南京某數據中心機房熱管背板空調系統改造方案研究

黎春鵬 鄭 重 李海峰 劉乾恒 張 江

中通服節能技術服務有限公司

0 引言

近年來，以大數據、云計算、互聯網為代表的信息經濟迅速發展，未來5G時代的到來將會導致更快更密集的數據流，趨勢下必然會推動更多的數據中心建設需求。目前來看，我國在數據中心的布局建設上不遺余力，從標準、規劃以及鼓勵扶持措施等方面提出了相關政策。黨的十九大報告中也提出踐行綠色發展、改善生態環境，建設美麗中國的發展理念，數據中心作為能耗巨頭，如何實現數據中心的節能以及經濟運行，成為通信行業內關注的研究領域。

數據中心全年均需要制冷，空調制冷能耗約占數據中心能耗的40%，而且傳統的數據中心供冷方案存在空調氣流紊亂、局部過熱、加濕除濕同時進行、冷凍水供水溫度偏低等多種問題。本文結合南京某數據中心空調節能改造應用的典型案例，分析了熱管背板空調系統在數據中心運營中的節能經濟性。

1 項目概況

該項目位于江蘇省南京市，屬亞熱帶季風氣候地區，年平均溫度15.4℃，年極端氣溫最高為39.7℃，最低為-13.1℃。通信機房主樓地上五層，其中1～4層為百度機房，5層為監控中心，冷凍站設計包含1000RT冷水機組4臺，冷凍水供回水溫度為7/12℃。本次節能改造僅涉及4樓的兩個原空調設計方案，均為風冷精密空調地板下送風供冷的機房，建筑面積700m2。機房設計參數為：機房溫度23±1℃，相對濕度40%～50%。原機房空調配置情況如表1所示。

表1 原機房空調配置情況

2 空調改造方案設計

本項目機房制冷系統改造的原則為：充分利用數據中心通信樓原冷凍水系統，替換能效較低的風冷精密空調地板下送風機房級的供冷方案。因此，本項目創新性地使用了熱管背板空調系統機柜級的供冷方案，熱管背板空調系統原理圖詳見圖1。該方案中配置冷水機組（含冷卻塔+板式換熱器自然冷源供冷）以及殼管式換熱器、熱管背板空調，冷水機組提供的兩路冷凍水為系統冷源；雙蒸發系統的熱管背板空調安裝在機柜的熱風側（熱管背板空調布置圖詳見圖2），通過冷媒管與殼管式換熱器相連；熱管背板空調中冷媒和冷水機組提供的冷凍水在殼管式換熱器中換熱，冷媒系統通過自然重力循環回流熱管背板空調。熱管背板空調系統不僅可以充分利用室外自然冷源，還能降低風機能耗，解決局部熱點問題。

圖1 熱管背板空調系統原理圖

圖2 熱管背板空調布置圖

3 熱管背板空調系統節能、經濟性分析

3.1 熱管背板空調系統節能率、PUE值分析

本次節能改造前后兩種系統同時并存，通過實際掛表測量，記錄不同測試階段兩種制冷方案的能耗數據，統計如表2所示。

表2 兩種制冷方案的能耗數據統計

有研究表明，隨著冷凝溫度/蒸發溫度降低/升高1℃，單位制冷量功耗降低約2%。因此，修正后的風冷精密空調運行階段日均能耗如下：

機房PUE概念由Green Grid首次提出，國家工業和信息化部、國家機關事務管理局、國家能源局關于加強綠色數據中心建設的指導意見中也明確指出新建大型數據中心PUE要達到1.4以下，機房PUE定義如下：

根據上述PUE的計算公式分別計算風冷精密空調、熱管背板系統的PUE值，數據對比如圖3所示。

圖3 熱管背板空調系統與風冷精密空調系統PUE值對比

3.2 熱管背板空調系統經濟性分析

根據3.1能耗數據統計，采用熱管背板空調系統和常規風冷精密空調系統運行比較如表3所示。

表3 熱管背板空調系統與風冷精密空調系統運行情況表

從表3中可以看出，采用熱管背板空調系統和風冷精密空調相比，每年可以節省運行費用46.49萬元，節約標煤消耗量186.50噸，CO2減排量488.63噸。此外，熱管背空調系統初投資約為238萬元，17臺風冷精密空調系統初投資約為119萬元，初投資增加的部分靜態回收期t為：

4 結語

本文通過南京某數據中心機房空調系統節能改造實際案例入手，闡述了熱管背板空調系統在數據中心建設中的原理、優勢、應用場景，為數據中心空調系統節能改造提供了一種可行的參考方案。此外，熱管背板空調系統方案相比傳統風冷精密空調系統方案節能優勢明顯，機房整體PUE滿足國家對綠色數據中心PUE的設計要求，投資回收期較短，節能減排潛力較大。