數據中心制冷系統冷源選擇及能效分析

康健

摘要：本文針對我國不同氣候區的氣候特點，以某中等規模數據中心為例，對風冷式直接蒸發系統和水冷式冷水機組系統兩種常用的數據中心制冷系統進行了能效分析，量化給出了季節性和區域性氣候差異對數據中心制冷系統的能效影響，分析了風冷式和水冷式系統在不同氣候區的應用優勢。對一種將熱管循環與蒸氣壓縮制冷循環相結合的復合型自然冷源系統進行了運行測試，計算給出了不同氣候區自然冷源的可用時間和節能潛力，分析結果可用于數據中心選址以及其制冷系統的優化設計。

關鍵詞：數據中心；制冷系統；自然冷源；氣候類型；能效分析

1、前言

本文針對不同類型數據中心制冷系統的冷源特點，建立了數據中心制冷系統的能效模型，結合我國不同氣候區的氣象數據，計算給出了不同類型制冷系統在各氣候區域的能效水平及波動范圍，分析給出了不同類型數據中心制冷系統隨季節和氣候特點的變化規律，并歸納給出了不同類型數據中心制冷系統的適用地域范圍，計算結果可為數據中心的因地制宜規劃設計提供參考。

2、建筑氣候區劃圖及區劃標準

近年來，我國大數據產業蓬勃發展，數據中心等基礎服務設施的需求量急劇增大。與傳統建筑空間相比，數據中心散熱密度大，單位面積散熱量可達傳統辦公區域的40倍以上，IT設備的散熱特點導致數據中心熱點分布不均勻，同時，設備的安全性需求提高了對內部空間溫濕度和潔凈度的要求。數據中心熱環境特點需要數據中心設計成全封閉的結構，依靠制冷系統的全年運行來達到控溫控濕的目的，這使得制冷系統能耗成為數據中心能耗比例不合理的一個重要原因。 目前我國數據中心常用的制冷系統包括風冷式直接蒸發系統和水冷式冷水機組系統兩種，不同類型制冷系統能耗隨所處氣候類型差別較大，在評價數據中心能效水平時，需綜合考慮數據中心所處地區氣候特點等因素，使能效指標具有更加實際的指導意義。我國數據中心標準組在2015年公布了國家標準《數據中心資源利用與測量方法》征求意見版，該標準草稿給出了考慮氣候類型和制冷形式等因素的數據中心能效評價指標，意在引導數據中心因地制宜選擇合適的制冷方案，充分發揮相應地區的氣候優勢。

我國地域遼闊，不同地區的全年氣溫、濕度差別很大，按照GB 50178-1993《建筑氣候區劃標準》l31我國可分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和五個氣候區。

3、某數據中心案例能耗分析

本文以某中等規模數據中心為例進行能耗分析，該數據中心位于我國夏熱冬冷地區，IT設備發熱密度約為1.4 kW/m2，測試分為兩日進行，分別對夏季典型日機房模塊、獵頭柜（UPS電池配電柜）、水冷機組、水泵、冷卻塔和機房精密空調等的用電狀況及輸配系統相關溫度進行了測試叫，得到了該數據中心內部模塊和制冷系統的單日用能特點、運行效率和冷卻效果。

為分析數據中心制冷系統的能效，需計算給出數據中心內部環境熱負荷，包括IT設備、UPS、配電系統和照明系統等，根據2003年可計算得出該數據中心測試模塊總發熱量與IT設備耗電量之比約為0.21，在后續的制冷系統模型計算中也將采用該數值進行整體能效計算。

4、數據中心制冷系統能耗模型

常用的傳統數據中心制冷系統主要包括風冷式直接蒸發冷卻方案和水冷式冷水機組方案兩種，兩種方案采用不同的冷源形式，在實際運行效果以及電力資源和水資源消耗上各有優劣。雙冷源復合式制冷方案充分引入自然冷源，可在保證數據中心內部各項熱環境指標的同時有效降低數據中心能耗。

