基于群控技術的數據中心空調系統研究

摘要：本文針對數據中心機房對環境圖溫濕度敏感的特點，系統地開展空調系統的研究，綜合考慮數據中心規模和自然冷源利用，優化氣流組織，降低機房的空調能耗，選取合適的空調系統以達到節能的效果。同時空調主機、水泵、空調末端、管路系統、補水系統均納入空調自控系統中。群控系統根據空調系統水溫、流量、機房內環境溫度的情況實現最優化運行。

關鍵詞：數據中心機房;氣流組織：能耗;節能;群控技術

0引言

隨著互聯網領域的快速發展和云計算的廣泛應用，數據存儲規模、計算能力大幅增加，使得數據中心市場規模不斷加大。同時數據中心是一個耗能大戶，不僅電子設備本身耗電之外，空調系統的耗電非常大，占數據中心總能耗的40%以上。因此，降低空調系統能耗成為數據中心節能的重點。空調系統是數據中心設備安全、穩定運行的基本保障。數據中心空調系統不同于一般舒適性空調系統，其主要目的是消除設備散熱，保證機房穩定運行，且需全天24h制冷運行。因此，本文以數據中心為研究對象分析空調系統的最優布置。

1數據中心常用空調系統介紹

1.1集中式冷源

數據中心空調系統按照冷源方式可分為集中式冷源系統和分散式冷源系統，目前在數據中心運用較多，較常見的集中式冷源有水冷冷凍水空調系統和風冷冷凍水空調系統;分散式冷源有風冷直膨式系統。

1.2數據中心末端空調形式

數據中心經過多年發展，從傳統型的房間級空調到貼近機柜的行級空調再到機柜級的背板空調等直至現在正在探索的芯片級（液冷等）制冷單元，不僅服務器功耗可由原來的1-2KW提高到現在的15-20KW甚至30-50KW或更高，制冷效率也提升了30%-40%。

1.2.1房間級制冷

傳統房間級通常采用機房專用空調，其主要是先將房間環境溫度冷卻再對服務器冷卻。根據冷卻方式不同可分為水冷和風冷，按照送風方式可分為風帽直吹型送風、上送風和下送風型。

1.2.2行級制冷

行級空調，空調與機柜并柜緊貼中，緊靠熱源安裝，就近制冷，可將機柜散發的熱量快速帶走。根據冷卻方式不同可分為水冷和風冷等，其送風可選前送、單側送、雙側送、45°角送等。

1.2.3機柜級制冷

制冷單元與機柜相關聯，機組直接安裝在IT機柜上或其內部，是近端供冷的形式之一。柜級空調型式多樣，有背板、前門、柜內、柜頂等，按照冷源可分為水冷、風冷和熱管型等。

2空調方案

2.1空調方案設計

根據數據中心對土建要求及本工程圍護結構等情況，對空調的冷負荷進行估算。空調冷負荷主要考慮建筑圍護結構負荷、新風、照明、人員負荷以及IT設備的發熱形成的負荷，計算確定機房樓的空調所需負荷。機房樓空調冷負荷Q=Q1+Q2，其中Q1為設備散熱量;Q2為機房外墻等圍護結構傳熱量、外窗太陽輻射、人員及照明等因素引起的冷負荷。

綜合考慮數據中心規模和自然冷源利用，采用帶自然冷卻功能的風冷冷凍水系統。空調主機采用帶自然冷源模塊的風冷磁懸浮離心式冷水機組，提高空調系統效率。主機采用N+1備份方式，任一主機出現故障和問題時，仍然能保證系統的正常運行。

2.2空調群控技術

2.2.1主機群控

空調主機、水泵、管路系統、補水系統均納入空調自控系統中。自控系統根據空調系統水溫、流量、機房內環境溫度的情況實現最優化運行。同時對機房空調能耗進行實時監控。

群控系統應能夠監測風冷機組的運行狀態和故障狀況，能夠遠程控制風冷機的啟停，能夠監測循環水泵的運行狀態、手動/自動狀態和故障狀況，能夠控制循環水泵的啟停，可以監控制冷系統的供回水壓力、溫度、流量等參數，監控制冷系統的電動蝶閥、壓差旁通閥等。群控系統根據機組供水/回水總管的供/回水溫度、流量，計算冷負荷，根據冷負荷的變化決定開啟機組及對應的水泵臺數，供回水壓差控制旁通閥。

2.3末端建設方案

列間空調緊貼機柜布置，空調正面吹出冷風，經過服務器機柜后，將服務器冷卻，熱風再回到列間空調。該種方式氣流路徑短，風機不需要大壓頭，風機功耗更小。并且列間空調采用直流無刷EC風機，風量可根據實際負荷需求進行無極調速。當負荷小時，風機低速運行，實現節能目的。

機房采用封閉熱通道的方式，機架采用面對面、背對背方式布置，使面對面一側形成冷風通道（冷區）、背對背一側形成熱風通道（熱區）。這種方式將服務器排出的熱氣與服務器進風口處的空調冷風分離，避免冷、熱空氣摻混，避免前列機架上設備排出的熱風被服務器自帶的風扇送入下一列設備的進風口，確保熱氣盡快從熱區（熱通道）返回空調機，確保設置在“冷區”的服務器進風口保持低溫，提高冷空氣的有效利用率。封閉熱通道將服務器產生的高溫空氣全部封閉在列間空調的回風區域內，使冷風和熱風有效隔離，冷熱不混合，冷量損失更小;同時冷風進入機柜，利用率更高。同時通過提高熱通道溫度（空調回風溫度），如提升至35℃，可提高空調制冷能力和制冷效率，達到節能目的。

3結論

空調系統采用帶自然冷卻功能的系統。而本項目機架數量少，冷負荷需求較小，綜合考慮數據中心規模和自然冷源利用，采用帶自然冷卻功能的風冷冷凍水系統。空調主機采用帶自然冷源模塊的風冷磁懸浮離心式冷水機組，空調主機和水泵均采用變頻調節技術，可根據系統實際負荷的變化調節冷量輸出，達到節能的目的。

本站選擇列間空調+封閉熱通道方式給IT機房使用，以配合機房的模塊化、一體化和智能化實施。機架采用面對面、背對背方式布置，避免冷、熱空氣摻混，提高冷空氣的有效利用率，可提高空調制冷能力和制冷效率，達到節能目的。而電力室等區域則選擇傳統的水冷精密空調+風管送風方式，保證電力室的溫濕度。

采用新型末端，優化氣流組織。本站數據中心采用冷凍水列間空調和封閉熱通道方式，有效降低機房的空調能耗，降低機房PUE。

空調主機、水泵、空調末端、管路系統、補水系統均納入空調自控系統中。自控系統根據空調系統水溫、流量、機房內環境溫度的情況實現最優化運行。同時對機房空調能耗進行實時監控。

參考文獻

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作者簡介

朱興龍——研究生，中級工程師，研究方向為變電站的建筑、結構設計，從事變電土建設計工作。

南京電力設計研究院有限公司，江蘇南京?210009