數據中心空調系統節能措施淺析

潘志強，李岑，田志景，姚新宇，曹旭

（中郵建技術有限公司，江蘇 南京 210012）

數據中心使用的制冷系統，其主要目的是為防止IDC機房服務器設備過熱，保證業務穩定持續。按照多年來傳統機房空調的溫度設置，無論冬夏晝夜，空調溫度都基本統一設置在18～25℃甚至更低。通過對IDC機房用能組成現狀的調查統計，并抽取典型IDC數據中心空調系統各設備能耗數據進行分析，如圖1所示。

圖1 IDC機房能耗分布圖

從統計結果可以看到，空調和ICT設備的耗電占據了數據中心總耗電量的絕大部分，其中空調設備的耗電量占總耗電量的31%；通過進一步分析空調系統各設備能耗發現，冷水機組、循環水泵、空調末端是空調系統中主要耗電設備，占據空調系統整體能耗的97%。因此，降低空調系統的能耗可以有效降低IDC數據中心PUE數值，本文主要針對提高機房內環境溫度、優化空調設備的運行策略、延長使用自然冷源等節能措施展開討論。

1 提升機房溫度

1.1 溫度提升需要考慮的因素

機房設備主要為通信設備和配套設備2類，通信設備通常為IT業務設備，配套設備有監控傳輸、空調設備等。

1.1.1 ICT設備

ICT設備長期正常工作溫度范圍為5～45℃，理論上只要機房環境溫度常年保持在15～35℃、濕度30%～80%，設備能夠正常穩定工作，因此適當提高機房內空調末端送風（回風）溫度可以降低空調末端的能耗。

1.1.2 傳輸監控設備

傳輸監控設備長期正常工作溫度范圍為0～45℃，濕度范圍為10%～90%。在保證傳輸設備正常工作的情況下，也可通過提高機房室內溫度的措施，對空調末端設備進行節能運行。

1.2 提高空調末端送風（回風）溫度

目前IDC數據中心機房內溫度控制的方式主要由空調末端回風溫度控制和送風溫度控制兩種方式,兩者的區別在于參與控制的溫度采樣點位置的不同和運行控制邏輯不同。

若采用回風溫度控制方式時,回風溫度為直接控制對象，通過比較回風溫度與機房溫度設定值的差值控制空調末端的運行工況；若采用送風溫度控制方式時,送風溫度為直接控制對象，通過比較機房溫度實測值與機房溫度設定值的差值控制空調末端運行工況。顯然，采用回風溫度更能代表機房內平均溫度。

1.3 實施效果

2個核心機房和2個IDC機房，通過提高空調末端回風溫度、同時段比較能耗情況。提升機房溫度，測點的最高溫度沒有上升，機房的溫度場得到優化，如序號2，每提升1℃，空調節電率在2.5%～5%之間甚至更高，個別機房可以達到6.25%。

2 空調設備的運行策略

2.1 采用變流量水系統

定流量系統是國內工程設計中應用較多的一種系統形式，通過冷水機組的冷水流量不變。當空調系統中空調末端冷負荷減少時，導致冷凍水供、回水溫差減少，所以絕大部分運行時間內，空調冷凍水系統處于大流量、小溫差的狀態，造成循環水泵能耗偏高。

相較于定流量系統，變流量系統可使冷水機組蒸發器側流量隨負荷側流量的變化而改變，從而最大限度地降低循環水泵的能耗。

利用循環水泵軸功率與電機頻率立方成正比關系P1/P2 =（n1/n2）3，流量與電機頻率（轉速）成正比的關系P1/P2 = n1/n2，通過降低循環水泵使用頻率來節省能耗。

根據現場調研結果，以呼和浩特某數據中心機柜加電率（94.3%）及機房熱負荷6959.208 kW（實際加電功率5799.34 kW*系數1.2）計算，冷凍水系統內水流量必須要達到1400m3/h才能滿足正常制冷需求（供回水溫差5℃）。

以往需開啟2臺90 kW水泵供水：

Q=800m3*2=1600m3

電機需投入的功率：P=90kW*2=180kW

現采用3臺90 kW水泵供水，并下調電機頻率，

水泵供水量：Q=80%*800m3*3=1920m3

電機需投入的功率：P=(80%)3*90kW*3=138 kW

節省的功率：P= 2*90-138=52 kW

此時系統內流量充足，而電機投入的功率下降。

同理將110kW冷卻泵調整后：

電機需投入的功率：P=(80%)3*3*110 kW=135 kW

節省的功率：P= 2*110-135=85 kW

投入3臺冷凍泵、冷卻泵,可節省：P=52+85=137 kW

實施效果如表3所示，2套制冷系統、循環水泵頻率50Hz運行時，循環水泵日整體能耗為9600Kw·h，3套1200RT制冷系統、循環水泵頻率40Hz運行時，循環水泵日整體能耗為7372.8kW·h。3套1200RT制冷系統、循環水泵頻率35Hz運行時，循環水泵日整體能耗為4939.2kW·h，節電率48.5%。

2.2 調節冷水機組運行工況

離心式冷水機組的工作效率，除了考慮離心式壓縮機本身的效率外，還應結合實際運行條件考慮冷水機組在不同負載條件下的實際綜合COP。以某品牌制冷量2300RT的離心式冷水機組為例，如圖2所示，在保證冷水機組的制冷量與空調末端負荷相匹配的情況下，通過人工或自控系統使冷水機組在50%～80%負載狀態下運行，將其控制在最佳節能區域。

圖2 水冷機組性能曲線圖

3 提高自然冷源利用效率

3.1 提高冷卻塔冷選型

冷卻塔選型適度放大，按照冬季選型，夏季校核，逼近度由原設計方案的5.5℃改為3.5℃，即在保證冷卻水供水溫度不變時，濕球溫度由8℃提升至10℃，全年自然冷源利用時間可提升385h。

3.2 自然冷源切換

結合運行實際情況優化暖通系統控制邏輯，合理使用預冷模式和全冷卻塔冷卻模式。冷機制冷模式： 當室外濕球溫度t>22℃（可調）時，冷機工作，自然冷源不工作；預冷模式：當室外濕球溫度15℃＜t≤22℃（可調）時，機械冷源與自然冷源聯合運行；完全自然冷卻模式：當室外濕球溫度t≤15℃（可調）時，冷機不工作，自然冷源工作。

以呼和浩特某數據中心為例，調整前當室外濕球溫度低于5℃時啟用2臺板式換熱器（單臺制冷量4500kW）制冷，調整后當室外濕球溫度低于7℃時啟用3臺板式換熱器（單臺制冷量4500kW）可滿足制冷需求。即在現有熱負荷工況下可提前或延后自然冷源使用時間（由原來的11月～次年3月變更為10月～次年4月），在10～11月和3～4月采用水冷機組與板式換熱器相結合的方式降低制冷耗能。

實施效果如圖3所示，以某年10月份水冷機組耗電量273886kW·h，環比9月份下降266340kW·h，節電效果顯著。

圖3 冷源能耗對比

4 結語

隨著云計算數據中心的大量投運，先期的大資金設備投入占所有投入的比例已經逐步減少，而運營維護及基礎建設的費用卻始終居高不下，通過綠色環保理念、運用節能減排技術，減少這些運行維護及基礎建設的費用，也將為運行商自身節約大量開支，更有效地實行可持續發展。本文根據數據中心實際運行情況，結合測試數據，提出了數據中心制冷系統節能的方法，為制冷系統節能控制策略的制訂和實施提供了參考。