大型數據中心空調制冷系統的節能分析與實踐

高英順

（中鐵鐵龍冷鏈發展有限公司，遼寧 大連 116103）

數據中心的建設可深刻改變全球經濟格局，拉動國家經濟的發展進程，促進大數據時代的更迭進程，是人工智能技術、云計算技術等新型信息技術應用的重要保障，也是國家信息安全的保障[1]。大型數據中心是各種大型計算機、服務器、網絡設備等集中安放的建筑場所，需要24 小時不間斷運行，這些設備運行消耗大量電能的同時也產生同樣功率的熱能[2]。維持數據中心機房環境就需要用到大量空調制冷設備，空調制冷設備的能源消耗遠遠高于一般商業建筑，有效降低能源消耗水平，可緩解我國各個區域的用電壓力，減少大型數據中心的用電成本，推動節約型社會的建設發展。

1 數據中心能源消耗

現階段具備影響的國際綠色安全組織所提出的能效指標便是電能利用效率，也是現下衡量數據中心能效的重要指標。大型數據中心的建設發展目標為數據中心運行的穩定性與安全性，同時也要有效提升能源利用效率。[3]

典型數據中心的能源消耗主要是由四部分構成：IT 設備能耗占據總能耗的52%，空調系統能耗占據總能耗的38%，USP 以及配電系統能耗占據總能耗的9%，其余電力照明系統能耗占據為總能耗的1%。

在大型數據中心主要采取集中式水冷冷水系統進行節能型制冷，積極開展集中管理活動，是大型數據中心內的主流制冷手段。而在水冷冷水空調系統中，壓縮機的能耗比例為54%，水泵能耗比例為18%，冷卻塔能耗比例為9%，精密空調能耗比例為19%。[4]

2 大型數據中心空調制冷系統特點

大數據中心主要是由機房空調建設、空調制冷以及電力供應三大基礎性資源構成，為此大數據中心的占地面積約為幾萬平方米。為了確保三大基礎資源的平衡性，提升大數據中心的能源利用效率，需要通過調整電力供應資源與制冷資源來平衡整體資源的匹配性。通常情況下，單棟數據中心能耗水平占據運營成本76%，建設成本中制冷成本占據21%，而運營能耗成本卻占29%，為此需積極開展大數據中心的制冷節能工作。制度性的制冷設備維保作為降低大數據中心能耗的有效措施，可全面提升大數據中心的全生命周期，讓其能夠按時掌握設備的運行狀況，迅速檢測出設備可能出現的故障問題。[5]

3 大型數據中心空調制冷方式分析

3.1 制冷方式分析

1.互為冗余的多冷源并聯系統，每套系統都是一個完整的制冷空調系統，從水冷機組、水系統至末端精密空調，每套系統都是完全獨立的。如果運行中某一套系統某臺設備出現故障，影響到整個系統運行時，需自動或人工切換到另一套系統運行，繼而有效維持大數據中心的制冷需求，是目前大型數據中心普遍采用的制冷方式。

2.多冷源單水系統，由多臺冷水機組組成完整的一套冷水供應系統，水冷系統下并聯眾多末端設備，末端設備帶冗余。如果水系統主管道部分出現故障，整個系統就無法正常運行，在大型數據中心不建議采用。

3.單冷源單水系統，由一臺冷水機組組成完整的一套冷水供應系統，水冷系統下并聯眾多末端設備，末端設備帶冗余。如果冷水機組或水系統主管道部分出現故障，整個系統就無法正常運行，即使在小型數據中心基本也不會采用。

多冷源并聯系統的優勢在于所有設備都帶冗余，系統安全性更高，但每一套獨立系統均有獨立管路，因此水管路數量較大。多冷源單水系統的優勢在于水系統管路少，但對水系統的安全性要求更高，一旦水系統主管道出現故障將影響整個制冷空調系統。單冷源單水系統安全性太差。

3.2 可用度分析

空調制冷系統各種設備、附件和傳感器等設備均要選用成熟的、質量穩定可靠的產品作為保證系統安全穩定運行的重要基礎。水冷機組是整個制冷系統中能耗最大的設備，在選型上除了質量因素還要充分考慮其節能性。目前磁懸浮變頻離心水冷機組技術上的應用已相對成熟，其在節能方面的優勢也愈發明顯。冷卻塔風機、冷卻水泵和冷凍水泵也要選用節能型，節能加變頻技術是系統整體節能的必要條件。冷卻水的負載變化下變流量控制技術以及冷凍水泵供回水等壓差變頻控制技術都是保證系統節能的技術手段。充分發揮自動化整體控制在系統安全節能方面的應用，需要有很高實踐經驗的專業技術人員與軟件開發專業人員協同完成。

3.3 可維護性比較

在人力成本價值逐步提升的前提下，提升系統設計操作與維護水平，可全面提升大數據中心系統的工作效率，大大降低人力成本與維護成本，進一步提升系統總體性能價格比。機房內部的系統內容構成愈發復雜，系統管理任務也會不斷提升。為此，在進行大型數據信息設計過程中，需要構建全面機房監管系統，所選用的設備需要具備可管理與智能化特征，利用先進的管理監控系統設備與程序開展集中性的管理工作，及時確認數據中心系統中存在的故障，最大程度地確保系統的整體性能，確保系統運行的穩定性。同時需要簡化機房管理人員維護工作，為充分滿足其實際應用需求，需進一步提升數據安全性與系統穩定性，最大程度地確保管理的便利性，加快系統體系的構建進程。此外，為了能夠迅速適應技術更新與系統運行需求，需要做好系統升級管理活動，對于系統故障等級進行評定，根據故障級別選擇相應的處理方法。

