新風直接冷卻空調箱應用于數據中心的節能分析

世圖茲空調技術服務(上海)有限公司 肖新文

0 引言

GB 50174—2017《數據中心設計規范》放寬了溫濕度要求，寬泛的溫濕度要求為使用新風直接自然冷卻空調箱創造了先決條件。國內數據中心內已有利用新風直接自然冷卻的工程實例[1-4]，同時國內外學者對數據中心新風直接自然冷卻做了大量的周邊技術研究[5-9]。國內外部分學者還對全球不同城市的特定數據中心的新風直接自然冷卻的節能潛力做了相關研究[10-14]。本文嘗試不以特定的數據中心為研究對象，采用當量完全自然冷卻時間對應用于我國典型城市數據中心的新風直接自然冷卻空調箱進行節能分析。

1 節能分析的背景說明

1.1 新風直接自然冷卻空調箱

隨著技術應用的發展與普及，應用于數據中心的末端空調機組種類越來越多，包括基站空調、房間級機房空調、行級機房空調及組合式空調箱機組等。除行級空調安裝在機柜當中無法采用新風自然冷卻外，其他3種空調末端均可以搭配相關功能組件直接利用新風自然冷卻。新風直接自然冷卻基站空調通常設計為整體式機組，通過控制各個內置風閥的開啟實現新風直接自然冷卻[15]；新風直接自然冷卻房間級機房空調通常在下送風房間級機房空調配置混風箱(包括一次回風箱及二次回風箱)[16]；組合式空調箱采用模塊化設計，通常由混風段、過濾段、盤管段、風機段及出風段等不同功能模塊組合而成[17]。上述3種新風直接自然冷卻末端空調機組通常具有純機械制冷、機械制冷及新風直接自然冷卻混合制冷及完全新風直接自然冷卻制冷等3種運行模式。組合式空調箱各功能段可靈活搭配，適應多種應用場景，在數據中心的應用日趨增多。新風直接自然冷卻組合式空調箱應用于數據中心的常用系統架構如圖1所示[18]。

圖1 新風直接自然冷卻組合式空調箱空調系統架構

1.2 室外空氣品質

利用新風直接對室內服務器進行冷卻降溫，必須要考慮到室外空氣品質對于數據中心的影響。某種程度上講，空氣品質問題是制約該項技術的最關鍵因素。為了應對這一情況，業界通常為新風直接自然冷卻空調箱機組配置中高效過濾器甚至化學過濾器，并且設置專門的傳感器實時監測室外空氣品質[3]。當室外空氣品質不佳時，依據設定的參數閾值自動/手動關閉室外新風閥，此時氣流在室內循環，利用機組的機械壓縮制冷，而高溫耐腐蝕服務器為新風自然冷卻的腐蝕難題提供了一種解決措施[19]。隨著人們環保意識的增強及有關措施的落實，我國的室外空氣品質正在逐步好轉。文獻[16]將我國環境監測總站公布的2017年11月至2018年10月的空氣質量報告匯總后發現：我國338個地級以上城市總體空氣質量良好，嚴重污染天數較少；省會城市的SO2平均濃度值也基本滿足20 μg/m3的年平均一級濃度限值?？紤]到污染天氣呈散發狀且時間不長，本文按照各地的空氣品質全年均達標進行節能分析。

