數據中心暖通系統節能措施探討

徐昌勇 安徽省公益性項目建設管理中心工程師

隨著數字經濟向社會各領域的持續滲透，社會對數據資源的存儲、計算以及應用需求大幅提升，伴隨著國家“東數西算”工程的全面啟動，大數據和云計算等新一代信息產業進入快速發展階段，數據中心建設也迎來了高速發展。持續優化數據中心能源的使用效率，對建設數據中心至關重要。

相關研究表明，數據中心能耗有1/3來源于暖通空調系統，僅次于IT 設備能耗。在數據中心正式運行初期，機柜負載率不高的情況下，空調系統能耗尤其突出，因此對暖通系統節能措施進行研究，不僅能降低自身能耗，提高數據中心空調系統運行效率，還能有效降低數據中心PUE 值，保障數據中心安全可靠運行，對研究數據中心節能十分重要[1]。

1 項目概況

安徽某數據中心項目位于合肥市濱湖新區，含12 層主樓、3 層裙房及單層地下室，總建筑面積為39 810 m2。本項目數據中心設計在建筑物的-1 層局部以及2 ～6層。其中，4 層局部、5 ～6 層為預留擴展區域。機房按照《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）A 級數據中心設計，機房面積約為14 000 m2，當期建設機柜858 臺，最大運行負荷約為4 860 kW，服務器滿配IT 系統負荷約為2 940 kW，暖通系統最大運行總負荷約為1 880 kW。滿負荷運行時，暖通系統負荷約占數據中心總負荷的38.7%，本項目也與上述研究數據吻合[2]。

2 數據中心的環境及節能要求

數據中心建設內容不僅包括傳統的土建工程，還涉及計算機設備制造、通信設備制造、各類計算軟件以及綠色能源供給等多種不同類別的建設內容，產業鏈條長、覆蓋門類廣，需集成各專業相關的技術標準和節能要求。

數據中心按照運行環境和功能需求通常可分為主機房、輔助區、支持區以及行政管理區等，各區域對環境的要求不同，需通過暖通空調系統來調節各區溫度、相對濕度、露點溫度和空氣潔凈度。主機房、支持區（如制冷站、設備用房、電池室、配電室）、輔助區（消控室、指揮中心、管道井）等為維持設備的正常工作，須進行精確的溫濕度控制，同時為了保持主機房內空氣潔凈度在一定范圍內，主機房應維持正壓。而管理區則只需要滿足人的舒適性需求，因此須對不同的環境區域進行合理的暖通空調系統設計。

目前，評價數據中心能效的權威指標是電能利用效率PUE，指的是數據中心總耗電量與數據中心IT 設備耗電量的比值。PUE 越接近1，則數據中心的能效越高[3]。2021 年10 月22 日，國家發改委聯合各部門發布的《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》中明確新建大型、超大型數據中心電能利用效率不超過1.3。到2025 年，數據中心電能利用效率應普遍不超過1.5[4]。為了盡可能降低PUE 值，需要對暖通空調系統能耗進行分析，并盡可能采取相關的節能措施。

3 數據中心暖通空調系統能耗影響因素分析

從數據中心項目建設的全生命周期來看，影響暖通空調系統能耗的因素主要有以下6 個方面。

第一，業主的需求及建設目標。在數據中心項目建設的決策階段，業主的總體投資規模及PUE 目標確定了數據中心總體包含暖通系統的的能耗狀況。

第二，暖通系統的設計、選型。依托業主的需求、投資規模、建設目標一及使用要求，設計單位通過計算分析，采用合理的暖通系統形式進行節能設計。不同設計方案采用的暖通系統、選取的設備導致實際的節能效果差異很大。例如，依據項目實際情況確定空調系統選用水系統或是風系統，為了避開能源使用高峰，考慮有無必要使用冰蓄冷等。

第三，不同能效等級的暖通設備。暖通設備能耗包括制冷機組、冷卻塔、水泵、末端精密空調、新風機組、恒濕及除濕機以及送排風機等設備運行產生的能耗。不同能效等級的設備能耗差異較大，一般選擇能效等級較低的設備。

第四，熱量交換和傳遞過程損失的能耗。如數據中心系統隔離端口或機柜盲板不完善，導致封閉冷通道或熱通道與外界空氣環境之間進行熱交換，造成暖通系統能耗損失等。

第五，保證市電中斷應急時間內數據設備和空調系統持續運行的電池系統等能耗。

第六，數據中心在實際運行過程中對暖通系統進行高效運維管理，降低能耗。如對輔助區和支持區空調系統進行合理的開關控制，在過渡季節合理切換制冷模式等，通過高效管理實現節能。