4 大型數據中心機房新風空調節能技術實踐應用

4.1 確定空調設計參數

根據《電子信息系統機房設計規范》對于數據機房環境設計要求為基礎進行機房空調設計參數設定。

數據機房環境溫度為（22±1）℃，環境相對濕度設計為40%至50%，室內狀態點N 所對應的溫度設計為22℃，相對濕度設計為50%。

數據中心機房空調隸屬于工藝性空調，活動地板下送風溫差Δt 設計為6℃，送風狀態下點S 所設計的溫度為17℃，比焓設計為39.4hJ/kg。

4.2 利用新風降溫可行性分析

通過實時性檢測機房室外環境數據了解到，在冬季、春季以及秋季以及夏季的最低室外溫度時，需要引入室外低溫空氣，通過各級過濾后直接送入機房之內，及時停止制冷機組，繼而有效降低制定空調系統的運行能耗水平。大數據中心系統所取地區在最冷月的溫度可達到零下28℃，最熱月時的溫度則能夠達到32℃，整年的溫度波動相對較大，這代表所在區域室外所蘊含豐富天然冷源，如若能夠高效性利用，可大大降低大數據中心空調制冷系統的能耗水平。

4.3 空調制冷系統設計

新風空調系統中的新風風道按照全新風送風方法計算確定，通過加設排風機、空氣混合箱、新風調節閥以及回風調節閥。

大數據中心機房在應用新風空調系統過程中，所采用空調系統定風量系統，在保障總送風量不變的前提下可改變新風的比例，引入新風后需要排風繼而維持機房內的正壓，甚至會增加數據中心系統排風機的能耗水平，繼而大大增加新風過濾成本。為此需要利用新風免費冷卻系統增加排放能耗、加濕能耗以及預熱能耗。

第一，排風能耗。根據暖通設計相關規范了解到，為了確保大數據中心室內正壓，設計排風量為新風量85%時，系統增加的排風能耗為2.74×10-4Gw。

第二，加濕能耗。大數據中心機房需要選取濕膜加濕器，所設計的單位加濕量能耗為0.02kW/（kg/h），制冷系統的加濕能耗為2.4×10-4Gw（dN-dW）。

第三，預熱能耗。大數據中心機房的室外新風溫度相對較低時，需要對其進行預熱后方可與回風混合。室外新風預熱期間所需要的熱量為3.33×10-4Gw（hW’-hW）。

Gw 代表的是大數據中心機房系統引入的新風量，單位用m3/h 表示，dN以及dW分別代表的是室內以及室外的空氣含濕量，單位用g/kg 表示。hW’代表的是新風預熱后的比焓，單位用kJ/kg 表示，hW代表的是新風比焓，單位用kJ/kg 表示。

為了達成新風實現節能需求時，只有確保室外新風溫度以及相對濕度均可低于室內狀態點時，大數據中心系統可引入新風進行降溫，所應用的新風空調系統才能達到節能需求。

4.4 空調運行方案設計

新風豐源空調系統不同區域的運行模式如下：

第一，Ⅰ區域所采取的系統運行模式為，在室外新風預熱后，方可與回風混合處理到送風點，運行時間可設計成為1884h。

第二，Ⅱ區域所采取的系統運行模式為，室外新風與回風混合處理后方可送至送風電，運行時間可設計成為4574h。

第三，Ⅲ區域所采取的系統運行模式為，表冷器處理回風至送風電，運行時間可設計成為2302h。

4.5 空調系統組成設計

4.5.1 新風系統能耗計算

新風系統能耗主要是由風機能耗、加濕能耗以及Ⅰ區預熱能耗所構成。

第一，風機能耗。大型數據中心機房的最大風量為284653m3/h，排風量為241933m3/h。為此選擇三臺參數功率為38kW 帶有變頻器的排風機，利用調節電動機的轉速繼而有效改變排風量，而排風量設計的變化范圍是10%至100%。

第二，加濕能耗。Ⅰ區域的加濕量為965.54g/kg，Ⅱ區域的加濕量為4716.68g/kg。

第三，Ⅰ區域預熱能耗設計為90101kW·h。

4.5.2 效益分析

大型數據中心機房新風系統年節電情況如表1所示。

表1 大型數據中心機房新風系統年節電數據

5 結語

在我國經濟發展水平不斷提升的背景下，大數據技術以及云計算技術被廣泛應用于各個行業，在高新技術全面應用下提供數據信息的海量生產、存儲與傳輸。為了充分滿足需求量逐步提升的行業發展需求，數據中心應成為新經濟形勢下極具戰略性地位的產業，是我國信息產業的重要構成。現如今數據中心呈現出集中化、大型化的發展趨勢，超大型數據中心園區的建設數量不斷增加，對于能源的節約型利用勢在必行。為此，我們需積極開展大型數據中心空調制冷系統的研究分析工作，全面提升大型數據中心運行的穩定性與安全性。