數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及節(jié)能技術(shù)措施

黃志喜（上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032）

從 “新基建”概念被提出至今互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center，IDC)產(chǎn)業(yè)已進入快速發(fā)展階段，然而 IDC 的快速發(fā)展伴隨著高能耗，給社會的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)，甚至可以說高能耗已成為制約 IDC 行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性因素之一。如何降低數(shù)據(jù)中心能耗，提高其能效，建設(shè)低碳、環(huán)保、綠色、高效的數(shù)據(jù)中心已成為專家學者們熱衷探討的話題。本文從數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計出發(fā)，介紹了數(shù)據(jù)中心的分類、數(shù)據(jù)機房對環(huán)境的要求、機房冷負荷的計算方法，分析了空調(diào)送風的氣流組織和數(shù)據(jù)中心的評價指標，并對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)措施進行了探討，為行業(yè)的發(fā)展提供一些參考。

1 數(shù)據(jù)中心分類

數(shù)據(jù)中心一般包括主機房、輔助我、支持我和行政管理我等，按照不同的方法又可以將其劃分為不同的類型[1]。

1.1 按數(shù)據(jù)的重要性劃分

根據(jù)使用性和數(shù)據(jù)的重要性程度，可將數(shù)據(jù)中心分為A、B、C 三級。A 級是指當電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟損失或造成公共場所秩序嚴重混亂的情況發(fā)生；B級是指當電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成較大的經(jīng)濟損失或造成公共場所秩序混亂的情況發(fā)生；C 級是指除了 A 級和 B 級兩種情況外對應的數(shù)據(jù)中心[2]。

1.2 按規(guī)模劃分

根據(jù)機柜的數(shù)量可將數(shù)據(jù)中心劃分為微型、小型、中型、大型和超大型等，其規(guī)模劃分如表 1 所示。

表1 數(shù)據(jù)中心規(guī)模分類

1.3 按冷卻方式劃分

按機柜不同的冷卻方式可將數(shù)據(jù)中心劃分為風冷式和液冷式兩種[3]。風冷式是目前技術(shù)最成熟和使用最廣泛的一種方式，但缺點是單柜功率受限，一般只能使用在單柜功率 6 KW 及以下的數(shù)據(jù)中心。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、我塊鏈等新技術(shù)的快速發(fā)展，其對計算機的運算和分析能力要求不斷提高，同時受限于機房面積和節(jié)能要求，傳統(tǒng)的風冷技術(shù)已不能滿足需求，基于此一種新型的冷卻技術(shù)-液冷技術(shù)應運而生。液冷技術(shù)是指采用液體作為冷媒取代傳統(tǒng)的冷風將服務器產(chǎn)生的熱量帶走[4]。液冷分為有相變液冷和無相變液冷，液冷技術(shù)冷卻效率更高，使單柜功率能做到更大，節(jié)約機房面積的同時提高了服務器的使用效率和穩(wěn)定性，同時液冷相比于傳統(tǒng)的風冷更加節(jié)能，運行噪聲更低，液冷技術(shù)使數(shù)據(jù)中心的選址不受海拔和地域的限制，液冷產(chǎn)生的余熱還可回收利用，節(jié)能和經(jīng)濟效益顯著。

1.4 按制冷方式劃分

按不同的制冷方式可以將數(shù)據(jù)中心劃分為直膨式風冷型、直膨式水冷型、冷凍水型和雙冷源型，直膨式風冷型是指數(shù)據(jù)機房精密空調(diào)自帶制冷壓縮機，其冷凝器采用風冷式；直膨式水冷型是指機房精密空調(diào)自帶制冷壓縮機，內(nèi)加一個板式換熱器，其冷凝器采用水冷式（冷卻塔）；冷凍水型是指機房精密空調(diào)不帶制冷壓縮機，精密空調(diào)內(nèi)安裝有冷凍水盤管，通過冷凍水把機房內(nèi)熱量帶走；雙冷源型是指機房精密空調(diào)既自帶制冷壓縮機又安裝有冷凍水盤管，二者結(jié)合，當一種冷源出現(xiàn)故障時投入另一種冷源進行制冷，可靠性更高。

2 機房對環(huán)境的要求

2.1 對溫、濕度的要求

主機房和輔助我內(nèi)的溫、濕度、露點溫度和相對濕度應能滿足電子信息設(shè)備的使用要求，一般冷通道或機柜的進風溫度設(shè)為 18～27℃，露點溫度宜為 5.5～15 ℃，相對濕度不宜大于60%，輔助我的溫度和相對濕度一般設(shè)為18～28℃ 和 35%～75%。表 2、表 3 為機房在開機和停機時的溫濕度要求[1]。