暖通空調系統設備運行受室外氣象條件、室內設計參數、圍護結構特點、樓宇控制（Building Automation，BA）系統以及運行管理等因素的影響很大，因此在數據中心項目建設決策階段應明確節能目標，并在項目實施階段進行科學的暖通系統設計，優化冷源系統、水系統、風系統設計，充分了解數據中心暖通空調系統設備性能，選取先進的設備材料，減少BA 控制系統誤差，提高運維管理水平等，有效降低暖通空調系統的能耗[5]。

4 數據中心的暖通系統節能措施探討

4.1 明確節能目標

在數據中心項目建設決策階段，可依據項目投資規模，參照政府有關部門發布的相關文件和政策，科學制定PUE 目標。一般PUE 越小，初投資越大，因此項目建設單位需合理評估項目的效益，避免浪費。

4.2 合理選擇暖通空調系統節能設備

4.2.1 應合理選擇冷源設備

數據中心冷源系統是暖通系統的心臟，冷源設備的能耗在暖通系統能耗中占比也最大，須根據項目所在地的氣候條件、項目規模、投資概算以及能源利用條件等因素充分論證確定。在冷源系統選擇時應盡可能加強對天然能源的有效運用，如自然冷卻和風能等；推進新技術的應用，如磁懸浮離心機組相比傳統冷水機組可減少機械摩擦，降低能耗和噪聲，提高效率。本項目制冷機房設置在地下一層，考慮到數據中心總負荷及土建前期預留條件，當期冷源系統配置3 臺1934 kW 低壓變頻水冷離心機組，兩用一備。設置高冷凍水供回水溫度為12 ℃/18 ℃，常規冷凍水供回水溫差為5 ℃，采用冷凍水供回水溫差為6 ℃，可減少冷凍水的流量和管網的阻力，降低制冷機組和水泵的運行能耗。

4.2.2 采用變頻電機降低能耗

本項目冷水機組、冷卻塔、水泵、末端精密空調、新風機以及送排風機等暖通設備均采用變頻控制，依據負荷調節電機轉速，降低功耗。當用戶工況負載不高時，使用變頻控制，調節壓縮機、風機和水泵的轉速，不僅節能，還能降低啟動電流，減少高電流對電網和設備電機的沖擊，延長設備使用壽命。

此外，本項目末端精密空調選型時，風量、制冷量、電機功率、能效比和供電電壓等參考現行主流產品，滿足設計要求，減少定制，送回風溫度能實現精確調節控制。采用高效熱管列間空調，使用高換熱量且承壓滿足要求的板式換熱器，提高換熱效率；濕機的氣流與精密空調氣流匹配，合理優化氣流組織。為保證新風需求和避免浪費，新風機組每層獨立設置，便于獨立調節和控制。通過合理選擇暖通空調系統設備，降低PUE 值。

4.3 采用自然冷卻技術

當室外溫度較低或投入運行初期機柜服務器負載率較低時，由冷卻塔及板式換熱器提供冷源換熱，通過BA 系統自動控制，冷水機組停運或部分開啟，縮短冷水機組運行時間，降低能耗。在用戶工況允許的條件下，采用自然冷卻技術相比傳統冷水機組電制冷運行節能效果明顯，后期將根據數據中心實際運行情況進行深入分析[6]。

4.4 封閉冷通道

采用封閉冷/熱通道，將冷、熱氣流完全隔離（另外要求機柜配盲板，減少冷熱氣流混合)，達到“先冷設備，再冷環境”的目的，并配套風量可調地板風口，保證不同功耗設備的散熱需要。本項目采用如圖1所示的封閉冷通道，一體化集成機柜系統、精密配電系統、制冷系統、管理系統以及綜合布線系統，模塊內所有柜體搭配結構密封件使模塊整體看起來高度統一且美觀。

圖1 封閉冷通道

4.5 降低水系統比摩阻

綜合考慮管徑、安裝空間、最小沖洗流速的前提下，盡量降低水系統比摩阻，減少整個水系統的水壓降，降低水泵的揚程，進而減少水泵的運行功率。同時管道可以容納的水容量更多，增加管道蓄冷的能力和水系統的穩定性。項目數據中心冷凍水采用一級泵變流量、雙立管環形系統，雙管路同時使用，檢修或故障時可切斷一路，另一路獨立運行，保證數據中心運行安全。

