數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用與研究

袁 洪

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

數(shù)據(jù)中心的IT 設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)能耗分別占總能耗的50%、40%、10%，空調(diào)系統(tǒng)的能耗較高，為了降低整個數(shù)據(jù)中心的能耗，需要對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用先進(jìn)的空調(diào)節(jié)能技術(shù)，降低冷源能耗。

1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用研究

1.1 水側(cè)自然冷卻技術(shù)

在水側(cè)自然冷卻技術(shù)的支持下，對集中空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，充分利用自然冷源。該系統(tǒng)主要由3 個部分構(gòu)成：①冷水機(jī)組；②冷卻塔；③板式換熱器。對室外溫度進(jìn)行監(jiān)測，若溫度較低，系統(tǒng)可以從外部環(huán)境中吸收一部分冷源，或者全部使用自然冷源，以此來降低冷水機(jī)組的能耗。例如，冷卻水供水溫度在8 ℃以下時，關(guān)閉機(jī)組，完全由冷卻塔供冷；溫度在8～13.5 ℃時，部分冷源為室外自然冷源；溫度在13.5 ℃以上時，完全由冷水機(jī)組供冷，由于無法利用免費(fèi)冷源，所以這種模式的能耗比前兩種模式的能耗高。設(shè)置溫度標(biāo)準(zhǔn)時，需要考慮各地區(qū)的具體情況，例如，廣東地區(qū)溫度較高，可以適當(dāng)提高溫度標(biāo)準(zhǔn)，更好地利用自然環(huán)境中的免費(fèi)冷源[1]。

1.2 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種非常先進(jìn)的空調(diào)節(jié)能技術(shù)，能夠?qū)κ彝庑嘛L(fēng)進(jìn)行利用，起到熱濕交換的作用。運(yùn)用該技術(shù)時，需要使用直接蒸發(fā)冷氣填料，在高壓噴頭噴射的過程中，水轉(zhuǎn)變?yōu)殪F化水滴，外部環(huán)境的新風(fēng)與換熱器的水膜以及霧化水滴進(jìn)行接觸后，新風(fēng)和回風(fēng)能夠交換溫度和濕度，使用空氣—空氣換熱器，在該裝置的作用下，完成熱濕交換過程，降低數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備的溫度[2]。

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要采用了自然冷卻的冷卻方法，機(jī)械制冷起到輔助作用。若室外處于低溫的環(huán)境，可以對自然溫度進(jìn)行利用，在空氣—空氣換熱器的運(yùn)行中，利用建筑外部環(huán)境中的低溫空氣降低室內(nèi)回風(fēng)的溫度。如果室外溫度處于高溫和低溫之間，需要啟動噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)，先對建筑外部的空氣進(jìn)行降溫處理，當(dāng)室外空氣冷卻之后，再與室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)行溫濕交換，達(dá)到冷卻室內(nèi)回風(fēng)的目的。如果室外處于高溫的狀態(tài)，要采用聯(lián)合運(yùn)行的模式，既要啟動噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)，也要啟動機(jī)械制冷機(jī)組，在兩者的共同作用下，完成制冷工作。該技術(shù)能夠進(jìn)一步延長免費(fèi)制冷的時間，更多地利用自然環(huán)境中的免費(fèi)冷源，最大限度縮短設(shè)備的運(yùn)行時間，降低制冷系統(tǒng)的能耗。節(jié)能效果受到環(huán)境濕度的影響，如果建筑處于高溫干燥的區(qū)域，間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)能夠節(jié)能80%～90%；如果濕度適中，可以節(jié)能40%左右；如果建筑處于高溫潮濕的區(qū)域，該技術(shù)的節(jié)能效果為20%～25%。

1.3 液冷技術(shù)

液冷技術(shù)的制冷媒介主要為液體，不再以冷空氣作為制冷媒介，低溫液體能夠?qū)?shù)據(jù)中心IT 設(shè)備的發(fā)熱部件進(jìn)行降溫，在散熱的過程中，將部分熱量轉(zhuǎn)移出去。根據(jù)接觸方式進(jìn)行劃分，主要包括兩種液冷方式，一種是冷板式液冷，制冷液體間接接觸零部件，將液冷板安裝到IT 設(shè)備的發(fā)熱部位，制冷液體流動的過程中，接觸發(fā)熱部件，把熱量帶走，起到降溫的作用。另一種是浸沒式液冷，制冷液體直接接觸零部件，將發(fā)熱部件全部浸到冷卻液內(nèi)，達(dá)到散熱的目的。運(yùn)用液冷技術(shù)時，需要在數(shù)據(jù)中心構(gòu)建液冷系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由3 個部分組成：①冷源設(shè)備；②液冷終端；③冷量分配單元（cooling dispensing unit,CDU），CDU 能夠提供充足的動力，確保制冷液體處于循環(huán)流動的狀態(tài)，在流動的過程中帶走熱量。工作人員可以操控液冷系統(tǒng)，調(diào)節(jié)制冷液體的流量和流速，快速排出熱量[3]。

