探索數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能

朱慧賓

(中國建筑設(shè)計院有限公司(原中國建筑設(shè)計研究院)智能工程中心，北京 100044)

隨著信息化程度的不斷深化，人們在生產(chǎn)、生活以及相互交流中時刻都需要進行信息數(shù)據(jù)的獲取及處理,這就對數(shù)據(jù)處理業(yè)務提出更大更多的需求。因此，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)進入了快速增長期，能源消耗也隨之快速增長。暖通空調(diào)設(shè)備肩負著數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)處理設(shè)備冷卻的重任，是保障數(shù)據(jù)中心正常運行必不可少的一部分。數(shù)據(jù)中心服務器能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的46%，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗約占31%。如何在保障數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行的前提下，減少空調(diào)系統(tǒng)能耗成為暖通空調(diào)設(shè)計師的首要任務。暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)多樣，例如變頻技術(shù)、熱泵技術(shù)等，但在數(shù)據(jù)中心如何應用，應用哪些技術(shù)可行，能否滿足整個數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)安全要求，對相關(guān)專業(yè)水、電、自控的技術(shù)要求能否滿足各自專業(yè)對數(shù)據(jù)中心設(shè)計要求等提出了諸多問題。本文就近年來工程設(shè)計中對大型數(shù)據(jù)機房建設(shè)提出的部分節(jié)能措施做簡要介紹。

1 采用合理冷源系統(tǒng)形式

對不同的數(shù)據(jù)中心項目應根據(jù)其項目的建設(shè)地點、項目規(guī)模、市政條件、氣象條件、IT規(guī)劃需求、數(shù)據(jù)中心建設(shè)標準、數(shù)據(jù)中心運行維護水平等多方面因素去權(quán)衡空調(diào)系統(tǒng)采用何種形式。目前為止，關(guān)于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能措施、節(jié)能概念及相關(guān)術(shù)語已經(jīng)出現(xiàn)很多。但是，使用最廣、認可度最高的一個術(shù)語是能源使用效率，即PUE。對于現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心，能源節(jié)省方案在于實施相應節(jié)能措施，降低數(shù)據(jù)中心PUE。對于新建數(shù)據(jù)中心，重要的是選擇最有效的系統(tǒng)架構(gòu)和組件，在合適的條件下實現(xiàn)自然冷卻，并結(jié)合所有最好的節(jié)能措施。不同空調(diào)系統(tǒng)的PUE統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖1。

圖1中，Air Cooled DX Plant為風冷直膨空調(diào)；Water Cooled Plant為水冷式冷凍站；Evaporative Cooled Plant Water-Side Economizer為蒸發(fā)式冷卻與水側(cè)節(jié)能器；Strict Airflow Management為嚴格的氣流管理；Water-Cooled Racks Air-Side Economizer為水冷機柜與風側(cè)節(jié)能器；PUE，能源使用系數(shù)=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT總能耗。

圖1 數(shù)據(jù)中心不同空調(diào)系統(tǒng)的PUE

在權(quán)衡數(shù)據(jù)中心PUE大致標準區(qū)間后，再針對該空調(diào)系統(tǒng)形式選擇具體的節(jié)能措施。對于新建的數(shù)據(jù)中心常用的冷源方案有如下幾種：

1)水冷冷水機組+自由冷卻；

2)風冷冷水機組+自由冷卻；

3)自帶冷源式風冷空調(diào)機組+自由冷卻；

4)全空氣空調(diào)機組+風冷自由冷卻。

對于第1)種冷源系統(tǒng)方案，其系統(tǒng)構(gòu)架形式也是種類多樣，但經(jīng)過部分工程測算，其PUE值可達到1.4～1.5，本文針對該系統(tǒng)的部分具體節(jié)能措施做簡要的概述。其余系統(tǒng)的具體節(jié)能措施就不再介紹了。

方案1)的部分措施如下：

1)數(shù)據(jù)中心的水冷冷水機組單獨設(shè)置，與建筑內(nèi)其他非關(guān)鍵設(shè)施所需的冷水系統(tǒng)分離，可以提高數(shù)據(jù)中心的冷水供水溫度，從而顯著提高冷水機組的運營效率。

