關于數據中心精密空調節能方式的研究

吳俊

（云橋智能科技有限公司，安徽 合肥 230000）

數據中心的PUE值是Power Usage Effectiveness的簡寫，是數據中心電力使用效率的衡量指標。PUE值是數據中心消耗的所有能源與IT設備負載消耗的所有能源比值，其值無限接近于1，卻始終大于1。值越低，表明IT負載消耗得越少，即電力使用效率越高。數據中心消耗的能源包括IT負載（服務器設備、網絡交換設備、存儲設備等）、空氣調節設備負載（精密空調設備、新風換氣設備、暖通設備等）和輸助負載（照明、插座、監控大屏等）等系統的消耗。其中精密空調設備負載在數據中心總負載中占比很大，所以有效的降低精密空調設備負載，則降低了數據中心的PUE值。

1 數據中心為什么選擇精密空調

《數據中心設計規范》GB 50174-2017規定主機房內的溫度、露點溫度和相對濕度應滿足電子信息設備的使用要求。主機房環境溫度（開機時）18～28℃、35%～75%，不得結露。數據中心計算機主機及通訊設備是高精密的微電子設備，在運行時會產生大量的熱量，且需要恒溫恒濕的環境。溫濕度的變化值會引起設備運行的不穩定，甚至會宕機，造成網絡中斷及數據丟失等嚴重后果。精密空調系統的設計是為了進行精確的濕度和濕度控制。

精空空調系統具有高可靠性，保證系統終年連續運行，并且具有可維修性、組裝靈活性和冗余性，可以保證技術室空調全天24小時正常運行

2 數據中心精密空調節能方式

2.1 增加室外機散熱效率

現市場上大部分精密空調廠商的室外機設定的環境溫度為35～38℃左右，現在全球氣候逐漸變暖，很多地區的夏季高溫，室外溫度甚至超過40℃。精密空調室外機運行的環境溫度升高，導致冷凝溫度升高，散熱能力下降，達到一定程度時會引起高壓報警，甚至引起精密空調系統停機。

有研究資料表明，空調外機的進風溫度每高出1℃，空調系統的 Coefficient of Performance下降約3%，當進風溫度超過45℃時將可能會導致空調系統無法正常運行。因此，正確認識精密空調室外機周圍熱環境的影響，對降低空調的能耗，提升空調效率，實現數據中心節能有重大的意義。

表1是在四種冷凝溫度情況時，模擬計算工況為蒸發溫度5℃，過熱度7℃，過冷度8℃，采用CoolPack軟件進行制冷能效計算。從計算結果中，我們可以看出，空調系統的冷凝溫度越高，空調的能效比越低，所以保證空調系統室外機周圍的熱環境，可以提高空調系統的工作效率，降低其運行負載。

表1 四種冷凝溫度情況時的制冷能效

因此，為了增加精密空調室外機的散熱效率，空調室外機的安裝時需考慮周圍環境，應保證空調流動暢通，遠離熱源以及污染源等，還應保足夠的維修空間，具體有如下方式：

（1）利用軟件優化精密空調室內外機布局CFD防真軟件能夠在虛擬環境下，可精確地模擬空氣流動、空氣質量、傳/散熱、溫濕度等，將空氣流動形式直觀的呈現出來，是目前常用的解決數據中心冷熱空氣流通問題的科技手段，數據中心無論室內機還是室外機的氣流組織都可以通過CFD防真軟件進行設計。對于數據中心室內機的氣流組織應該冷風和熱風走向分明，不形成混風模式；對于室外機，如果數量較多且安裝環境不好，則容易形成熱量聚集，散熱效果差，通過CFD防真軟件可對室外機安裝周圍環境進行模擬，選取室外機安裝的最佳方案。

（2）優化建筑物風口結構對于分層安裝在建筑物外立面的精密空調室外機，如室外機風口處有影響空氣流通的建筑體、裝飾結構等，條件允許時，可進行拆除；無法拆除時，宜采用通風率高的風口，風口的通風面積宜高于75%，不易產生熱量堆積。