1.4 變頻技術(shù)

受數(shù)據(jù)中心工作時間、工作任務(wù)量的影響，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的能耗經(jīng)常發(fā)生變化，但是能耗的變化具有一定的周期性。為了讓空調(diào)系統(tǒng)適應(yīng)數(shù)據(jù)中心的變化，可以采用變頻技術(shù)。利用變頻技術(shù)對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，需要使用變頻壓縮機(jī)，還要增加水泵等設(shè)備，通過變頻技術(shù)提高系統(tǒng)的制冷效率。冷水主機(jī)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高制冷機(jī)組的運(yùn)行效率，盡可能保證工況的穩(wěn)定性，以免壓縮機(jī)設(shè)備頻繁開啟和關(guān)閉。當(dāng)溫度與負(fù)荷發(fā)生變化時，系統(tǒng)會對水泵與風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少液體和空氣的流量。若流量減少了一半，水泵或風(fēng)機(jī)的能耗也會降低，可以節(jié)約20%～30%的能源，整個空調(diào)系統(tǒng)的能耗可以降低70%～80%。

1.5 優(yōu)化氣流組織

氣流組織會對空調(diào)系統(tǒng)能耗產(chǎn)生較大影響，為了降低能耗，需要對氣流組織進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以采用以下兩種氣流組織形式：第一種氣流組織形式為地板下送風(fēng)和封閉冷通道，如圖1 所示，冷通道處于封閉狀態(tài)，熱通道敞開。在數(shù)據(jù)中心設(shè)置通風(fēng)地板，冷空氣進(jìn)入地面和地板之間的架空層，冷空氣會順著冷通道向上流動，在流動的過程中，降低設(shè)備和室內(nèi)空間的溫度，通過頂部或者熱通道排出熱量。

圖1 封閉冷通道

第二種氣流組織形式為彌漫送風(fēng)和封閉熱通道（圖2），直接把冷空氣轉(zhuǎn)移到冷通道中，熱量逐漸轉(zhuǎn)移到空調(diào)上方的回風(fēng)口，對熱空氣進(jìn)行冷卻，轉(zhuǎn)化成冷空氣后，再流向機(jī)房內(nèi)部，達(dá)到循環(huán)制冷的目的。這種組織形式延長了免費(fèi)自然冷卻時間，有效降低了制冷機(jī)組的能耗。

圖2 封閉熱通道

2 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的實(shí)例分析

2.1 數(shù)據(jù)中心概況

對廣東省某數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，主要運(yùn)用了間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。在制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)置了9 臺冷水機(jī)組，同時還配備了房間級空調(diào)末端，高壓離心式冷水機(jī)組的制冷量為6300 kW。一期工程建設(shè)完成后，有3 臺機(jī)組投入使用，機(jī)房投入使用后，第一年的平均數(shù)據(jù)中心能源使用效率（power usage effectiveness, PUE）是1.4，在改造設(shè)計(jì)中，需要保證年平均PUE 小于1.3。

2.2 改造方案

在數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)中，能耗最高的是冷水主機(jī)。要想降低能耗，需要對冷水主機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在制冷的過程中利用室外環(huán)境中的自然冷源，縮短制冷設(shè)備的運(yùn)行時間，減少制冷設(shè)備的能耗。建筑樓頂平臺空間較大，滿足間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用條件，因此在制冷系統(tǒng)中增加間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組，機(jī)組運(yùn)行原理如圖3 所示，機(jī)組中最關(guān)鍵的設(shè)備是立管式間接蒸發(fā)冷卻器。

圖3 蒸發(fā)冷水機(jī)組運(yùn)行原理

在改造方案的設(shè)計(jì)中，增加了10 臺蒸發(fā)冷水機(jī)組，其中有1 臺為備用機(jī)組，單臺機(jī)組的制冷量為400 kW，將新機(jī)組連接到原本的冷卻水系統(tǒng)中，如圖4 所示。在新的制冷系統(tǒng)中，設(shè)置了新的供回水管，新管與舊管相互貫通，10 臺機(jī)組和供回水管采用了并聯(lián)的連接方式。在原本的群控系統(tǒng)上安裝了新的控制系統(tǒng)，電動閥可以控制機(jī)組的狀態(tài)，系統(tǒng)還具有監(jiān)測功能，根據(jù)監(jiān)測情況進(jìn)行調(diào)整。改造方案對原系統(tǒng)架構(gòu)的影響較小，不必拆除原系統(tǒng)的冷卻塔，將其作為制冷系統(tǒng)的備用設(shè)施。間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組采用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，因此可以提前到工廠進(jìn)行預(yù)制，將各個組件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，直接拼裝，大大縮短了施工工期[4]。