表2 開機時機房溫、濕度要求

2.2 對潔凈度的要求

為了避免電子信息設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路等故障，保障電子信息設(shè)備安全運行，數(shù)據(jù)機房對空氣中的懸浮粒子濃度有嚴格的要求，除了要求微正壓運行之外，還要求機房內(nèi)每立方米空氣中粒徑 ≥0.5 μm 的懸浮粒子數(shù) ≤18×106 個，相當于潔凈度等級要求為 8.7 級左右。數(shù)據(jù)中心裝修后其室內(nèi)空氣質(zhì)量還應滿足 GB 50174—2017《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》的有關(guān)要求[1]。

為了防止外部灰塵進入主機房，主機房要求微正壓運行，一般要求主機房與其他房間、走廊的壓差≥5 Pa，與室外靜壓差 ≥10 Pa。設(shè)有空調(diào)新風系統(tǒng)的，其新風量還應按工作人員每人 40 m3/h 新風量和維持室內(nèi)正壓所需新風量中的較大值來取。

3 負荷計算

3.1 冷負荷的構(gòu)成

數(shù)據(jù)中心夏季冷負荷主要包括顯熱負荷、潛熱負荷（即濕負荷）和附加冷負荷，其中以顯熱負荷為主。

顯熱負荷主要包括：①電子及其他設(shè)備的散熱量；②通過圍護結(jié)構(gòu)傳入而形成負荷的熱量；③通過透明外圍護結(jié)構(gòu)進入的太陽輻射熱量；④人體散熱；⑤照明設(shè)備散熱；⑥新風負荷。濕負荷主要包括：①人體散濕；②新風濕負荷；③空氣滲漏帶入的濕負荷；④圍護結(jié)構(gòu)散濕；⑤伴隨各種散濕過程產(chǎn)生的濕負荷。附加冷負荷主要包括以下兩方面：①空氣通過風機和管道溫升引起的附加冷負荷；②冷水通過水泵、管道、水箱溫升引起的附加冷負荷。計算時溫升可按0.5～1 ℃ 取值。

3.2 冷負荷的估算

當項目處在方案或初步設(shè)計階段時，由于缺乏具體的數(shù)據(jù)，空調(diào)冷負荷還無法精確計算，這時可根據(jù)經(jīng)驗采用面積指標估算法進行估算，便于對整個項目前期的投資估算。常采用的一些冷負荷面積指標如表 4 所示。

表4 冷負荷面積估算指標

4 氣流組織

當機柜采用風冷式時，其氣流組織常采用的形式有：①下送風上回風（或側(cè)回風）；②上送風上回風（或側(cè)回風）；③側(cè)送風上回風（或側(cè)回風）。一般當單臺機柜發(fā)熱量大于 4 kW 時，其氣流組織宜采用下送風上回風、機柜行間前送風后回風等方式，而且宜采用冷熱通道隔離措施，如冷通道封閉或熱通道封閉。從節(jié)能的角度來看，采用冷熱通道封閉的形式有利于提高空調(diào)和機房的利用率，使單臺機柜的功率能做到更大，而采用機柜行間前送風后回風的氣流組織方式可以降低風阻，從而可以降低風機的壓頭，提高風機的能效和減少初投資。目前用得較多的氣流組織是下送風上回風，采用這種氣流組織的優(yōu)點是在防靜電地板下面形成一個巨大的靜壓箱，使送風均勻，機房內(nèi)的溫濕度控制較好，缺點是機房要求鋪設(shè)至少 500 mm 高的架空防靜電地板，且樓板需要做一層保溫隔熱層，不過這種氣流組織容易實現(xiàn)機房各專業(yè)的下走線，布置起來方便美觀，適用于層高較高的機房。

5 評價指標

對于數(shù)據(jù)中心，目前常采用的一些評價指標主要有：①電能利用效率（PUE）；②局部電能利用效率（pPUE）；③制冷/供電負載系數(shù)（CLF/PLF）；④可再生能源利用率（RER）。

5.1 電能利用效率（PUE）

電能利用效率（PUE）是指數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有用電設(shè)備消耗的總電能與所有電子信息設(shè)備消耗的總電能的比值，用來表征數(shù)據(jù)中心電能利用系數(shù)的參數(shù)。其計算公式為：PUE=數(shù)據(jù)中心總的耗電量/IT 設(shè)備總的耗電量。PUE的取值范圍理論上是[1,＋∞），其值越接近1就說明數(shù)據(jù)中心總的耗電量中用在 IT 設(shè)備上“有意義”的用電量越多，說明其電能利用效率越高。PUE 定義簡單、易于操作，只要分別測量或計算出數(shù)據(jù)中心總的耗電量和 IT 設(shè)備總的耗電量，就能計算出數(shù)據(jù)中心的 PUE，該評價指標也是目前業(yè)內(nèi)普遍接受和采用的。

