淺談大型數據中心空調冷卻系統的應用和節能技術

劉姝瑋

摘?要：互聯網、大數據等技術的蓬勃發展使其重要基礎設施之一的數據中心體現出規模大，能耗高，可用度和可維護性要求也極高的特點。大型數據中心空調制冷系統的構成復雜，使用時耗能大，以環保為核心的大趨勢下，節能是各類系統優化的基本方向。本文分析了大型數據中心空調冷卻系統的特點、設置方式和節能技術措施，為今后數據中心或智能化控制中心項目建設提供制冷系統的設計依據和技術參考。

關鍵詞：空調制冷系統;節能技術;水蓄冷

我國已大步邁入數字化、信息化、智能化的時代，產業和結構升級調整催生了新興的技術和產業，工程建設領域也緊跟時代步伐不斷推陳出新，滿足精益化、節能化、環保化的大眾需求。數據中心設備產熱量高，空調制冷系統負擔的冷負荷大，運行電耗成本高，對安全性和系統穩定性的要求等因素都需要建設、設計、使用等單位的高度重視。

一、大型數據中心空調冷卻系統的特點

大型數據中心包含IT機房（含空調用戶設施），空調機房制冷系統，電力機房供電系統三大基礎性資源[1]。數據中心占地面積大，全生命周期內空調系統制冷能耗成本占比高;數據中心全年不間斷運行，對制冷系統和電力供應系統設置提出更高要求;且建設階段要兼顧空調冷卻系統的運行監控和維修保養，集中管理，及時反饋，便于操作，縮短故障設備恢復使用時間，甚至智能預測和診斷。

分散式空調能效低，故大型數據中心一般多采用集中式水冷空調系統來降低能耗，數據中心制冷負荷大，空調冷卻系統需設多臺大冷量冷水機組才能滿足使用，依據《數據中心設計規范》GB50174-2017的要求，數據中心按重要程度可劃分A級、B級和C級，A級對設備備用系數要求最高，按制冷主機和水泵、冷卻塔、IT機房專用空調為N+x冗余，配套冷凍和冷卻水管為雙供雙回，環形布置，保證數據中心制冷系統的高可用性和可維護性。

二、大型數據中心空調冷卻系統的設置

（一）空調機房制冷系統的兩種連接方式

利用水冷式空調冷卻系統為數據中心散熱，為其提供符合運行要求的環境。

空調機房冷凍系統連接方式有兩種，一種為單臺冷凍水泵、冷水機組和冷卻塔等設備串聯連接，再與其它串聯組并聯，各串聯組均與空調冷凍水和上塔冷卻水供/回水總管連接，形成一個大的系統，各串聯組間獨立，組內任一設備發生故障均會影響該套冷水機組使用，導致備用冷水機組的啟動。

另一種為設備組群方式，將冷水機組、冷凍水泵、冷卻塔等同類型設備先分別并聯形成設備組，不同的設備組間設公共干管彼此連通，該系統優點是幾套設備間形成一對多的對應關系，當某一臺水泵發生故障時，只需切換閥門啟動1臺備用水泵即可，不會影響冷水機組等其它設備的運行情況，系統可用度高，調節方式也更加靈活。在現已運行的數據中心中兩種方式都有實際工程案例[2]，而設備組群方式更適于可靠性要求高的數據中心。

（二） IT機房空調設備的四種類型

IT機房空調用戶設備的選擇也會影響數據中心空調冷卻系統的整體能耗，一般有如下四種類型：房間級精密空調產品適用于傳統中低熱密度數據中心的散熱需求;行級精密空調產品多應用于模塊化等高熱密度數據中心;機柜級空調產品與服務器熱源更接近，節能高效;元件級制冷空調采用液冷技術，直接冷卻服務器主要發熱元件，最為先進。

三、數據中心空調冷卻系統的節能技術

基于大型數據中心空調冷卻系統的特點，本文列出了如下六種節能措施。

（一）利用自然冷源

機房內的空調每天都進行制冷處理，換季的時候室外溫度比室內溫度低的時候，自然界具有大量的冷源，怎樣運用大自然的冷源實現冷卻是機房空調節能減排的關鍵所在[3]，常用技術有利用開式冷卻塔+板式換熱器或閉式冷卻塔來代替冷水機組供冷，此外在制冷系統設計時盡量采用大溫差小流量的模式減少輸配管線管路損失及水泵電耗。