1.3 節能分析的溫濕度控制標準

依據GB 50174—2017《數據中心設計規范》的要求，服務器機柜進風溫度在18～27 ℃之間，露點溫度在5.5～15.0 ℃之間，相對濕度不高于60%[20]。盡管放寬了數據中心的溫濕度要求，但并不意味著只要有新風進入數據中心室內就可以實現節能，而是要求室外空氣參數滿足一定條件，所以新風引入控制策略十分重要，合理的控制策略既可確保不增加空調負荷，又可最大程度地利用自然冷源?？刂聘汕驕囟?、干球溫差、比焓或比焓差等控制策略均有各自的缺陷[21]，故宜采用綜合控制策略。如圖2所示，以溫度23 ℃、相對濕度50%作為送風點S的參數設定值，在GB 50174—2017《數據中心設計規范》規定的近似五邊形包絡線區域內均是可以接受的送風狀態點。按照12 ℃的送回風溫差，則理論回風點R的干球溫度為35 ℃。如圖2所示，過R點作等比焓線，理論上，該等比焓線下的所有區域均可以利用自然冷源，但是數據中心幾乎無潛熱，大部分的數據中心均要求空調系統在干盤管工況下運行，空調系統通常均不具備除濕能力，而且除濕通常需要付出比制冷更大的代價[21]，故圖1中由理論回風點的等比焓線、100%的相對濕度線及露點溫度15 ℃的等含濕量線組成的三角區域為自然冷卻的舍棄區域，而干球溫度低于35 ℃線且露點溫度不高于15 ℃的區域均可以引入室外新風自然冷卻，通過減少或者完全取消機械壓縮制冷實現空調系統的節能運轉。當然，室外新風濕度過低則需要進行加濕以確保送風濕度滿足要求。

圖2 自然冷卻可能區域示意圖

2 新風直接自然冷卻空調箱節能性分析

2.1 節能評價參數

國際上通行的數據中心綠色節能評價指標是由綠色網格組織提出的電能使用效率PUE(power usage effectiveness)、水使用效率WUE(water usage effectiveness)和碳使用效率CUE(carbon usage effectiveness)，文獻[22]不僅對PUE、PUE衍生效率及其測量和計算方法作了詳細的闡述，而且對WUE及CUE也作了介紹。針對特定數據中心或者特定數據中心的子系統，不同的數據中心上述3個參數不同。本文嘗試采用對數據中心樣本依賴程度低的評價參數。自然冷卻利用室外冷源對數據中心設備進行冷卻，替代或部分替代機械制冷，通過縮短機械制冷的運行時間控制和降低冷卻系統的能耗，從而降低數據中心總能耗，故自然冷卻時間可作為空調系統是否節能的評價依據。最佳的新風直接自然冷卻狀態是室外新風直接引入，或者引入后與室內回風混合后即滿足數據中心的送風要求，滿足此條件的時間稱為完全自然冷卻時間。新風直接自然冷卻空調系統的耗能尚涉及加濕及機械壓縮制冷系統補冷等部件功耗，應加以考慮，為了正確評估這些能耗，本文采用年當量完全自然冷卻時間來描述，其計算式為

Ttn=(1-η)Tt

(1)

(2)

不同空調機組在不同室外干球溫度下的機械制冷功率不同。AEER為不同溫度EER的加權平均值，本文以所有干球溫度均按照GB 19576—2019《單元式空氣調節機能效限定值及能效等級》中數據處理機房用單元式空調機風冷式一級能效AEER限值為4.0，即1 kW制冷量制冷功率為250 W進行計算[23]。

2.2 節能分析的運行工況分區

如圖3所示，對自然冷卻可能區域進行細分：室外空氣位于露點溫度5.5 ℃及露點溫度15 ℃的等含濕量線、27 ℃等干球溫度線及100%等相對濕度線包圍區域內，室外新風可以直接或者與室內回風混合后對服務器進行降溫，故稱為完全自然冷卻工況區域；室外空氣位于干球溫度低于27 ℃且含濕量處于露點溫度低于5.5 ℃對應的區域內，室外新風可以作為冷源，但是需要進行加濕處理，該區域稱為自然冷卻+加濕工況區域；室外空氣干球溫度為27～35 ℃且含濕量處于露點溫度5.5～15.0 ℃對應的區域內，盡管室外溫度低于數據中心回風溫度，可以引入室內對服務器進行降溫，但尚需機械制冷進行冷量補充，該區域稱為混合制冷工況區域；室外空氣干球溫度為27～35 ℃且含濕量處于露點溫度低于5.5 ℃對應的區域內，則除了室外新風與機械壓縮混合制冷外，還需要對其進行加濕處理，該區域稱為混合制冷+加濕工況區域。以上4個區域以外的區域則為機械制冷工況區域。

