淺析數據機房節能技術策略

應寅

（上海市安裝工程集團有限公司）

（Shanghai Installation Engineering Group Co.,Ltd.）

1 引言

隨著社會的發展，空調能耗在生產生活總能耗中一直占有相當大的比例，而能源短缺更加重了對空調使用的各種限制。數據機房是新基建發展的基礎之一，能耗問題能否緩解是我國關注的焦點問題。

空調系統對數據機房內的環境溫度變化具有合理調控的作用，能夠有效地改善數據機房內設備運行環境，所以用怎樣的空調冷卻方式、如何優化控制方式對節能減排尤為關鍵[1]。

本文依托松江大數據計算中心項目（項目總建筑面積23000多㎡，容納機構數量約4000個）探索在我國華東地區（建筑氣候劃分為“夏熱冬冷地區”）利用適合的空調制冷技術節能、節水的經驗。

2 機房冷卻技術的比選

在自然環境條件中，室內溫度變化主要受季節、氣候、地理位置等自然因素的影響。通過水分蒸發冷卻進行降溫是一個大家熟識的物理過程，但直接蒸發冷卻（Direct evaporative cooling，簡稱DEC）是通過空氣與水大面積的直接接觸，水的蒸發使空氣和水的溫度都降低，此過程會增加空氣中的含濕量，空氣的顯熱轉化為潛熱，是絕熱加濕過程。在我國華東“夏熱冬冷”地區還要考慮除濕，勢必會增加整體能耗[2]。

間接蒸發冷卻（Indirect evaporative cooling，簡稱IEC）是把直接蒸發冷卻過程中降溫后的空氣和水進行非接觸式換熱處理，在室內溫度降低的同時，含濕量不變（見圖1）。

圖1 DEC、IEC焓濕變化對比圖

間接蒸發型空調機組與傳統機械制冷機組相比，在耗電量、環境友好無污染、投資成本和維護難度等各方面都有優勢。

但是，間接蒸發冷卻在水和空氣間熱質交換過程中表現出來的高度時變和非線性特性，影響了控制（數學）模型的求解，以及相關物理模型的建立。

隨著工業自控技術、建筑設備環境控制技術的發展，利用集成了電源、制冷機組、IT微模塊和綠色環保材料的預制化數據中心物理基礎設施系統，可以滿足不同需求的機房部署，并能達到節能成效。

3 預制化制冷模塊

在眾多基礎設施系統的功能模塊中，與節能息息相關的就是制冷模塊，本文論述的數據機房項目就是使用了國際領先的快交付周期（下單到交付3個月）、易快速部署（僅需三通一平）、緊湊標準化的箱式制冷組件（見圖2），降低了全生命成本。

圖2 間接蒸發制冷模塊示意圖

該組件以間接蒸發自然冷為核心技術，通過3種工況模式：空-空節能冷卻模式、帶蒸發冷卻的空-空冷卻模式和直膨制冷模式。直膨模式是前2種節能模式的補充，目的是防止在極端條件下，由于制冷要求不符導致數據機房內設備過熱宕機或損壞，在控制邏輯中定義嚴苛，能耗比不大于整個能耗量的5%。

先進的制冷模塊加上合理的模塊化布局，才能最大限度的發揮機房集約化節能效果。該系統除了制冷模塊之外，還有制冷接駁模塊、IT模塊、不間斷電源模塊以及自然冷卻和補水模塊。

本項目的基本模塊架構和模塊內計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics簡稱CFD）模擬圖（見圖3）。它能幫助設計施工人員從項目伊始，就能對氣流溫度分布有直觀了解，也能從一開始就能針對降溫不利點（熱點）進行管控，通過設置風口，減少負荷，規劃氣流組織等有效技術手段加以規避。

圖3 模塊搭建及溫度場分布(1.6m高處)圖

該項目一共涉及圖示模塊組18組，每組包含12個IT模塊、12個不間斷電源模塊、4個制冷接駁模塊和8個制冷模塊。每個IT模塊可容納機柜216個（單個機柜平均負載6.5kW），總計3888個機柜。

4 制冷控制策略及管理平臺

本項目的制冷模塊控制策略如圖4所示。通過分布式控制單元獲取所有模塊組內傳感信息，對設備實時狀態進行監控，發布指令[3]。每個冷卻模塊連同電源模塊、IT模塊等所有模塊組內子系統（設備），都通過高速數據網絡以星型拓撲連接的方式，把每個模塊組內的數據傳輸至分布式控制模塊單元。數據主干網絡再把所有模塊組的設備信息投射至數據中心管理平臺（DCIM）上。工程師可以分別配置分控單元和中央單元的信息處理和控制權限，平衡前后端的算力，使整個項目運行在最佳狀態。

圖4 制冷模塊工藝控制流程簡圖

在數據中心管理平臺（DCIM）人機交互的界面上，既能通過庫存管理、PUE計算器、實時設備報警以及基于位置的下鉆來即時縱覽數據中心的運行情況，亦能利用云歷史數據庫進行分析比對，出具報表，通過智能型制冷控制來動態消除熱點并節省能源[4]（見圖5）。

圖5 DCIM平臺3D界面圖

5 結語

數據中心的需求缺口與高耗能劣勢，迫使我們必須建設綠色節能的數據中心。2019年，上海市經信委、發改委聯合提出了“新建互聯網數據中心PUE值嚴格控制在1.3以下”。本文論及的新建項目設計要求PUE值不高于1.3，從2021年5月開始試運行，月PUE均值1.29，完全符合設計要求。

筆者將帶領建設與運維團隊持續關注項目運行狀態，預計通過一年的數據積累，相信會對該項目涉及的節能技術有更透徹的理解。希望通過不斷的數據分析和研究，為后續類似工程的建設積累寶貴的經驗。