4.6 余熱回收

將數據中心服務器運行產生的大量余熱進行收集，如果條件允許，可利用回收的余熱通過熱泵機組升溫作為對建筑物供暖的補充，實現清潔采暖。本項目由于設計條件及初期運行規模的限制，未大面積進行余熱回收，僅蓄冷罐室、制冷機房以及局部電池室等區域結合實際情況采用了水氟兩用多聯空調，主機設置在空調間，利用水冷空調冷凍水進行水氟兩用多聯空調主機換熱，確保電池間不進水，保證運行安全，另外通過利用水源多聯式空調和水環新風機組提高換熱效率，減少外機對室外的碳排放及能源消耗。

4.7 提高送回風溫度

封閉冷通道后，空調回風溫度可提高至30 ～32 ℃（傳統機房回風溫度28 ℃)，減少空調系統運行能耗。當空調系統的送風和回風溫度提高1 ℃時，空調系統節電約2.5%，空調系統的制冷能力提高約5%。

4.8 溫濕度獨立控制

合肥地區秋夏季節空氣濕度大，其夏季除濕量非常大，提高水溫后，空調末端機組除濕能力較弱。本設計單獨配置恒濕器進行溫濕度的獨立控制，降低加濕耗電，節約能源。

4.9 環境與設備監控系統精確控制

環境與設備監控系統對機房各個系統實現全面集中監控和管理，監測并顯示數據中心的PUE 值。環控系統集成的暖通系統主要包括冷源群控系統、新風控制系統、排風控制系統、機房環境以及末端設備監測等。

監測冷凍/冷卻水供回水溫度、壓力、流量、水泵的啟停狀態，過載、故障報警，冷卻塔啟停、報警，液位信息等，實現冷源群控系統的自動開機、模式切換與智能控制。監測新風機組啟停、故障、手/自動狀態，機房溫濕度、壓差等實現新風機組的智能控制。監測氫氣傳感器、機房壓差、送排風及狀態等實現送排風系統智能控制。通過監測機房環境溫濕度、末端精密空調送回風溫度、風機轉速、偏移量、運行狀態、壓縮機狀態、水閥開度、過濾器和故障報警等信息，實現溫濕度度自動控制和調節。

本項目通過對數據中心主機房、輔助區、支持區的溫度、露點溫度、壓力、風速等環境參數以及暖通設備進行監測，將暖通系統主要設備納入集散式直接數字控制系統（DDC）進行控制，并將整個BA 系統接入指揮中心和運維值班室的環境與設備監控系統，在大屏上進行展示。IT 負荷為空載時的集中監控管理系統如圖2 所示。通過環控系統對運行情況進行分析，提供告警信息，交給運維人員及時處理。溫、濕度傳感器，壓差、流量傳感器等傳感器在安裝前應進行校準，以減少誤差，并通過智能BA 系統精確控制，降低能耗。

圖2 集中監控管理系統實時畫面

4.10 降低熱交換次數，提高熱交換效率

冰蓄冷系統雖然能降低運行費用，但不節電，只是利用了電價峰谷政策，錯峰進行耗能制冷。但是每多一次熱交換都會產生熱損失，總碳排放是增加的。因此，宜增加每次熱交換的效率，降低熱交換次數，控制總碳排放。

4.11 加強空調系統運維管理，減少浪費

在暖通空調系統的總能量損失中，很大一部分能耗由運維管理人員的操作問題造成，而這部分能耗損失可通過加強管理避免。為提高管理水平，運維團隊應熟悉數據中心圖紙、規范所有設備操作流程，嚴格執行機房運維值守制度，按規范和計劃對設備進行例行巡檢和維護保養，監測設備運行狀態，處理告警信息。

條件允許情況下，運維團隊應進行數據中心運行維護相關的能力認證，如Uptime Institute 頒發的M&O（運行維護）認證。暖通專業人員應具備國家安全生產監督管理部門頒發的制冷與空調設備運行操作作業證或安裝修理作業證，暖通團隊可進行注冊公用設備工程師專業培訓等，全方位提高運維人員的管理水平。

5 結語

數據中心暖通系統的運行應與IT 負載有效匹配，既要保證IT 系統能夠正常持續穩定運行，又要確定不會產生過多的制冷冗余，提高暖通系統的節能效率。數據中心暖通空調系統在建設和運行過程中有很多節能降耗的潛力，通過科學手段進行深入分析，合理優化設計，加強技術攻關，提高運維管理能力，采取有效措施，可有效實現節能降耗，降低數據中心PUE 值，建成高效、安全、可靠且綠色的新型數據中心，助力碳達峰、碳中和目標的實現。