水冷式冷水機組采用冷凍水機組或帶自然冷源的冷水機組提供的冷凍水作為冷源，實現熱量由室內到室外的搬運。該系統一般由機房空調末端、冷水機組、冷卻塔、水泵、管路及其他附件組成，可實現冷量的遠距離輸送，并有效節省安裝空間。國家標準GB/T 19413-2010給出了水冷式機房空調的試驗測試工況，如表3所示，水冷式系統五個工況包括了四個壓縮機驅動的冷水機組運行工況和一個利用冷卻塔自然冷源的工況。

4.3自然冷源的復合式制冷方案

引入白然冷源的復合式制冷系統將重力驅動熱管循環與蒸氣壓縮制冷循環相結合，在夏季溫度較高時開啟蒸氣壓縮制冷模式為數據中心提供冷量，在冬季室外溫度較低時開啟重力驅動熱管模式，充分利用室外自然冷源對數據中心進行散熱，過渡季節則由蒸氣壓縮制冷循環和重力驅動熱管循環同時運行提供數據中心所需冷量。本研究對如圖2所示的復合式制冷系統進行了實際運行測試。

5、結果與分析

5.1季節性與地域性氣候差異分析

結合上述能效測試結果與我國不同地區逐時氣象數據，可對不同氣候區數據中心制冷系統能耗指標CLF進行模擬計算，我國大部分地區氣候分明，在除溫和地區之外的其他氣候區，逐時氣象數據存在明顯的季節性波動，表現為數據中心制冷系統能耗在夏季存在明顯的峰值，在冬季呈現明顯的谷值，且波動情況由北到南逐漸變緩。數據中心制冷系統能耗總體趨勢表現為由北向南隨緯度的降低逐漸升高，體現在為以哈爾濱為代表的嚴寒地區制冷系統能耗最低，其次為以北京為代表的寒冷地區，以廣州為代表的夏熱冬冷地區制冷系統能耗最高。在進行數據中心的具體規劃選址時，應當在滿足數據中心功能和市場要求的前提下，優先考慮在哈爾濱等嚴寒地區建立大型數據中心，以便充分發揮區域性氣候優勢，減少制冷系統的整體負荷。

5.2風冷、水冷方案應用優勢對比

風冷式直接蒸發方案和水冷式冷水機組方案是目前我國數據中心常用的兩種制冷方案，兩種系統分別以室外空氣和冷卻塔制取的冷水作為冷源，實現熱量由數據中心內部向室外的搬運。給出的制冷系統能效季節性波動曲線可見，相較風冷式直接蒸發方案，水冷式冷水機組方案可以更為便捷地利用自然冷源，在冬季和部分過渡季節具有較大的應用優勢，其運行效果整體優于風冷式系統，同時，水冷式冷水機組方案的應用優勢隨數據中心所處地理位置有所差別。

由計算結果可見，相較風冷式系統，水冷式系統的能效優勢隨數據中心所處緯度的降低逐漸減小，在嚴寒地區和寒冷地區采用水冷式系統的數據中心節能優勢更為顯著.這是由于隨著緯度的降低，數據中心所處地區溫度升高，濕度增大，濕球溫度升高，冷卻塔蒸發冷卻方案的節能空間越來越小。在本文給出的計算案例中，?？诘貐^風冷式和水冷式數據中心CLF值的計算結果近似相等，考慮到水冷式系統的水資源消耗，在該類地區應用風冷式直接蒸發方案更為經濟節能。

6、結束語

本文以某中等規模數據中心為例，針對我國不同地區氣候特點，對風冷式直接蒸發方案、水冷式冷水機組方案和復合型自然冷源方案等三種數據中心制冷方案進行了能效分析。不同類型數據中心制冷系統能耗水平存在季節性和區域性差異。制冷系統CLF指標呈現“夏峰冬谷”的規律，且波動程度隨數據中心所處緯度的增加而增大。制冷系統能耗總體表現為由北向南隨緯度的降低逐漸升高，在滿足數據中心功能和市場要求的前提下，應優先考慮在哈爾濱等嚴寒地區建立大型數據中心，以便充分發揮區域性氣候優勢，減少制冷系統的整體負荷。

參考文獻

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（作者單位：新地能源工程技術有限公司）