2)為水冷冷水機組配備變頻器，從而可以選擇以最高效率運行。

3)采用制冷機在部分負載條件下運行的策略，可以優(yōu)化制冷機效率。

4)優(yōu)化冷卻水管路的控制策略，可以使制冷機的效率最優(yōu)化。

5)降低冷卻水溫度可以顯著提高制冷機效率，在氣候允許的情況下，在20℉～30℉(11℃～17℃)范圍內(nèi)，設(shè)定冷卻水供水溫度。這將提高制冷設(shè)備的效率并為自然冷卻創(chuàng)造更多的機會。定速冷卻器在每1℉(0.6℃)下的節(jié)能量為0.75%～1.25%，變頻冷卻器為1.5%～2%。另外，冷卻塔的保養(yǎng)工作不到位會縮短其壽命，甚至產(chǎn)生大筆維修費用，而且產(chǎn)品穩(wěn)定性也會受到影響。

6)為冷卻塔配備變頻器可以減少風機能耗。如果設(shè)備不以自然冷卻形式工作，在全部設(shè)備節(jié)能10%～20%情況下，與定速冷卻器相比，冷卻器可達到20%～30%的節(jié)能效果。

7)冷水泵使用變頻器，以減少水泵能耗。

8)自然冷卻設(shè)計可以充分利用室外天然冷源，以節(jié)省冷水機組運行費用。自然冷卻系統(tǒng)由冷卻塔、板式換熱器、冷卻水泵及所需配件組成。設(shè)計冷水供回水溫度為12℃/18℃，當冷卻水供水溫度低于16℃時，轉(zhuǎn)換至自然供冷模式，此時為部分自然冷卻模式；當冷卻水供水溫度低于10℃時，制冷機停機，為全部自然冷卻模式。

9)為冷凝器設(shè)置在線清洗裝置，通過電氣控制器控制清洗頻率，保證冷凝器的清潔度，降低污垢熱阻，提高傳熱系數(shù)，降低制冷機能耗。

因此，合理選擇冷源方案，直接影響到數(shù)據(jù)中心的PUE值和運維成本，對整個數(shù)據(jù)中心的節(jié)能有著十分重要的意義。

2 數(shù)據(jù)中心的環(huán)境標準是節(jié)能的核心

2.1 溫濕度要求

數(shù)據(jù)中心通常包括主機房、設(shè)備機房、輔助機房和管理用房。各類房間根據(jù)使用性質(zhì)的不同，對室內(nèi)溫度、相對濕度和空氣潔凈度的要求也不同。目前國內(nèi)暖通空調(diào)設(shè)計中，數(shù)據(jù)中心主機房和設(shè)備機房環(huán)境溫度、相對濕度值遵循的是《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》(GB 50174-2008)中的規(guī)定值，有的也參考美國ASHRAE(美國暖通制冷空調(diào)工程師協(xié)會)發(fā)布的《ASHRAE Environmental Guidelines for Datacom Equipment2011》中推薦的溫度、相對濕度值，見表1。2011年12月中國工程建設(shè)標準化協(xié)會信息通信專業(yè)委員會數(shù)據(jù)中心工作組推出的《數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)白皮書》推薦使用表1中的溫濕度設(shè)置標準。對于耗能大戶的數(shù)據(jù)中心，主機房設(shè)置的環(huán)境溫度越高，空調(diào)制冷量可相對減少，空調(diào)耗能也就相對降低了。

表1 主機房的環(huán)境要求

2.2 新風要求

機房新風主要作用為：提供足夠的新鮮空氣，為工作人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境；維持機房正壓，避免灰塵進入，保證機房有更好的潔凈度。新風系統(tǒng)的節(jié)能需要從以下幾方面入手：

1)新風量的計算，需采用不同的計算方法，如換氣次數(shù)法、壓差法、風速法等，對比計算結(jié)果，合理選定新風量。

2)機房設(shè)備安裝完畢后，管線穿墻縫隙的封堵要嚴密，做到機房漏風量最小，減少新風的供給。

3)夏季新風除去室內(nèi)含濕量等即可送入機房，無需深度除濕，達到防結(jié)露要求即可。冬季新風送風加熱也是達到防結(jié)露要求就行。

4)數(shù)據(jù)中心選址時要做好室外空氣質(zhì)量調(diào)研，提前確定腐蝕氣體類型，對比選擇化學過濾方法，盡量降低風阻，減少新風機組風機能耗。

