聯通哈爾濱云數據中心綠色節能實踐

聯通數字科技有限公司 康 楠 張應文 顧小杰 劉 陽 丁會芳

0 引言

隨著5G商用時代來臨，用戶數據存儲量加大，國內數據中心需求迎來快速增長，在互聯網數據中心(IDC)產業爆發的同時，高能耗標簽也給數據中心帶來更大的挑戰。據不完全統計，我國每年有超過20億美元的投資用于數據服務器的電能和冷卻需求。相比于民用建筑空調，數據中心對溫濕度、潔凈度、氣流組織都有較高要求，設備的散熱量很大使得機房的空調能耗僅次于IT設備能耗，因此，如何降低空調能耗成為數據中心節能降耗的研究重點。本文以聯通哈爾濱云數據中心為例，主要介紹空調系統自然冷源運行方案，為數據中心空調系統的綜合節能建設與改造提供參考。

1 項目背景

聯通哈爾濱云數據中心位于北緯45°45′，是全球設立云計算中心的黃金緯度，年平均氣溫4.2 ℃，可通過冷空氣直接實現供冷。縱觀哈爾濱全年溫度分布，室外溫度低于20 ℃的時長占全年的82.1%，低于0 ℃的時長占32.0%，如圖1所示。這意味著哈爾濱室外蘊含著豐富的天然冷源，高效利用可大幅降低能耗，達到節能的目的。

圖1 哈爾濱室外溫度全年時長分布

2 空調系統設計

哈爾濱云數據中心位于哈爾濱市平房區，目前機房樓DC1已投產使用，設計機架1 800架。空調系統設計采用帶自然冷卻的集中水冷系統。為防止冬季系統結冰，自然冷卻系統換熱介質采用體積分數45%的乙二醇溶液，并配有板式換熱器、干冷器、乙二醇溶液泵及相應的切換控制系統。在冬季及過渡季采用干冷器供冷，縮短冷水主機運行時間，從而降低電力消耗。

當室外溫度穩定低于-5 ℃時，切換運行模式，開啟乙二醇溶液泵及對應的干冷器，關閉冷卻水泵及對應的冷卻塔，此時系統采用閉式干冷器進行散熱，干冷器供/回水設計溫度為5 ℃/10 ℃，換熱器兩側的換熱溫差為2 ℃，可提供7 ℃冷水供水。當室外溫度高于-5 ℃時，開啟冷卻水泵及對應的冷卻塔，關閉乙二醇溶液泵及對應的干冷器，此時系統采用冷卻塔進行散熱。空調水系統原理如圖2所示。

注：1) 自然冷卻模式時關閉冷卻水泵及對應的冷卻塔，開啟乙二醇溶液泵及對應的干冷器；2) 電制冷模式時開啟冷卻水泵及對應的冷卻塔，關閉乙二醇溶液泵及對應的干冷器。圖2 哈爾濱云數據中心DC1機房空調水系統原理圖

3 節能效益分析

現場運行維護過程中，在保證服務器運行環境前提下，運維人員根據機房內實際負荷及室外氣象參數，將冷水供/回水溫度調整為11 ℃/19 ℃。當室外溫度低于-5 ℃時，將制冷系統由冷水機組運行模式切換至自然冷卻模式，同時在室外溫度低于-15 ℃時，關閉干冷器風機及乙二醇溶液泵，乙二醇冷卻系統依靠重力循環進行換熱。

3.1 運行模式

以2019年全年為研究時間段，以哈爾濱云數據中心DC1機房樓制冷系統運行數據為研究對象，表1給出了空調運行模式時間分布。由表1可知全年自然冷卻系統運行時長占44.84%。

表1 空調運行模式時間分布

3.2 節電量分析

制冷系統設計配套設備參數如表2所示。

表2 制冷系統設計配套設備參數

2019年機房初步投產，機柜上架率僅為8%，表3給出了該工況下采用自然冷卻全年的節能數據，與全年采用電制冷運行模式相比，年節電率可達29%。

表3 現運行工況下采用自然冷卻的節能數據

表4給出了設計工況下制冷系統運行模式耗電量對比。隨著后期業務的不斷增多，在達到設計工況時，相比于傳統的電制冷運行模式，該運行模式預計年節電量578萬kW·h，節電率可達31%。

表4 設計工況下制冷系統運行模式耗電量對比

3.3 節水量分析

冬季采用閉式板式換熱器+干冷器自然冷卻方式運行，由于是閉式系統，冷卻水不與外界空氣直接接觸，系統幾乎不需補水，冬季用水量只用于機房加濕。在現運行工況下，電制冷模式耗水量為3 301.0 m3，自然冷卻模式用水量僅為219.5 m3，具有良好的節水效益，同時管道系統也不容易被污染。自然冷卻模式下冷卻水溫度較電制冷運行模式下溫度低，結垢率降低，幾乎不需要水處理。

在達到設計工況后，相比于傳統的電制冷運行模式，自然冷卻模式預計年節水量為26 984 m3，節水率可達21%，見表5。

表5 滿負荷工況下制冷系統運行模式耗水量對比

4 結語

以哈爾濱云數據中心DC1機房樓為例進行對比分析，相比于傳統的電制冷運行模式，采用自然冷卻的空調系統年節電率達31%，節水率達21%，具有良好的效益。立足于哈爾濱地區天然冷源的優勢，哈爾濱云數據中心因地制宜，采用節能技術。后期將更加深入研究節能新技術，充分利用節能手段，全力打造綠色數據中心。