中小型數據中心空調系統設計及節能措施

雷明慧

（天元瑞信通信技術股份有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

目前全國數據中心能效水平保持平穩，能效比不是很高。數據中心全國統籌規劃和頂層設計機制未建立起來，布局沒有跟應用需求、產業發展、能源結構以及氣候環境等因素有效結合起來，節能水平不高，重復建設、低小散問題嚴重，能耗過高已經成為數據中心目前面臨的巨大挑戰[1]。2018年，全國數據中心總耗電量1 500億kW·h，達到了社會總用電量的2%；2020年用電量突破2 000億kW·h，占全社會用電總量的比重約為2.7%。預計到2025年，占比將增加一倍，達到4.05%，甚至有機構預測這一比例將達到驚人的8%[2]。數據中心單位能耗非常大，而能源的有效利用率卻相對較低，節約能源、降低能耗已經成為數據中心的熱點問題。現代化背景下，數據中心機房中的電能消耗主要體現在服務器、交換機等數通設備的用電和空調、照明及辦公等基礎設施的用電方面。基礎設施中空調系統的能耗較大，節能潛力大，是數據中心節能的重點[3]。

1 空調系統比較

在空調系統選擇上，要結合當地自然條件及費用比選擇空調機組。目前數據中心常用的空調系統主要有風冷型精密空調系統、冷水機組+冷凍水精密空調系統、乙二醇冷卻水自然冷卻系以及氟泵系統等。各空調系統的優缺點對比如表1所示。

表1 幾種空調系統能力對比

中小型數據中心存在場地小、維護人員不足、設備裝機慢以及散熱相對較慢等特點，采用冷凍機組空調不一定比風冷式空調的能效比高。如果采用大容量的冷凍水機組，初期投資高、需要人員維護，同時在北方秋季、冬季室外溫度較低的情況下，可能出現室外機組利用率不高的現象，導致整體機組效率較低，間接增加了成本，而且也不能起到節能的效果。此外，水系統空調管道多、閥門類型復雜，導致空調機組出現故障的概率較高，一些單閥門、單水泵容易出現單點瓶頸現象。采用水系統空調配置的冗余量較多，不僅增加了初期的建設投資，而且還增加了后期的維護量。從投資、運維等方面綜合考慮，中小型數據中心一般采用風冷型精密空調系統。

2 空調設計

2.1 空調設置

機房空調的配置是根據數據機房數據設備的散熱負荷、機房內人體的熱負荷、機房建筑圍護結構的熱負荷、機房照明裝置的散熱負荷以及新風系統負荷等確定，同時要結合機房內環境要求及熱濕負荷選擇合適的送風或回風溫度等。一般中小型數據中心的服務器機柜普遍采用冷熱通道隔離的方式進行布局，使進入服務器機柜的冷空氣與服務器排出的熱空氣在機柜周圍進行隔離。空調進風口處的溫度降低，保證空調系統效率的提高。根據設備發熱、空氣流速以及冷熱空氣的交換，機房內單機柜的功率在5 kW以下時，機柜布置一般采用冷熱通道不封閉方式，降低投資。當單機柜功率超過5 kW時，由于熱空氣流速慢、回風不暢，空調進風處溫度高，容易導致空調制冷效果不足，因此一般采用冷熱通道封閉方式[4]。

2.2 氣流組織

目前，中小型數據機房一般采用地板下送風或行間水平送風方式實現制冷。機柜一般采用正面對正面、背部對背部的布置方式，正面送風，背面或頂部回風，回風方式包括空間自然回風或吊頂內風管回風等。將空調靠近設備散熱區域，送風距離較短，減少了氣流傳遞過程中壓力的損耗，同時冷空氣在傳輸中的泄露量也大大減少，提高了制冷效率，實現了節能減排[5]。