3 氣流組織設(shè)計的節(jié)能手段

3.1 主機房內(nèi)的細節(jié)處理

在設(shè)計中經(jīng)常會產(chǎn)生以下幾個方面的問題，從而使空調(diào)制冷無法充分發(fā)揮作用，導致機房熱點的產(chǎn)生。

1)保證來自地板柵格的氣流風速不會過高以及超越機柜的高度。

2)減少來自地板下方限制氣流向服務器流動的各種阻礙，努力最小化各種阻塞的因素。

3)密接好線纜穿出地板的部分并密封好任何其他開口處。

4)將CRAC/CRAH單元與熱風通道保持垂直。

5)應讓多孔磚與CRAC/CRAH單元之間的距離在6′以上。

6)考慮采用物理辦法來隔離進風(冷)和回風(熱)。

7)考慮在回風氣流低于天花板時，安裝一個吊頂回風壓力通風系統(tǒng)。

8)將熱風回路置于熱風通道并盡可能靠近IT設(shè)備的排氣口。

9)合理化的布局，比如冷風通道/熱風通道的布置。

10)機架到天花板之間的距離。

11)活動地板的高度應通過計算確定，風速不宜過大。

12)選擇穿孔地板類型時，應綜合考慮布置位置和透風率，并且選擇帶風閥的穿孔地板以便日后進行風量平衡調(diào)試；根據(jù)機柜的冷量計算所需風量，以2 m/s的速度計算穿孔板所需的截面積，從而確定穿孔板的數(shù)量。吊頂回風格柵的設(shè)置遵循同樣原則。

3.2 CFD模擬

借助計算機CFD氣流模擬軟件，建立主機房模型，可對精密空調(diào)臺數(shù)、設(shè)置位置、風口開孔率、架空地板高度及3.1中的問題進行計算分析，找到最合理、最節(jié)能的處理方案。以某工程項目主機房模擬結(jié)果為例，利用CFD模擬幫助暖通設(shè)計人員在設(shè)計階段分析方案的合理性，避免氣流組織設(shè)計的錯誤發(fā)生。

機房空調(diào)機組的選擇有兩種方式，機組的基本信息對比如表2所示。

表2 空調(diào)機組信息

設(shè)計工況下，兩種方案各臺空調(diào)的負荷率如圖2和圖3所示，150kW機組方案總額定制冷量為750kW，各空調(diào)的負荷率為90.6%～94.2%；120kW機組總額定制冷量為840kW，各空調(diào)的負荷率為82.0%～85.7%，在現(xiàn)有機組布置情況下，120kW機組制冷量余量較大，可以滿足進一步增設(shè)服務器的需求。

圖2 150kW空調(diào)機組使用率圖

圖3 120kW空調(diào)機組使用率圖

沿高度方向各機柜最大進風溫度如圖4和圖5所示，可以看出，120kW機組方案沿機柜高度方向，整體都基本處在一個較低的送風溫度范圍內(nèi)。

圖4 150kW空調(diào)機組地板送風溫度分布圖

圖5 120kW空調(diào)機組地板送風溫度分布圖

房間溫度分布如圖6和圖7所示。

圖6 150kW空調(diào)機組地板上方1m處溫度截面圖

圖7 120kW空調(diào)機組地板上方1m處溫度截面圖

各送風孔板出口送風量如圖8和圖9所示，靠近精密空調(diào)的孔板處，由于風速較大，此處送風氣流動壓大，靜壓小，靜壓小于環(huán)境壓力時，孔板處不易出風，會造成該處位置機柜熱量難以排走，局部溫度過高。120kW機組方案送風量過低的孔板數(shù)目要小于150kW機組方案，同時，在相同送風溫度(17℃)下，120kW機組方案送風量較大，故而回風溫度較低，機房整體溫度較低。最終根據(jù)對比選用第二種方案。

圖8 150kW空調(diào)機組地板送風口風速圖

圖9 120kW空調(diào)機組地板送風口風速圖

4 空調(diào)系統(tǒng)的控制對節(jié)能意義重大

典型的數(shù)據(jù)中心冷源站房中制冷機、水泵及冷卻塔是能耗最大的設(shè)備，他們通常是全年7×24h，(共8 760h)運行。這就為控制策略提供了最大的節(jié)能潛力。設(shè)計一個能做出快速反應和高可靠性運行的控制系統(tǒng)，使各能耗設(shè)備均能在高效點運行，協(xié)調(diào)工作成為暖通設(shè)計師與自控設(shè)計師共同的目標?？照{(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制中主要包括：部分負荷運行、冷源工況切換、主機房精密空調(diào)集中節(jié)能控制等。