（二）優化氣流組織

影響空調系統節能的關鍵就是數據中心氣流組織形式，冷氣在流動的時候受到的阻力越小，冷風與熱風氣流才會隔離的越好，冷量消耗的就越小，空調主機運行的效果就越好，能效也越高。但常常是由于空調氣流組織設計不科學或沒有進行CFD軟件仿真測試，導致了冷氣流的效率低，造成了空調系統的浪費。

（三）采用新型空調末端

傳統的數據中心用精密空調主機設置在機房的兩端，采用地板下送風或者風帽上送風的方式，先把機房全部冷卻，再對機柜實施散熱處理，此類空調形式容易造成局部熱點，同時造成冷量的遠距離輸送，應該運用大功率的離心風機來輸送，大功率風機的電耗也有部分轉化成熱量，這部分熱量將增加制冷系統負荷[4]。采用新型熱管背板、列間熱管、吊頂式熱管等空調末端能夠完成按需供冷、解決局部熱點等問題。

（四）采用變頻設備

數據中心的能耗是根據室外環境溫度與室內IT負載而決定的，冷水機組大部分時間在部分負荷下運行，利用變頻冷水機組，可以提高部分負荷能效，同時水冷系統中冷凍水泵、冷卻水泵、機房里的末端空調EC風機都采用變頻設備，能夠實時按照IT負載進行自動調整，降低能耗[5]，現最為先進的磁懸浮變頻冷水機組是一種節能高效的產品。

（五）水蓄冷技術應用

水蓄冷技術是在有峰谷電價差政策的地區，利用數據中心空調機房的備用機組在夜間電價低估時運行制得低溫冷凍水，并存儲在蓄冷罐內，電價高峰時段由蓄冷罐釋冷滿足數據中心制冷要求，達到移峰填谷的目的。采用水蓄冷技術的空調系統可以節省運行電費，并且有利于電網安全。

水蓄冷不僅是一項節能措施，還可以作為數據中心的應急能源使用，IT機房數據設備對環境溫度敏感性高，對于低熱密度的數據機房短暫的制冷中斷影響尚可接受，但對于高熱密度的數據中心，很短時間內機房溫度就會急劇上升，電子元器件的可靠性、處理能力會急劇下降、故障率大大提高，甚至導致數據丟失或癱瘓。而水蓄冷技術的應用可設置一些固定的蓄冷罐作為應急冷源使用，當電力系統發生故障，備用柴油發電機切換至穩定運行的過渡期內彌補供冷能力的不足，消除了安全隱患。因此水蓄冷技術與自然冷源結合的綜合用能方案在大型數據中心空調冷卻系統中有廣闊的應用前景。

（六）智能化控制

數據中心智能化控制管理是完成綠色機房建設的基礎，在保證機房設備滿足正常運行要求的前提下，通過運行數據的大量記錄和對不同季節室內溫度變化規律的累積分析，優化運行模式，降低整個機房的能耗。

四、結語

綜上，大型數據中心空調冷卻系統是能耗和可用度要求都很高的系統，本文從大型數據中心的特點，常用空調制冷系統設置以及節能技術應用三個方面進行探討，為此類工程項目設計提供技術支撐。

參考文獻：

[1]馬伊鑫.大型數據中心空調制冷系統的節能技術分析[J].西部皮革，2019（02）：69-70.

[2]牛廣鋒.大型數據中心空調制冷系統研究[J].制冷與空調，2018（02）：29-33.

[3]劉輝，李斌，翁軼能，沈濤，梁世佳，余婉，楊嚇逢，李燕婷，鄒圓.空調智能化與云計算結合節能技術研究[J].綠色科技，2016（22）：81-85.

[4]張華.數據中心空調節能技術探討及新型機械冷卻+自然冷卻空調技術研究[J].上海節能，2016（07）：376-379.

[5]吳斌.數據中心空調節能技術應用與能源管理平臺設計[J].現代建筑電氣，2016，7（06）：9-14.