3 空調采用的節能技術

中小型數據中心風冷型空調制冷技術節能改造時，既要考慮新穎的技術方案，也要結合工程的可行性及性價比進行整體分析對比。

3.1 水簾新風技術

水簾新風節能系統能夠通過檢測機房內外的溫濕度，自動按照預先設置的參數控制水簾新風系統及空調的開啟與關閉。大量的非飽和空氣通過蒸發式水簾提高其飽和度，從而使環境空氣的熱力學狀態發生變化，近似于等焓降溫過程，降低進入室內環境空氣的溫度。室外機組采用纖維布過濾和濕膜過濾，內機采用初效過濾和中高效過濾，同時增加混風功能，從而進一步提高新風的潔凈度和機房的安全性。配置相應的排風機，提升數據機房內熱量向外排出的效果，實現機房內設備高效散熱[6]。通過該設備與機房空調的聯動，最大限度節約電能，同時也節約了后期的運營成本。

3.2 機房換熱技術

換熱設備運行期間將室內外空氣完全隔離開，通過室內外循環風機和換熱芯體交換冷熱空氣，將數據機房內設備的熱氣交換到室外環境中，從而降低機房內部的溫度。在機房外部，通過室外風機將室外冷空氣送入換熱設備的芯體處，然后通過換熱芯體進行冷熱空氣交換，室外風機的排風口將交換的熱空氣排出至室外環境。在機房內部，機房內的風機將機房內的熱空氣送入換熱芯體處，通過換熱芯體進行熱冷空氣交換，再由機房內的回風管將交換后的冷空氣帶入機房內。在換熱期間，換熱設備根據室內外溫差，利用溫度探測的數據值判斷室內外循環風機的開啟工作。機房換熱設備的能耗遠低于機房空調的能耗，同時換熱設備僅交換冷熱空氣，不與空氣直接接觸，降低了室外環境對機組的影響[7]。

3.3 水噴霧節能技術

風冷型空調室外機組集中安裝會產生熱島效應，導致空調冷凝溫度升高，進而影響機組制冷效果。對此可以采取噴水霧化的方式降低室外機組周邊的環境溫度，從而降低空調的冷凝溫度，提高空調的制冷效率。根據卡諾循環的4個可逆步驟，高溫時吸熱做功，低溫時放熱做負功，將熱轉換為功。對于制冷機來說，當蒸發的溫度不變時，如果冷凝溫度升高，則制冷量減少，功耗隨之增高；反之，如果冷凝溫度下降，則制冷量相應增多，功耗也隨之降低。基于此，在壓縮機工作的區間下通過降低冷凝溫度可以減少壓縮機故障及停機等問題的發生，從而降低機房的電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值[8]。

4 機房空調的運維優化管理

機房的回風溫度會影響空調系統的制冷效率，通過減少空調變頻啟動，讓機房回風溫度保持在一個穩定的范圍內，從而節省空調系統能耗[9]。機房精密風冷空調機組的能耗主要來源于壓縮機以及風機等動力設備，對此可以選用能耗較低的設備，提高設備工作效率。在控制及運行方面也要進行系統節能優化，利用動環監控系統的遙測、遙信、遙控等功能對精密空調系統的運行數據進行分析統計。根據大數據統計結果進行故障預警分析，然后制定對應的解決方案，從而避免故障問題并提升制冷系統的效率，達到高效節能的效果[10]。除此之外，日常管理中還要對機房運維人員進行培訓，提高運維管理人員的技能水平，強化專業性的學習。對機房精密空調的制冷系統進行預防性觀察、檢修，根據設備狀況及廠家技術規范書等指導文件制定好相應風險處置預案。實時監測制冷系統的運行參數，避免異常現象的發生[11]。

5 結 論

隨著中小型數據中心建設規模不斷擴大，機房空間既要滿足制冷設備的合理安裝，同時還要保證機組的不間斷穩定運行。從地理環境、建設復雜程度、電力成本、維護成本、系統能效、設備生命周期、穩定性以及可運維性等維度對各種空調系統進行綜合比較，通過評估后選擇最佳組合方案，以此達到有效降低能耗、節約能源的目的。