圖3 新風直接自然冷卻空調箱節能分析運行工況分區

27～35 ℃的室外空氣干球溫度是機械制冷及新風直接自然冷卻混合制冷的溫度區間，如圖4所示，除西寧、拉薩及昆明外，我國其他典型城市及特別行政區在該溫度區間跨度均較長，故將該區間納入節能分析才能正確評估新風直接自然冷卻空調箱的節能效果，同時也可以分析位于不同城市的新風直接自然冷卻空調箱對于該溫度區域的敏感程度。

圖4 我國不同熱工區域典型城市及特別行政區27～35 ℃室外溫度年時長占比

2.3 室外新風直接自然冷卻空調箱性能分析

為簡化性能分析的計算過程，依據ASHRAE手冊中我國氣象臺站的參數，將干球溫度(整數±0.5 ℃)范圍內的全年時長和作為該整數干球溫度的年時長Tt，將該范圍內所有濕球溫度的時長加權算術平均值作為名義濕球溫度，匯總此±0.5 ℃范圍內的時長和Tt，依據該點所處的運行工況區域進行對應加濕功率及機械制冷功率的計算，通過式(3)～(5)聯立推導出式(6)，通過式(6)可以計算出室外干球溫度23 ℃及以下單位冷量的室外空氣質量流量，室外干球溫度23 ℃以上的室外空氣質量流量按照全新風量即23 ℃時的數值進行計算。

mO+mR=mS

(3)

mOtO+mRtR=mStS

(4)

Q=cpmS(tR-tS)

(5)

(6)

式(3)～(6)中mO為室外空氣質量流量，kg/s；mR為回風質量流量，kg/s；mS為送風質量流量，kg/s；tO為室外空氣干球溫度，℃；tR為回風干球溫度，℃；tS為送風干球溫度，℃；Q為制冷量，本文為單位制冷量1 kW；cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)。

綜上，國內學界對海外中國政治研究的關注，既包括宏觀的關于中國道路、中國模式等帶有濃厚意識形態色彩的研究，也包括中觀的黨史黨建方面的研究，更有微觀的關于基層社會治理方面的研究。這些研究領域都是傳統漢學發展到新漢學階段后，海外學術界認識與理解中國政治的熱點話題，也是國內政治學界在對新漢學進行再研究時的突破口。

(7)

式中Pth為單位制冷量的加濕功率，W；3 600為單位換算系數，s/h；dmin為數據中心設計規范規定的最低含濕量，kg/kg；dO為室外空氣的含濕量，kg/kg。

機械制冷及新風直接自然冷卻混合制冷工況下單位制冷量的機械制冷功率按照23～35 ℃下線性增加至名義機械壓縮制冷功率，即可以按照式(8)進行計算。如式(9)所示，將單位制冷量的加濕功率及機械制冷功率相加則可計算出該干球溫度的單位制冷量的名義功率。

(8)

Ptn=Ptr+Pth

(9)

式(8)、(9)中Ptr為單位制冷量機械壓縮制冷功率，W。

利用式(1)可以求出該干球溫度當量完全自然冷卻時間，將全年各個干球溫度的當量完全自然冷卻時間累加起來就可以得出年當量完全自然冷卻時間。

為了分析室外溫度27～35 ℃范圍內新風自然冷卻的節能地域分布情況，對我國位于不同熱工區的省會城市在這一溫度區間的當量完全自然冷卻時間進行了計算分析，并且通過式(10)計算當量完全自然冷卻時間的占比，式中溫度取整。

(10)

