算機用戶協會機房設備應用分會2011年度數據中心優秀設計方案獎)，中國建設銀行北京生產基地數據中心(中國計算機用戶協會機房設備應用分會2013年度數據中心優秀設計方案獎)。

少耗能大的設備的運行時間，使所有設備均能在高效點運行是行之有效的辦法。例如：

1)在低負荷工況下減少壓縮機開啟時間，利用蓄冷罐超大容量(與初期蓄水量相對比)的冷水儲存，為系統盡可能長時間提供所需冷量。但前提是要保證系統的可靠及穩定運行。這種方法需對比初期負荷量與冷機設置量、初期持續制冷量需求與蓄冷罐儲冷量、冷機開停機時間等方面的問題，綜合考慮判斷后才可以使用。

2)所有風機和水泵應考慮有變速裝置。通常，風機和水泵的輸入功率與轉速的立方成正比。風機轉速降低10%，能耗降低27%；若轉速降低20%，能耗就降低49%。

4.2 冷源工況切換

根據當地氣候條件不同，制冷系統可在制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻三種模式下運行，模式的轉換由主控制器根據室外空氣濕球溫度及穩定性，冷卻塔風機單元的負荷，冷機及板式換熱器的運行狀況來綜合確定。

4.3 機房精密空調機集中節能控制

為同一IT機房服務的多臺機房精密空調機需

要有群控功能，控制系統可以根據現場情況，將空調設備聯動與群控，保證每臺空調均能在高效點工作，在保證供冷效果不變的前提下，整體能耗保持最低。這還需要暖通設計師利用計算機CFD軟件提前模擬多臺不同空調聯合運行時的送風及制冷效果，將不滿足要求的多臺機房精密空調機組合形式從控制系統中排除。

5 結束語

綜上所述，數據中心的建設離不開暖通空調，數據中心的節能建設更離不開暖通空調。建設一個PUE最低、最節能的數據中心，需要全面考慮，在確定合理的方案下，抓住方方面面的細節，利用新的技術，搭建一個可靠、現代、綠色的數據中心。

[1] 任兵等譯.數據通信設施節能最佳實踐(原著第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[2] 中國工程建設標準化協會信息通信專業委員會數據中心工作組.數據中心機房空調系統技術白皮書,2011.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.電子信息系統機房設計規范(GB 50174-2008)[S].北京:中國計劃出版社,2009.