數據中心機房制冷系統節能分析

文/盛元紅

（中國移動通信集團浙江有限公司，浙江杭州 310020）

現階段，綠色環保理念不斷深入人心，如何在數據中心機房制冷系統中全面運用節能環保技術以減少制冷系統的耗能，是數據中心設計規劃、開發和建設全過程中需要考慮和解決的一個重要問題。[1]

1.數據中心機房空調制冷系統特點

數據中心建設主要包含三大基礎板塊——機房空調基本建設、空調制冷、配電設備建設等，其總占地面積可以達到上萬平方米。為了更好地保證三大基礎板塊的建設平衡，提升資源使用率，施工單位往往會調節配電和制冷設備建設，以調節總體資源達到均衡水平。數據中心的基本建設總耗能占建筑成本費用的76%，建筑成本中制冷系統的建設占總成本的21%，因此必須節省數據中心的制冷能源。

2.數據中心空調制冷方式

2.1 機房級制冷

中央空調布局在計算機房(分布式系統或中間布局），冷空氣通過防靜電地板下的正壓力通風系統或吊頂上的風道，向冷氣通道進行送風。針對熱相對密度為5kW的機柜，施工單位依據熱冷安全通道布局標準，將機柜頂端也轉化成部分熱點。[2]為了更好地處理熱點問題，機房級制冷可以通過冷(熱）通道封閉的形式，避免柜后排出來的暖空氣注入柜前側的進風口。這種形式可以簡單處理8～10kW機柜的發燙問題。在設計方面，為了更好地封閉冷(熱）通道和提升空調機組制冷效率，設計人員務必集中放置高熱密度的機柜。

2.2 機柜冷池級制冷和機柜級制冷

制冷器為每一個制冷終端設備提供涼水或空調氟利昂，以降低暖空氣產生的發熱量。制冷終端設備的總量和制冷能力取決于機柜負荷，單機柜的制冷能力可達30kW。

2.3 機柜級制冷

密度高的密封性機柜應用機柜內制冷方法，能降低計算機房內制冷能力的消耗，并迅速精確地操縱每一個機柜內的環境。

2.4 局部熱點制冷

現階段采用較多的機房級制冷方式，常常會產生局部熱點，而為了更好地減少局部熱點的溫度，施工單位常常會調節機房精密空調的溫度，導致耗能的提升。為了更好地處理局部熱點的制冷問題，施工單位可以在熱點周邊安裝當地制冷終端設備。在冷池級、分階段制冷方式下的機柜制冷終端設備，也可用以部分局部熱點制冷。此外，施工單位還可以應用吊頂天花板、機柜頂端、側板等類型的制冷終端設備。[3]

3.數據中心制冷節能技術的應用

3.1 水側節能

水側制冷系統是利用室外環境降低數據中心溫度的系統，其關鍵是利用室外環境為數據中心提供冷水，使得冷卻水達到適應溫度的技術。在一般情況下,水側制冷機組關鍵由制冷機組、冷卻塔、冷凍泵、制冷離心水泵、冷凍水專用空調終端構成。該系統主要是集中制冷源，從而提高系統內制冷機組的制冷效率。該方法制冷塔布局靈便，運作環節中形成的噪聲較少，基本建設和維護保養成本費也較為合理。

針對水側節能系統，如果制冷機組安裝了額外風機的換熱器，數據中心環境的溫度就可以通過制冷來排熱，環保節能系統將轉換到通過換熱器的方式，全自動監管環境溫度。在操作系統具體運作的同時，數據中心外的環境溫度達到預定范圍時，水冷卻機設備的冷卻效果將停止，水側節能系統將逐漸開始運行。

3.2 風側自然制冷

風側自然制冷系統將冷熱空氣傳輸到數據中心，大大提高了換熱器和制冷的實際效果。這決定了數據中心的位置應該符合長期持續冷空氣的標準，否則，它可能會限制自然冷卻的有效性。因此，高緯度地區普遍采用風側自然降溫技術。在我國大部分地區，年平均氣溫低于20℃，這為使用風側自然制冷系統提供了天然的優勢。風側自然降溫的應用不僅與數據中心自然環境的溫濕度有關,并且與戶外空氣質量指數有關，空氣質量差就容易對設備造成不良影響，進而削弱系統的總體作用。

