上海某數據中心節能測試及分析

黃 璜，馬榮軍，鄭竺凌（上海市建筑科學研究院，上海 200232)

1 數據中心概況

1.1 項目介紹

該數據機房面積 9 000 m2，是進行數據處理和支持關鍵業務功能繼續運行的場所。由于該數據中心是 7×24 h 運行的，制冷系統運行工況的穩定性與可靠性尤其重要，外加制冷系統的能耗占數據中心總能耗的比例僅次于 IT 設備，因此，通過科學的運行測試與檢測手段合理指導節能優化運行顯得尤為重要。同時在 IT 設備運營的過程中制冷系統的負荷可能發生突變，引起設備工況劇烈波動導致報警或故障，還需通過對制冷系統的監測調整使得運行平穩過渡。

1.2 空調系統

該數據機房設置了獨立的冷凍水制冷空調系統。采用活動地板下送風、上回風方式，未采取冷熱通道隔離措施。該數據機房采用冷凍水空調系統的 A 級數據中心設置蓄冷設施，蓄冷時間應滿足電子信息設備的運行要求；控制系統、末端冷凍水泵、空調末端風機應由不間斷電源系統供電；冷凍水供回水管路采用環形管網方式。主機房維持正壓，主機房與其他房間、走廊的壓差約 5 Pa，與室外靜壓＜1 Pa。

該空調系統屬于集中冷源+末端精密空調水盤管系統，制冷效率較高，具有明顯節能降耗效果，減小空調設備的投資。正是由于這些特點，使此類空調系統在數據中心得到廣泛應用。由于冷凍水空調系統中安裝的設備和閥門等部件較多，所以系統故障點就多。為了達到靈活、可靠、易維護和節能的需求，冷凍水空調系統的水系統、控制系統設計比較復雜。深入調研并檢測冷凍水空調系統在數據中心的實際應用，對于保障業務安全穩定高效運行意義重大。

該制冷系統采用開利 19 XR 離心式冷水機組（具體設計參數見表 1）600 ton 4 臺，2010 年出廠；離心機供水溫度約 8 ℃，2 臺并機工作，單臺負載率長期穩定在 55%～60%之間；末端空調為雙供回冷凍水型與機房平衡閥控制，單個機房 9 臺空調；冷機需要全年運行；制冷系統設備定期輪換運行：每半月 2 組冷機輪換，1號、5號一組，2號、6號一組；單 IT 機房末端空調 9 臺配置，定期輪換。

表1 機房專用空調單臺設備技術參數

2 測試儀器及分析依據

現場工作時間從 2017 年 9 月 19 日至 10 月 30 日。前期準備測試儀器以及實施方案，后期分析處理數據并提出修改意見，完善指標體系與監測方案。對實際數據機房的測試的時間為 15 d。為保證實測數據的連貫性和實效性，實際測試中不能中止。對實際測試的數據進行理論性分析，并結合測試中存在的各種影響因素對實測數據機房的現狀進行節能型分析研究。

2.1 冷凍機組監測方法

對冷凍機進行性能測試來判斷冷機選型是否合理，要根據冷機工作效率范圍來判斷是否造成浪費。測試內容涉及整個供冷季測試冷機的逐時實際冷量、耗電量，并計算冷機在各種負荷率下的 COP。表 2 為具體需要測試的物理量、測試儀器以及測試位置。

表2 冷凍機組性能測試參數

2.2 使用儀器設備

通過利用已有的測試儀器如表 3 所示。

表3 實測數據機房使用儀器設備表

2.3 分析依據

以GB/T 19412—2003《蓄冷空調系統的測試與評估》、GB/T 25858—2010《精密空調機組性能測試方法》、GB/T 26194—2010《蓄冷系統性能測試方法》等為分析依據。

3 測試數據及其分析

3.1 冷凍機組測試

2017 年 9 月 27 ～10 月 10 日期間對數據機房內冷水機組的物理參數進行采集。5-19 XR 離心式冷水機組為1-19 XR 離心式水冷機組的備用設備，因此選取 1-19 XR 和5-19XR 作為對照進行測試。圖 1 為 1號冷水機組在不同時間下的溫度測試，圖 2 為 5號冷水機組在不同時間下的溫度測試。