（3）強化室外機散熱利用霧化噴淋對冷凝器進行強化散熱的目的，霧化噴淋冷卻是將軟化水加壓后，利用霧化噴嘴將其完全霧化，在高溫時，對空調室外機進行噴灑，降低空調室外機的進風溫度，在此過程中，空氣中的水汽含量增加，相對濕度增大，但水在由小液霧變成水蒸氣時，對冷凝器周圍環境吸熱降溫。

（4）增加精密空調室外機遮陽篷空調室外機室外露天安裝時，在機房屋面增加遮陽通風百葉篷，減少陽光照射，降溫節能。如圖1實例。按照已有的北京網通的實際案例（數據僅供參考），夏季高溫季節，經遮陽后，遮陽篷上下溫差相差5℃以上，對于一臺制冷量90kW的空調機組，整機功耗約30kW，壓縮機能耗可以從20.6kW降低到18.7kW，冷凝器能耗也可節省約0.1～0.2kW，共節省約2～2.1kW，整機節能約7%。按照北京地區每年5個月室外高溫季節，每天7個小時計算，扣除其中1/3的天氣為陰雨天氣，單臺空調機組年度節省電能約：2.2×5×30×7×2/3=1540kW·h（度），按照每度商業電1元計，每臺空調每年可省約1500元。

圖1 室外機遮陽案例示意圖

2.2 選擇更加節能的EC風機

與AC風機相比，EC風機使其他零部件的使用更加有效，低負荷運行時明顯降低能耗。EC風機運行時的電能消耗僅是工業標準風機運行時的電能消耗的1/3，節能效率不低于50%。

2.3 做好空調銅管保溫

空調有著能效比值，能效比值越高說明空調的節能性越好，熱量損失越少空調的能效越高，室內得到的效果越好，在銅管外壁添加保溫橡膠棉可以降低傳輸過程中的冷熱量損失，從而讓更多的冷熱量進入到室內，增加空調的效果，從而提高空調的能效。

2.4 部署冷/熱風遏制系統

數據中心內部署通道氣流遏制系統，機柜行采用冷/熱通道布局方式，通過冷/熱通道的頂部和兩端來部署冷/熱通道氣流遏制系統，如圖2實例。

圖2 冷/熱通道封閉

冷/熱通道封閉系統是基于冷熱遏制原理，以冷通道為例：行間空調送出的冷空氣遏制于封閉通道內,所有的冷空氣必須經過機柜內才能流出至冷通道外，這樣可以有效的帶著機柜內設備的熱量。如果機柜內有空置位，可以通過安裝機柜盲板的方式防制冷通道內的冷量流失。排出機柜外的熱風由機柜后端回到行間空調的回風口。此種方式，可使機房內的冷/熱風完全隔斷，不會形成混風模式。有效的提高了數據中心機房內冷空氣的利用率，快速降低設備溫度。

2.5 數據中心做好物理保溫

數據中心機房設備的可靠穩定運行需要一個恒溫恒濕的環境，夏季室外溫度較高、冬季室外溫度較低，會造成數據中心與外界產生溫差。做好數據中心機房的六面體保溫措施，可以做到夏季隔熱、冬季保溫且防止產生凝露，有效的控制了機房冷/熱量的流失，降低精密空調的負荷及能源的浪費。

2.6 縮短空調室內外機的安裝距離

從空調的實際測試來看，在標準連接管的基礎上，連接管的長度越長，空調的效果就越差；由于連接管的長度增加了空調系統管道沿線的阻力，降低了壓縮機的吸氣壓力，從性能曲線上可以看出壓縮機的容量輸出變差。在選擇精密空調室外機安裝位置時，需考慮室外機與室內機之間的安裝距離，盡量縮短安裝距離，提高空調工作效率。

3 結語

打造綠色數據中心，提高數據中心電力使用效率，需重點考慮數據制冷設備的能耗。綜上所述，可在數據中心建筑節能、室外機散熱、設備選型、設備安裝及部署等多方面進行精密空調節能優化。在實際項目運用中，需貫徹節能、環保、減排等原則，綜合比較各種方式的可行性、安全性、可擴展性等，考慮投資成本、運行成本、維護成本等進行數據中心建設方案的選擇。