3.3 交直流雙路直供電

在數據中心運行中使用交流或直流電源一直是業界討論的課題。事實上，數據中心有兩種電源，一般的高端設備支持兩種電源，在傳統的載波網絡中有很多需要直流電源的設備，因此需要將交流電轉換為直流電，轉換過程仍然是必需的。一些數據中心最初是作為直流供電設備開發的，因此整個電源只需要從電網轉換一次，效率較高。對于采用混合數據中心的交、直流設備來說，它需要有轉換升壓設備，所以即使直流設備能耗很小，也會浪費大量的轉換能量。所以交流和直流是好是壞，需要根據實際情況來判斷。

4.如何提高機房制冷的效率

4.1 清理地板下的阻礙物，密封地板

通過高架抗靜電地板的數據中心，房間內地板下的全部區域將作為制冷氣體調整的靜壓箱，冷空氣可以從有出氣孔的排氣孔底端傳送到服務器機柜前。地板下通常安裝電源插頭、光纜電纜、網絡線等。設計方案的地板高度需要足夠深，以保證穩定性的冷氣供應和通風效率。

4.2 中央空調設備的有效布局

數據中心組成幾臺專用型中央空調，這類中央空調相互之間偶爾會產生干擾，一個可以制冷，另一個可以制熱；抑或一個在增濕，另一個在去濕。因此，為了確保定期檢查效果，本文提議選用三種以上全方位的評估方法。現階段的數據中心通常應用規范模塊化設計聯動設備，來操縱多個空調機組，因此可以并行處理連接以控制多個空調機組和相關運行操作。

4.3 分散化負荷

在如今的數據中心基本建設中，計算機機房可以為普通機架負載，提供全面的電源和設備散熱的能力。針對相對密度不一樣的設備，最多見的解決方法是以小于均值負荷的服務器機柜，向多個服務器機柜同時分派輕負荷。幸運的是，1U網絡服務器需要的數量較多，可以組裝在同一個IDC機房，并且可以分散在好幾個網絡機柜中。必須留意的是，如果將設備遍布在好幾個服務器機柜中，機柜中會留有很多未采用的豎直空間。如果在豎直方向沒有使用較大的空間，本文提議在機架中加上擋板，以增加制冷的高效率。如果機架在豎直和水平方向沒有可采用的總室內空間，有關設備釋放出來的暖空氣將提升單獨聲卡機架的相對密度，并提升功能損耗和發熱量。

5.數據中心節能制冷方案

5.1 雙冷源分布式熱管背板冷卻技術

雙冷源熱管側板空調機組由熱管傳熱系統和制冷壓縮機制冷系統構成，機器設備包含熱交換器、房間內制冷壓縮機、服務器機柜熱管側板、自然冷源制冷器、戶外制冷壓縮機制冷器。雙冷源熱管側板空調機組，具備熱管自然冷源熱傳導方式和傳統的中央空調積極制冷方式。

雙冷源熱管側板制冷系統有兩種換熱方法：熱管循環系統傳熱和縮小制冷循環系統傳熱。防護熱管傳熱循環系統和縮小制冷周期時間內的冷媒，傳熱通過正中間熱交換器，合理地解決了兩個循環系統無法調整冷媒共享資源造成的總流量、減少冷凍機油和熱管循環系統高效率等問題。兩種方式可以隨意轉換，依據數據中心房間內和室外溫度的差別，全自動挑選“熱管循環系統方式”和“制冷壓縮機制冷循環系統方式”，通過每個服務器機柜發熱量實現了側板風機全自動變速，降低耗能，增加使用期限。就傳統式機房空調系統來講，雙冷源熱管側板空調機組在長江以北地區，一臺60kW能源中央空調每一年可節約超出7萬度的電力工程，環保節能成效顯著。

5.2 數據中心制冷機器設備環保節能計劃方案

一是優化數據中心機器設備合理布局。施工單位通過熱冷安全通道合理布局改進氣旋配備，最大限度地降低熱冷氣旋混合，合理避免當地超溫問題。二是提升中央空調布局。施工單位可以在數據中心中央空調合理布局提升的基礎上，將空調系統的通風孔置放在熱安全通道上，降低熱氣回流的摩擦阻力，提升空調送風高效率。三是提升電纜線配備。施工單位可通過加強電纜線管理方法，提升電纜線配備，避免強電和弱電電纜線交叉式布局問題，降低電纜線對數據中心流摩擦阻力的影響，提升制冷高效率服務器機柜配備提升。

6.結語

在經濟迅速發展的歷程中，各領域公司數據中心的耗能急劇提升，給目前能源局勢帶來了巨大壓力。因此，施工單位應通過數據中心制冷節能環保的運用和營銷推廣，充分運用自然制冷系統和積極制冷機組，達到綠色施工、節能降耗的目的。