數據中心空調系統節能技術分析

潘勇

摘要：隨著電子信息技術的飛速發展，數據中心單機柜功率密度越來越高，從3kW、4kW、6kW，甚至發展到10kW以上，還可能更高，耗電巨大，發熱量更加集中，機房局部過熱現象增多，機房內單位面積空調冷負荷急劇增加，由此引來的主設備運行故障和能耗逐年上升，甚至成為了制約通信業務發展的一大瓶頸。目前國內調查數據顯示：IT設備能耗約占總能耗的50%，空調能耗約占40%，供電能耗約占10%。所以空調系統的節能是數據中心的節能核心，是降低數據中心能耗的重要途徑，是數據中心節能最大潛力所在。

關鍵詞：數據中心;暖通空調;高能耗

一、數據中心空調系統特點分析

1.1供冷時間長，送風參數相對穩定。數據機房負荷主要來自IT設備發熱量，IT設備需要全年運行，即使在冬季室外溫度較低時，機房模塊內仍有制冷需求，要求空調設備長時間供冷。數據中心圍護結構散熱量、人員等負荷相對較小，設備全年冷負荷變化不大，因此數據中心空調送風參數比較穩定。

1.2顯熱大，潛熱小。大部分數據機房為無人值守，室內無散濕源，且新風比例低。空調設備主要作用為控制室內顯熱，除濕負荷小，熱濕比趨于+∞。為滿足機房室內溫濕度要求，空調系統具有送風溫差小、送風量大的特點。

二、數據中心空調系統組成

數據中心空調系統主要有制冷系統、散熱系統及降溫輔助系統組成，其能源消耗主要集中在制冷系統和散熱系統。制冷系統能源消耗受負載率、機房環境溫濕度、室外環境溫濕度影響較大。散熱能源消耗主要取決于機房內部的氣流組織，具體包括以下單元。

2.1制冷系統冷水機組，系統使用制冷劑的高壓和低壓形態使熱量“逆勢”從數據中心流向室外。制冷系統是保證機房溫度的基礎保障。

2.2散熱系統風機或泵，利用空氣或水將熱量從數據中心運送至室外環境。排熱系統產生足夠的風量或水量以帶走巨大的熱量。

2.3降溫輔助利用冷卻塔、濕式過濾器或噴頭將水蒸發以幫助將熱量排到室外（僅適用于濕度小的干燥地區）。降溫輔助系統增加換熱效率，使系統熱量更快地散出去。

三、數據中心空調節能措施

3.1利用自然冷源

機房空調一年四季都需要制冷，過渡季節室外溫度低于室內溫度時，自然界存在著豐富的冷源，如何利用大自然的冷源進行冷卻是機房空調節能減排的重點問題。根據采取的技術措施不同，可分為新風自然冷卻、乙二醇雙冷源系統和氟泵空調系統等。

3.1.1新風自然冷卻

新風自然冷卻是將低溫新風通入機房內對IT設備進行散熱，系統由進（排）空氣風道、風機及其控制系統組成。在冬季和春秋過度季節，當室外溫度較低時，新風系統啟動，室外低溫空氣經過過濾后進入機房內對設備進行散熱，吸收熱量的室外空氣在室內外壓差的作用下，通過排風口自動排出。由于直接引入新鮮空氣，雖經過過濾，難免會引入灰塵，導致機房潔凈度降低，影響通信設備的安全，因此不建議用于潔凈度要求較高的通信樞紐樓等大型機房，可用于普通機房、小型基站等。

3.1.2乙二醇雙冷源（圖1）

由于乙二醇的冰點比較低，當室外溫度低的情況下，不容易結冰，乙二醇雙冷源空調是在傳統制冷循環的基礎上額外增加一套直接利用自然冷源的雙循環系統，當室外溫度高于室內溫度時，蒸汽制冷循環系統開啟，自然冷源循環系統關閉;當室外溫度低于室內溫度時，蒸汽壓縮式制冷循環系統關閉，自然冷源循環系統開啟，此循環過程的冷媒為乙二醇，乙二醇在水泵的作用下進入室內換熱器帶走機房內的熱量，乙二醇溫度升高，高溫的乙二醇在室外換熱器的作用下，將熱量傳遞到室外環境。兩種循環中，水泵的功耗遠低于壓縮機，有很大的節能潛力。內蒙古移動公司中心機房就應用了該技術，并得到了可觀的收益。

3.1.3氟泵空調

氟泵空調是一種與風冷型機房空調系統配套的節能產品。對于傳統的地板下送風機房空調，在冬季室外環境較低的時候，仍需要制冷，不能充分利用室外自然冷源，節能效果較差。針對這種情況，可以針對空調系統進行改造升級，在原有的空調系統上添加氟泵機組，通過控制系統，使其在冬季外界環境較低的時候，關掉壓縮機，開啟氟泵系統進行制冷，制冷劑在氟泵的作用下在室內換熱器與室外換熱器之間循環，帶走機房內熱量。通過氟泵改造，充分利用室外20℃以下自然冷源，在保證制冷量的同時減少壓縮機的運行時間，可實現高達40%的節能。陳海東在對吉林省一樞紐樓的氟泵節能改造中表明：氟泵制冷循環時的功耗僅為0.75kW～1.5kW，遠遠小于相同制冷量下壓縮機的消耗功率，這是節能的主要原因。

3.2優化氣流組織

數據中心氣流組織形式是影響空調系統節能的重要因素，冷氣流動過程中的阻力越小，冷風和熱風氣流隔離的越好，冷量損耗的就越小，空調主機運行效果就越高，能效比越好。但經常是因為空調氣流組織設計不合理或未經過CFD軟件仿真測試，造成了冷氣流的利用率低，使得空調系統能耗浪費。

3.2.1安裝盲板

數據中心有一部分機柜內，由于設備數量較少，在機柜內分布不均，導致很大一部分冷風未經過設備直接進入機房內，這樣就導致了空調的送風短路，使空調的制冷效率大大降低。采用在機柜內安裝擋板的方法截斷熱空氣短路循環的路徑，安裝盲板應用于數據中心簡單可行。可減少冷風的短路，提高空調的制冷效率。

3.2.2合理布置

在機柜布置方面，傳統機房一般按正面同向布置，缺點是前排機柜產生的熱風被后排機柜吸收，冷熱氣流摻混嚴重，冷卻效果不佳。如果機柜采用“面對面，背對背”方式排列，能夠形成交替的冷熱通道，防止冷熱氣流短路，提高冷風利用。

3.2.3封閉冷通道

機柜以“面對面”成排方式布置，在冷通道上機柜的頂部和整列機柜的兩端進行封閉，從而實現冷通道降耗減排的封閉，通過約束機房空調送出的制冷風量，避免冷氣流在輸送過程發生泄漏和混風，讓冷氣流直接進入數據設備，并充分冷卻數據設備，并讓帶走數據設備熱量的熱氣流順利返回到機房空調。

冷通道封閉約束的是機房空調送出的冷氣流，冷氣流直接冷卻設備，消除以往“先冷環境，再冷設備”導致混風嚴重的缺點，解決了機房內局部過熱問題，提高了空調利用效率、降低了機房能耗。

四、結語

通過對數據中心能源消耗現狀及結構的分析，得出數據中心空調系統具有很大的節能潛力，是建設綠色數據中心的節能重點。并從五個方面對數據中心空調系統的節能技術作了分析和討論，實際工程項目中，應結合數據中心自身的特點，考慮每種節能技術的優勢和局限性，選擇最合適的空調節能技術，才能取得最好的節能效果。

參考文獻：

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