簡析數據中心空調系統節能技術的應用

程小靜 劉彬

華信咨詢設計研究院有限公司

隨著云計算、大數據、人工智能、物聯網的深入發展，信息數據呈現快速增長趨勢，數據中心的能耗在能源消耗中所占的比例不斷增加。通常，IT 設備能耗約占數據中心總能耗的50%，空調系統能耗約占40%，供電系統能耗約占10%[1]。空調系統能耗作為數據中心能耗的主要組成部分，是數據中心節能潛力所在，如何提高空調系統運行效率、降低空調系統能耗，從而實現數據中心高效低碳健康發展顯得尤為重要。

1 數據中心能耗分析

針對大型數據中心采用集中式冷凍水空調系統，其能耗主要由冷源能耗（主機能耗）、輸送能耗（水泵能耗）、末端能耗（風機能耗）三大部分組成（圖1），在保證通信設備安全運行的前提下，可以從各環節入手，以達到最大限度的節能目的。

圖1 集中式冷凍水空調系統能耗組成

冷源能耗受室外環境溫濕度、機房環境溫濕度、IT設備負載率、冷凍水供回水溫度影響較大。

輸送能耗主要取決于水冷系統架構，各機房管路設計需考慮互用互通，同時在每個節點兩端設置閥門，保證單點故障或單點維護時可以滿足整個水系統的不間斷運行。為了有效的提高設備能效，冷凍水泵、冷卻水泵均采用變頻技術，按照實際負載有效控制水泵的轉速，實現部分負荷時段的節能運行。

末端能耗受機房內部氣流組織影響較大，氣流組織不合理或服務器分布不均勻會導致局部熱點的出現。通常，運維人員會調低空調設備的運行溫度，整體降低機房環境溫度，當機房空調運行工況參數降低時，對應的風機功率也會提高。因此，機房空調溫度設定的不合理會極大地增加末端系統的能耗。另外，數據中心空調末端具有多元化，針對高熱密度機柜（單機柜功耗大于5 kW，甚至達到10～20 kW），采用新型空調末端（行間背板液冷等）成為數據中心空調末端發展趨勢，它不僅能解決高熱密度等大型服務器散熱問題，同時也提高了機房利用率，降低了末端系統運行能耗。

2 空調節能技術

2.1 合理利用自然冷源

數據中心常年需要不間斷供冷，在冬季和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，如何利用免費冷源進行冷卻是數據中心空調系統節能的重點問題。本文主要介紹在工程中運用較多的水側自然冷卻技術、間接蒸發冷卻技術。

2.1.1 水側自然冷卻技術

應用水側自然冷卻技術，即采用冷水機組+板式換熱器+冷卻塔組成的集中空調系統形式。當室外環境溫度較低，全部或部分使用自然界的免費冷源進行制冷從而減少冷水機組壓縮機的能耗。以北京某數據中心為例，如果將冷凍水供回水溫度提高到15 ℃/21 ℃，當冷卻水供水溫度高于13.5 ℃時，冷水機組為數據中心提供全部冷負荷。當冷卻水供水溫度低于13.5 ℃且高于8 ℃時，系統開始使用部分免費制冷，此時冷卻塔和冷水機組共同承擔系統的冷負荷。當冷卻水供水溫度低于8 ℃時，冷水機組停止運行，全部由冷卻塔免費供冷。

基于北京全年濕球溫度時長分布（圖2）和不同運行工況小時段（表1）：一年中有62.8%的時間（5502 h）可以利用自然冷源，其中48.3%的時間（4231 h）為全部自然冷卻，14.5%的時間（1271 h）為部分自然冷卻。在冬季和過渡季節，通過自然冷卻技術減少冷機的運行時間和強度，有效降低空調系統功耗。

圖2 全年濕球溫度時長分布

表1 不同運行工況小時段

2.1.2 間接蒸發冷卻技術

應用間接蒸發冷卻技術，即機房室內回風與室外新風通過間接接觸進行顯熱交換，室外新風側通過與直接蒸發冷卻填料、高壓噴頭形成的霧化水滴、換熱器表面的水膜等直接接觸，進行充分的熱濕交換。通過絕熱噴淋、等焓加濕得到的室外側空氣溫度（理論上可以將室外的干球溫度冷卻到和濕球溫度相同）與機房內部回風溫度形成溫差，通過空氣-空氣換熱器進行換熱，從而達到冷卻IT 設備的目的。

間接蒸發冷卻系統（圖3）以自然冷卻為主，機械制冷作為補充，當室外環境溫度較低時，機房室內回風通過空氣-空氣換熱器被室外低溫空氣直接冷卻，當室外環境溫度較溫和時，室外空氣通過噴淋蒸發系統進行冷卻，再通過空氣-空氣換熱器冷卻室內回風，當室外溫度較高且濕球溫度也高時，噴淋蒸發系統和機械制冷系列聯合運行，共同滿足制冷需求。

圖3 間接蒸發冷卻空調系統示意圖

間接蒸發冷卻技術可顯著提高全年免費制冷的時間，與常規機械制冷相比，在炎熱干燥地區可節能80%～90%，在炎熱潮濕地區可節能20%～25%，在中等濕度地區可節能40%，極大降低了空調系統能耗。