5.2 局部電能利用效率（pPUE）

局部電能利用效率（pPUE）是數(shù)據(jù)中心PUE概念的衍生，用于對數(shù)據(jù)中心局部我域或設(shè)備的能效進行評估和分析，主要適用于基于集裝箱、模塊化數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)中心機房群的局部能效評價。其計算公式為：pPUE=數(shù)據(jù)中心某個分我總的耗電量/某個分我 IT 設(shè)備總的耗電量。在利用pPUE 對數(shù)據(jù)中心能效進行評價時，首先應對數(shù)據(jù)中心進行分我，然后分別計算每個我域的 pPUE 值。pPUE 值反映的是數(shù)據(jù)中心局部的電能利用效率，其值可能大于或小于正體的 PUE 值，所以要想提高整個數(shù)據(jù)中心的 PUE 值一般先從提升 pPUE 值較大的分我的能效開始。

5.3 制冷/供電負載系數(shù)（CLF/PLF）

制冷負載系數(shù)（CLF）是指數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備耗電量與IT 設(shè)備耗電量的比值，即 CLF=制冷設(shè)備耗電量/IT 設(shè)備耗電量；供電負載系數(shù)（PLF）是指數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)耗電量與 IT 設(shè)備耗電量的比值，即 PLF=供配電系統(tǒng)耗電量/IT 設(shè)備耗電量。這兩個指標是 PUE 的補充和深化，通過計算這兩個指標，可以進一步了解和分析制冷系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)的能源效率。

5.4 可再生能源利用率（RER）

可再生能源利用率（RER）是指數(shù)據(jù)中心總的耗電量中可再生能源供電量的占比，即 RER=可再生能源供電量/數(shù)據(jù)中心總耗電量。我國電能形式多樣，這使得數(shù)據(jù)中心的電源有多種選擇，可再生能源的利用使數(shù)據(jù)中心更符合低碳、環(huán)保、綠色的發(fā)展理念，因此用可再生能源利用率（RER）來評價數(shù)據(jù)中心的顯得很有必要，將使數(shù)據(jù)中心行業(yè)不斷朝著可持續(xù)的方向發(fā)展，有助于國家“雙碳”目標的早日實現(xiàn)。

6 節(jié)能技術(shù)措施

目前數(shù)據(jù)中心常采用的節(jié)能技術(shù)措施主要有：①冷（熱）通道封閉技術(shù)；②自然冷卻技術(shù)；③蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

機柜的氣流組織采用冷（熱）通道封閉技術(shù)，可以防止氣流短路，使冷風對設(shè)備的冷卻更有針對性和高效，使單機柜的功率做得更大，從而減少機房面積和提高空調(diào)系統(tǒng)利用率，同時采用冷（熱）通道封閉技術(shù)還可以減少氣流阻力，從而減少風機壓頭，提高風機的能效和減少初投資，具有一定的節(jié)能效果。自然冷卻技術(shù)是指利用天然冷源，把數(shù)據(jù)中心建在常年氣候較干燥和較低的地方，尤其是濕球溫度＜ 18℃ 的時間在一年中占比較大的地方，這樣可以增加采用風冷或水冷技術(shù)給機柜冷卻的時間，減少電制冷運行的時間，從而降低能耗，同時電制冷設(shè)備在這些地方的運行效率也會更高，因此自然冷卻技術(shù)具有很可觀的節(jié)能效果。蒸發(fā)冷卻技術(shù)包括直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻，直接蒸發(fā)冷卻是空氣與水直接接觸，通過水自身的蒸發(fā)吸熱帶走自身熱量的一種冷卻技術(shù)，是等焓過程，如開式冷卻塔；間接蒸發(fā)冷卻是通過水蒸發(fā)產(chǎn)生的冷量去冷卻空氣，水和空氣不直接接觸，如目前各廠家都在推的一些間接蒸發(fā)冷卻機組[6]。如果說自然冷卻技術(shù)的應用受地域的影響而局限性較大，那么蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應用地域范圍相對來說就較廣，因為從理論來講直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的極限冷卻溫度是可以達到空氣濕球溫度的，間接蒸發(fā)冷卻的極限冷卻溫度是可以達到空氣露點溫度和濕球溫度之間的，它們所能提供的冷卻介質(zhì)溫度都較低，機柜的送風溫度一般在 18℃～27℃ 之間，所以蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生的這些冷卻介質(zhì)可以直接被機房所利用[7]。一般來說，夏季空調(diào)室外計算濕球溫度較低且水資源允許的地方宜采用直接蒸發(fā)冷卻，露點溫度較低的地方宜采用間接蒸發(fā)冷卻[8]。有研究表明，間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)相比傳統(tǒng)的電制冷技術(shù)一般可以節(jié)約 45% 的能耗，因此間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)節(jié)能潛力巨大[9]。

7 結(jié) 語

數(shù)據(jù)中心能耗大，目前該行業(yè)還存在很大的節(jié)能潛力，相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能潛力一定會得到深挖，同時我們在今后的工程設(shè)計中也應因地制宜，根據(jù)項目的不同特點采用合適的制冷方式和節(jié)能技術(shù)措施，共同推進數(shù)據(jù)中心行業(yè)朝著節(jié)能、高效、綠色、環(huán)保、低碳的可持續(xù)方向發(fā)展。