圖4 節(jié)能改造

2.3 運(yùn)行方案

完全自然冷卻模式：利用室外濕球監(jiān)測溫度，若溫度低于14 ℃，空調(diào)制冷系統(tǒng)會變成完全自然冷卻模式，使機(jī)械制冷機(jī)組停止運(yùn)行，同時還要關(guān)閉一個冷卻塔，啟動新設(shè)置的間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組，在該設(shè)備和板式換熱器的共同作用下，為空調(diào)制冷系統(tǒng)提供冷水，冷水的溫度為13 ℃或18 ℃。在完全自然冷卻模式中，機(jī)械制冷機(jī)組不再運(yùn)行，節(jié)省了大量能耗。原本的濕球溫度標(biāo)準(zhǔn)為8 ℃，只有溫度低于8℃，蒸發(fā)冷水機(jī)組才會開始運(yùn)行，能耗較高。考慮到廣東省溫度較高，調(diào)整溫度標(biāo)準(zhǔn)，改造之后，將溫度指標(biāo)設(shè)置為14 ℃，只要溫度低于該數(shù)值，就會啟動蒸發(fā)冷水機(jī)組，延長了機(jī)組的運(yùn)行時間，表現(xiàn)出較好的節(jié)能效果。

機(jī)械制冷模式：該模式的溫度標(biāo)準(zhǔn)為18 ℃，如果室外環(huán)境中的濕球超過18 ℃，空調(diào)制冷系統(tǒng)就會進(jìn)入機(jī)械制冷模式，改變系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。在機(jī)械制冷模式下，蒸發(fā)冷水機(jī)組能夠與冷卻塔起到同樣的作用，而且比原本的冷卻塔更加高效。在蒸發(fā)冷水機(jī)組的運(yùn)行中，能夠?qū)鋮s水的溫度進(jìn)行控制，使其低于濕球溫度，將冷卻水運(yùn)輸?shù)綑C(jī)械制冷機(jī)組中，能夠吸收更多的熱量，具有更好的散熱效果，同時還能降低冷凝溫度，使機(jī)械制冷機(jī)組更加節(jié)能[5]。

兩種模式相融合的復(fù)合模式：主要應(yīng)用于季節(jié)過渡的時期，若濕球溫度在14～18 ℃時，空調(diào)的制冷系統(tǒng)就會自動轉(zhuǎn)換到復(fù)合模式。在該模式的狀態(tài)下，啟動機(jī)械制冷機(jī)組的主機(jī)，蒸發(fā)冷水機(jī)組運(yùn)行時，初步降低冷水溫度，將冷水運(yùn)輸?shù)秸舭l(fā)器后，進(jìn)一步降低冷水的溫度，當(dāng)冷水溫度降到13 ℃以下時，開始供冷，冷水吸收熱量后，水溫變高，溫度較高的水將會流向蒸發(fā)冷水機(jī)組，重新進(jìn)行降溫。在該模式的應(yīng)用中，蒸發(fā)冷水機(jī)組承擔(dān)了一部分降溫工作，降低了整個制冷系統(tǒng)的能耗。

2.4 節(jié)能效果

完全自然冷卻模式下，蒸發(fā)冷水機(jī)組的平均運(yùn)行功率為20 kW，運(yùn)行時間5638 h，全年總用電量為101.5 萬kW·h；在機(jī)械制冷模式下，機(jī)械制冷主機(jī)的平均功率為440 kW，蒸發(fā)冷水機(jī)組的平均運(yùn)行功率為16 kW，運(yùn)行時間為1332 h，系統(tǒng)的全年總用電量為104.6 萬kW·h；在復(fù)合模式下，機(jī)械制冷主機(jī)的平均運(yùn)行功率為380 kW，蒸發(fā)冷水機(jī)組的平均運(yùn)行功率為25 kW，運(yùn)行時間為1790 h，全年總用電量為80.9 萬 kW·h。3 種模式的總耗電量為 287 萬 kW·h，改造之前的總耗電量為610 萬kW·h，節(jié)省了電量323 萬kW·h，節(jié)省了電費(fèi)240 萬元，節(jié)能效果非常明顯，提高了數(shù)據(jù)中心的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

在空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)中，需要對先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行研究和運(yùn)用，對室外環(huán)境的免費(fèi)冷源進(jìn)行利用，通過自然免費(fèi)冷源降低室內(nèi)溫度，降低空調(diào)系統(tǒng)的總能耗和運(yùn)行成本，使數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)滿足節(jié)能降耗的要求，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展、低碳發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。