2.2 氣流組織優化

機房氣流組織是影響數據中心空調系統節能的重要因素，不同的氣流組織形式對機房環境溫濕度的控制及設備冷卻效果會產生直接的影響。在數據機房中，空調送風方式的選擇、機柜的排列布置影響到機房內部整體的熱量分布，也是體現氣流組織優化的一個重要方向。通過合理的送風方式和機柜的優化布置，可以有效降低空調系統能耗，減少冷熱氣流間的相互影響，提高冷量利用率，同時使機房內部溫度分布更為均勻，避免局部熱點的產生。

2.2.1 地板下送風+封閉冷通道

將冷風送至架空地板下，機房內架空地板下形成靜壓腔。在封閉冷通道內設置通風地板，地板下的冷空氣通過通風地板送至服務器機柜，達到“先冷設備，再冷環境”的目的，提高空調利用效率，降低能耗。服務器機柜內的熱量從機柜后部或上部排出，經過精密空調處理后重新形成冷空氣送至機房，完成循環過程。封閉冷通道后，空調回風溫度可提高至33 ℃左右（傳統機房回風溫度24 ℃），減少空調系統運行能耗。冷通道示意圖如圖4 所示。

圖4 封閉冷通道示意圖

2.2.2 彌漫送風+封閉熱通道

將冷風直接送至機房冷通道內（不設架空地板），帶走服務器機柜的熱量，從機柜后部排出至封閉熱通道，再通過熱回風吊頂送至空調上部回風口，經冷卻處理后重新形成冷空氣送至機房，實現循環制冷的效果。封閉熱通道后，空調回風溫度可提高至35 ℃左右，冷水供水溫度相應提高，水側免費自然冷卻時間延長，冷水機組COP 提高[2]。同時，供水溫度的提高對冷機效率也有影響，蒸發溫度每提高0.6 ℃，效率增加1%～3%,冷機的能耗顯著降低。熱通道示意圖如圖5所示。

圖5 封閉熱通道示意圖

2.3 采用變頻技術

數據中心的服務器功耗與承載業務量和運行狀態有關，每天24 h 都在變化[3]，因此數據中心的能耗也會呈現周期性的變化，空調系統大部分時間在部分負荷下運行，采用變頻壓縮機、水泵、風機等設備可有效提高空調系統制冷效率[4-5]。冷水主機根據末端負載的不同變頻調節，使機組保持較高的運行效率，同時避免了運行工況的劇烈變化，如壓縮機的頻繁啟停等，提高了設備工作的穩定性，延長了使用壽命。在數據中心負荷和機房室內外溫度發生變化時，可以通過調節轉速改變冷卻塔風機和水泵的性能曲線，使系統保持較高的運行效率。當流量減少50%，普通空調系統的風機或水泵能耗減少20%～30%，采用變頻技術可減少70%～80%[1]，節能效果明顯。

2.4 采用液冷技術

應用液冷技術，即使用液體取代空氣作為冷媒，為發熱部件進行換熱，帶走熱量。根據制冷液體與設備之間的接觸方式，分為冷板式（間接接觸）和浸沒式（直接接觸）。冷板式液冷，是在發熱芯片處加裝液冷板，液體在通過冷板的時候將設備的熱量帶走，達到散熱的目的，機柜內部由于不能接觸到液體，依然需要風扇來散熱。浸沒式液冷的特點在于將服務器等需要散熱的IT 設備完全浸沒在冷卻液中，依靠液體的循環流動帶走熱量。由于冷卻液和IT 設備充分接觸，再加上沒有風扇，散熱效率更高，噪音更低。

液冷系統由液冷終端、熱交換單元（CDU）、冷源設備組成（圖6）。CDU 為整個室內系統冷媒提供循環動力，保證冷媒持續循環，源源不斷地帶走負載熱量。通過綜合分析系統運行狀態，根據預定策略，調節系統中冷媒的流量、流速。室內側與室外側通過CDU 進行熱交換，最終將負載產生的、由冷媒攜帶的熱量高效傳遞到室外側。

圖6 液冷系統運行原理圖

液冷技術的高效制冷可以有效提升服務器的使用效率，液體導熱能力更好，是空氣的25 倍，溫度傳遞效果更快、更優，實現IT 設備高效制冷。液冷數據中心雖然增加了泵和冷卻液系統，但省卻了空調系統和相應基礎設施的建設，節省了大量空間，有助于提高數據中心單位空間的服務器密度。同時液冷技術對于高功率密度服務器的冷卻能力優良，可以得到更高的運算效率。與傳統風冷系統相比，液冷數據中心能有效降低能源消耗（如表2 所示），很多浸沒式液冷數據中心的PUE（數據中心電力使用效率指標）甚至可以降到1.05，滿足綠色數據中心的要求。

表2 機柜不同冷卻方式對比分析

3 結束語

本文對數據中心冷源能耗（主機能耗）、輸送能耗（水泵能耗）、末端能耗（風機能耗）進行了研究分析，最大限度利用自然冷源，對數據中心氣流組織進行優化，采用變頻技術和新型液冷技術，在保證可靠和安全的前提下，實現數據中心空調系統節能最大化，為實現數據中心高效低碳健康發展提供參考和依據。