數據中心冷源方案解析
———以杭州地區為例

滕世興

中國電子工程設計院

0 引言

隨著數據中心機柜功率密度的不斷提高，解決機房散熱問題受到各界強烈關注。IT/電信相關的碳排放已經成為最大的溫室氣體排放源之一，且排放勢頭隨著計算，數據存儲和通信技術需求的增長快速上升。即使大力提高數據中心的能效，到 2020年，全球IT相關碳排放也將達到15.4億噸。杭州是全國5個云計算服務創新發展試點示范城市之一，在云計算產業發展上走在前列。預計到2017年，杭州將培育2至 3家國際知名百億級云計算和大數據龍頭企業，打造200家中小型云計算和大數據服務企業。所以研究影響杭州地區數據中心能耗最直接、最關鍵的冷源方案設置，顯得尤為重要。

1 杭州地區空氣質量分析

AQ（I Air Quality Index，空氣質量指數）是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數，主要污染物為細顆粒物、可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六項。從圖1可以看出，杭州地區全年 AQI低于100（優、良）的天數約70%。

圖1 杭州AQI日分布情況圖

SO2會腐蝕電路板和連接件，是服務器敏感污染物，SO2的濃度＜10 ppb，即 28 ug/m3適合數據中心服務器運行[1]。通過分析杭州地區 SO2日變化趨勢（圖2），杭州地區全年10%超出參考值。

圖2 杭州SO2日變化趨勢圖

通過AQI、SO2分析，杭州地區室外新風全年不滿足率接近30%，不適合采用全新風空調制冷方案。

2 杭州地區全年溫度分布分析

對應15/21 ℃冷凍水制冷系統，制冷單元采用三種運行模式：機械制冷模式（15.5 ℃＜濕球溫度）。部分自然冷卻模式（8 ℃＜濕球溫度＜15.5 ℃）。自然冷卻模式（濕球溫度＜8 ℃）。從圖3可以看出，杭州地區每個制冷模式區間內溫度相對穩定，模式切換頻率低，運行相對安全。杭州全年自然冷卻、部分自然冷卻比例達到40%（圖4），適合采用水冷自然冷卻形式。

圖3 杭州地區全年逐時濕球溫度對應三種制冷模式時間分布圖

圖4 杭州地區三種制冷模式時間分布比例圖

3 杭州地區不同冷凍水溫度對系統運行的影響

以杭州地區某1萬m2數據中心項目為例，進行不同冷凍水溫度自然冷卻時間、冷源（包括冷機、水泵、冷卻塔）耗電對比（表1）。本項目機柜容量6 kW/臺，機柜數量1000臺，電費按照1元/kWh計算。

表1 杭州地區某數據中心不同冷凍水溫度對比

冷凍水溫度每提高1℃，冷水機組的制冷量將提高3%～4%。本項目冷凍水供回水溫度15/21 ℃較12/18 ℃制冷系統冷源部分年節省運行費用115萬，年節省10%左右。17/23℃較15/21℃制冷系統冷源部分年節省運行費用67萬，年節省6%左右。因此提高冷凍水溫度是數據中心節能的關鍵。

4 數據中心常用冷源方案

4.1 水冷冷凍水機組+自然冷卻系統

本方案組成設備包含：水冷冷水機組、板式換熱器、冷卻水泵、冷卻塔、冷凍水泵、定壓補水裝置、加藥裝置、蓄冷水罐、末端空調機組等組成（圖5）。

圖5 水冷冷凍水機組+自然冷卻系統圖

整個系統由冷凍水系統和冷卻水系統組成，系統分三種工作模式：制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻。目前國內主流大型數據中心主要采用該制冷方式。

4.2 風冷冷凍水機組+自然冷卻系統

本方案組成設備包含：風冷冷水機組、干冷器、板式換熱器、乙二醇泵、冷凍水泵、定壓補水裝置、加藥裝置、蓄冷水罐、末端空調機組等（圖6）。

圖6 風冷冷凍水機組+自然冷卻系統圖

整個系統由冷凍水系統和乙二醇水溶液系統組成，系統分三種工作模式：正常制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻。帶自然冷卻功能的風冷一體機，可以根據室外溫度自動切換各種模式，適用于小型或者無法建設冷凍站的數據中心。

4.3 自帶冷源式風冷空調機組+自然冷卻

自帶冷源式風冷空調機組系統屬于分散式空調系統，是一套配置有壓縮機制冷系統和乙二醇自然冷卻系統的一體機（圖7）。通過室外干式冷卻器（或冷卻塔）的強制冷卻，以乙二醇溶液為載冷劑，通過循環水泵將室外低溫免費冷源間接帶入機房，對機房設備進行冷卻。夏季時，轉入常規水冷蒸發式壓縮機制冷。適用于極小型或者無法提供冷凍水的數據中心。

圖7 自帶冷源式風冷空調機組+自然冷卻系統圖

5 方案比較

表2為初投資及運行費用對比分析。表中，PUE=所有設備的電耗/IT設備的電耗（kW/kW），W UE=制冷蒸發總耗水量/IT 設備的耗電（L/kWh）。不同的設備品牌價格對初投資影響較大，P UE、W UE 隨運維的水平、機 柜的實際負載率變化較大。

表2 初投資及運行費用對比分析

表3為其他方面對比分析。

表3 其他方面對比分析

6 數據中心冷水機組變頻的節能性

表4為杭州地區 750RT冷機（制冷量 2637 kW）變頻、定頻全年能耗對比分析（電費按照 1元/kWh 計算）。從表4中可以看出，單臺750RT變頻機組比單臺定頻機組全年節約電費 26%，全年節約電費 42 萬，遠遠高于1臺變頻器的費用，節能和經濟效益顯著。

表4 杭州地區冷機變頻、定頻全年能耗對比分析

7 數據中心冷源設置相關規范要求

國家標準GB50174-2017《數據中心設計規范》對數據中心冷源部分對應不同等級的配置要求如表5[2]。

表5 《數據中心設計規范》冷源部分要求

表6 《數據中心電信基礎設施標準》冷源部分要求

美國標準ANSI/TIA942-2014Infrastructure《Telecommunications Standard for Data Centers》（數據中心電信基礎設施標準）對數據中心冷源部分對應不同等級的配置要求如表6[3]。

UPTIME INSTITUE，L LC（美國）Date Center Site Infrastructure Tier Standard:Topology。《數據中心基礎設施評級標準：拓 撲設計》對數據中心冷源部分對應不同等級的配置要求如表7[4]。

表7 《數據中心基礎設施評級標準：拓撲設計》冷源部分要求

8 結論

通過以上比較可以看出，在杭州地區水冷冷水機組（變頻）+自然冷卻系統方案，不論從初投資、運行能耗，還是技術成熟度，都有絕對的優勢。特別是在國家標準 A 級和美國標準 T3、T4 級別數據中心所要求的連續制冷方面，在水資源充足的杭州地區是首選方案。在缺水干旱地區，市政給水量不足的地區，可以采用風冷冷水機組+自然冷卻系統方案。極小型或者無法提供冷凍水的數據中心，建議采用自帶冷源式風冷空調機組+自然冷卻方案。