式中ξ為室外溫度27～35 ℃范圍內的當量完全自然冷卻時間占比。

經過匯總整理，得到如圖5所示的當量完全自然冷卻時間及占比。由圖5可以發現，由于不同熱工區域室外空氣在此溫度范圍內的濕度差異明顯，其自然冷卻時間也迥然不同：除東北三省省會城市及太原外，嚴寒C區(1C)及寒冷A區(2A)的大部分城市在混合模式工況的當量完全自然冷卻時間較長，且當量完全自然冷卻時間區間占比均超過40%；而寒冷B區(2B)、夏熱冬冷地區(3A、3B)及夏熱冬暖地區(4A、4B)則無當量完全自然冷卻時間，同屬于溫和A區(5A)的貴陽和昆明也不盡相同，貴陽無當量完全自然冷卻時間，昆明卻表現搶眼，當量完全自然冷卻時間占比將近82%。

圖5 我國不同熱工區域典型城市及特別行政區在27～35 ℃溫度區間的當量完全自然冷卻時間及占比

為了保證計算分析具備足夠覆蓋率，確保依據GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》中熱工設計區屬每個二級區劃至少有1個城市入選，除了以上典型城市及特別行政區外，增加呼倫貝爾及思茅2個城鎮。我國不同熱工區域典型城市及特別行政區的年當量完全自然冷卻時長如圖6所示。由圖6可以發現，除海口年當量完全自然冷卻時間少于1 000 h外，其余城市均超過2 000 h，不少城市甚至超過8 000 h，新風直接自然冷卻空調箱節能效果十分顯著。

由圖6還可以發現，位于夏熱冬暖B區(4B)的3個城市表現也存在明顯差異。業界對于新風直接自然冷卻空調箱在夏熱冬暖B區的應用尚存疑惑。為了探索該熱工區域的節能規律，本文進一步細化計算分析的顆粒度，統計了該區域不同緯度及海拔城鎮的年當量完全自然冷卻時間，結果如表1所示。由表1可見：由于空氣濕度過大，盡管海南島內各氣象臺站的年室外溫度低于27 ℃的時長均在4 500 h以上，全省的年當量完全自然冷卻時間卻均少于800 h；該熱工區域的年當量完全自然冷卻時間隨著緯度升高而增加；緯度相同相近城鎮年當量完全自然冷卻時間隨著海拔升高而下降。雖然年當量完全自然冷卻時間相對其他熱工區域短，但考慮到我國正建設資源節約型、環境友好型社會，且數據中心高達15 a的設計壽命對于節能的疊加效應，該熱工區域仍可積極利用新風直接自然冷卻節能減排。

圖6 我國不同熱工區域典型城市及特別行政區的年當量完全自然冷卻時間

表1 夏熱冬暖B區典型城鎮年當量完全自然冷卻時間

3 結論

1) GB 50174—2017《數據中心設計規范》放寬了數據中心的溫濕度要求，新風直接自然冷卻空調箱在全國包括夏熱冬暖的大部分地區均適用。

2) 應用于數據中心的新風直接自然冷卻空調箱節能效果明顯，寒冷地區及嚴寒地區越發突出，年當量完全自然冷卻時間均長于5 000 h。

3) 新風直接自然冷卻空調箱在27～35 ℃溫度區域的混合制冷運行模式對于位于嚴寒地區及寒冷A區的數據中心具有積極的節能意義；對于溫和地區的數據中心則宜一城一策進行分析；應用位于寒冷B區、夏熱冬冷地區及夏熱冬暖地區的數據中心的新風直接自然冷卻空調箱則完全沒有必要設定混合制冷模式。

4) 應用于夏熱冬暖B區的新風直接自然冷卻空調箱的年當量完全自然冷卻時間與當地緯度成正比，與當地海拔成反比。

上述結論基于空氣品質全年均達標的前提下得出，具體項目應依據當地空氣品質的實際情況修正年當量完全自然冷卻時間。隨著我國室外空氣品質的持續改善及高溫耐腐蝕服務器的進一步推廣，全國各地數據中心因地制宜采用新風直接自然冷卻空調箱，充分發揮與其匹配的節能作用對我國經濟發展具有重要的環保經濟效益，有利于打造真正的綠色數據中心。