4.1 部分負荷運行

數(shù)據(jù)中心節(jié)能的最有效方法是減少機房精密空調(diào)壓縮機或冷源站房冷機壓縮機運行的臺數(shù)或運行時間。在數(shù)據(jù)中心初期IT業(yè)務發(fā)展階段，機房負荷沒有達到設(shè)計工況時，規(guī)劃好空調(diào)的運行，減

作者簡介

朱慧賓

2003年畢業(yè)于太原理工大學建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)，高級工程師，暖通空調(diào)專業(yè)注冊公用設(shè)備工程師?，F(xiàn)供職于中國建筑設(shè)計院有限公司(原中國建筑設(shè)計研究院)智能工程中心，目前主要從事數(shù)據(jù)中心項目暖通專業(yè)的設(shè)計工作。社會兼職：中國勘察設(shè)計協(xié)會建筑環(huán)境與設(shè)備分會北京市委員會副秘書長；《暖通空調(diào)》特邀通訊員。完成的主要大、中規(guī)模工程有廣東東莞日月星城、合肥機場航站樓、大連星海國際酒店等。獲獎項目：東莞新世紀星城一期(2009年東莞市優(yōu)秀工程設(shè)計二等獎)，中國民生銀行總部基地數(shù)據(jù)中心(中國計算機用戶協(xié)會機房設(shè)備應用分會2011年度數(shù)據(jù)中心優(yōu)秀設(shè)計方案獎)，中國建設(shè)銀行北京生產(chǎn)基地數(shù)據(jù)中心(中國計算機用戶協(xié)會機房設(shè)備應用分會2013年度數(shù)據(jù)中心優(yōu)秀設(shè)計方案獎)。

少耗能大的設(shè)備的運行時間，使所有設(shè)備均能在高效點運行是行之有效的辦法。例如：

1)在低負荷工況下減少壓縮機開啟時間，利用蓄冷罐超大容量(與初期蓄水量相對比)的冷水儲存，為系統(tǒng)盡可能長時間提供所需冷量。但前提是要保證系統(tǒng)的可靠及穩(wěn)定運行。這種方法需對比初期負荷量與冷機設(shè)置量、初期持續(xù)制冷量需求與蓄冷罐儲冷量、冷機開停機時間等方面的問題，綜合考慮判斷后才可以使用。

2)所有風機和水泵應考慮有變速裝置。通常，風機和水泵的輸入功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。風機轉(zhuǎn)速降低10%，能耗降低27%；若轉(zhuǎn)速降低20%，能耗就降低49%。

4.2 冷源工況切換

根據(jù)當?shù)貧夂驐l件不同，制冷系統(tǒng)可在制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻三種模式下運行，模式的轉(zhuǎn)換由主控制器根據(jù)室外空氣濕球溫度及穩(wěn)定性，冷卻塔風機單元的負荷，冷機及板式換熱器的運行狀況來綜合確定。

4.3 機房精密空調(diào)機集中節(jié)能控制

為同一IT機房服務的多臺機房精密空調(diào)機需

要有群控功能，控制系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場情況，將空調(diào)設(shè)備聯(lián)動與群控，保證每臺空調(diào)均能在高效點工作，在保證供冷效果不變的前提下，整體能耗保持最低。這還需要暖通設(shè)計師利用計算機CFD軟件提前模擬多臺不同空調(diào)聯(lián)合運行時的送風及制冷效果，將不滿足要求的多臺機房精密空調(diào)機組合形式從控制系統(tǒng)中排除。

5 結(jié)束語

綜上所述，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)離不開暖通空調(diào)，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能建設(shè)更離不開暖通空調(diào)。建設(shè)一個PUE最低、最節(jié)能的數(shù)據(jù)中心，需要全面考慮，在確定合理的方案下，抓住方方面面的細節(jié)，利用新的技術(shù)，搭建一個可靠、現(xiàn)代、綠色的數(shù)據(jù)中心。

[1] 任兵等譯.數(shù)據(jù)通信設(shè)施節(jié)能最佳實踐(原著第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2] 中國工程建設(shè)標準化協(xié)會信息通信專業(yè)委員會數(shù)據(jù)中心工作組.數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)白皮書,2011.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范(GB 50174-2008)[S].北京:中國計劃出版社,2009.