圖1 1號冷水機組在不同時間下的溫度測試

圖2 5號冷水機組在不同時間下的溫度測試

由圖 1、2 所示可以看出，冷水進出口溫度、冷卻水進出口溫度、機組蒸發冷凝溫度以及油溫隨時間變化起伏不大，只有測試初期出現溫度起伏，除此之外溫度變化基本穩定。由于冷凍水進出口溫度及冷卻水進出口溫度是在一定合理的范圍內變化，因此不會對制冷需求造成影響。

圖 3 為 1號和 5號 2 臺冷水機組的 COP（制冷性能系數）與額定 COP 之間的對比，額定工況下的 COP 為 5.64，1號和 5號 2 臺冷水機組實際運行工況下的 COP 均略低于額定工況下的 COP。5號冷水機組運行時的 COP 更接近于額定工況下的 COP，但是 1號冷水機組在實際運行過程中比 5號機組更為穩定，COP 變化幅度不大。將 COP 換算為制冷設備運行效率 kW/ton，1號冷水機組的冷凝器進水溫度都在 29 ℃ 左右，制冷設備運行效率都在 0.7 kW/ton左右。1號冷水機組的單臺冷機負荷率位于 55%～60% 之間，處于正常運行工況。5號冷水機組的冷凝器進水溫度在 29 ℃ 左右，制冷設備運行效率在 0.64 kW/ton 左右，5號冷水機組的單臺冷機負荷率位于 70%～75% 之間，處于高效運行工況。單臺冷機制冷量無法滿足所有 IT 發熱量需求，但 2 臺并機運行易造成機組卸載與喘振停機風險，因此采取冷水機組日常開 2 臺并機分組交替運行的運行方法。

圖3 1號、5號COP和額定COP

3.2 空調末端運行測試

2017 年 10 月 11 日和 12 日期間以一層的 8 個數據機房室內的逐時溫度、濕度進行實時采集。每個機房內配有 9 臺相同配置的精密空調。數據機房內溫度分布見表 4，數據機房內濕度分布見表 5。

表4 數據機房內溫度分布 ℃

表5 數據機房內濕度分布 %

數據機房內部室內溫濕度設定值分別為 22 ℃ 和 50%。由表 4 和表 5 可以看出，數據機房內溫濕度明顯處于分布不均勻狀態。數據機房 1-3、1-4、1-5和1-6 內溫度分布較為均勻，但都低于要求溫度 22 ℃，而數據機房 1-1、1-2、1-7和1-8 出現明顯的溫度分布不均勻，最高與最低溫度相差較大，尤其是數據機房1-7，室內溫度的最高值與最低值相差8.8 K，導致數據機房內部出現局部過熱現象。室內濕度的分布與溫度分布類似，數據機房 1-3、1-4、1-5 和 1-6的 4 個機房濕度分布較為均勻，其中 1-3 和 1-4 機房較為接近要求濕度，而 1-5 和 1-6 機房雖然濕度分布均勻卻都高于 60%。機房 1-1、1-2、1-7 和 1-8內濕度分布嚴重不均，甚至有的測試點濕度高達 95%，濕度過高嚴重降低了數據機房電路的可靠性。

4 結 語

通過對數據機房空調系統室內溫濕度以及冷卻機組的各參數的測量，對空調系統的制冷能力進行了分析，總結出影響數據機房未達到預期設計效果的原因與改進措施如下：

（1）空調系統地板送風風口沒有根據 IT 設備產生的運行負荷進行合理分布，導致部分數據機房出現局部溫度較高或較低。在機房設備實際運行中，由于數據機房內設備安裝不平衡，部分區域大功率設備安裝集中而目前的空調系統無法提供足夠的制冷量，導致數據機房內部局部過熱的現象，IT設備運行安全性降低，甚至會導致個別設備因過熱而停機等嚴重后果。同時由于部分區域濕度過大，降低了 IT 設備運行和可靠性，嚴重時可以導致個別設備出現短路現象。因此需要根據數據機房內 IT 設備的具體運行負荷對空調系統分配做出合理調整。由于空調 BA 自控系統未實現根據負荷變化情況，所以空調系統宜采用變頻、自動控制等技術進行 IT負荷調節，以保證溫濕度在合理要求范圍內的同時達到節能的目的。

（2）由于數據機房內單臺柜體設備采用前后通風，且該數據機房沒有采取冷熱通道隔離措施，熱量堆積在設備內不能及時排除造成熱島效應。因此應在數據機房 IT 設備上方與吊頂之間設置隔板將冷熱通道分離，防止冷空氣旁通，增強散熱能力。