數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施淺析

潘志強，李岑，田志景，姚新宇，曹旭

（中郵建技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210012）

數(shù)據(jù)中心使用的制冷系統(tǒng)，其主要目的是為防止IDC機房服務(wù)器設(shè)備過熱，保證業(yè)務(wù)穩(wěn)定持續(xù)。按照多年來傳統(tǒng)機房空調(diào)的溫度設(shè)置，無論冬夏晝夜，空調(diào)溫度都基本統(tǒng)一設(shè)置在18～25℃甚至更低。通過對IDC機房用能組成現(xiàn)狀的調(diào)查統(tǒng)計，并抽取典型IDC數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進行分析，如圖1所示。

圖1 IDC機房能耗分布圖

從統(tǒng)計結(jié)果可以看到，空調(diào)和ICT設(shè)備的耗電占據(jù)了數(shù)據(jù)中心總耗電量的絕大部分，其中空調(diào)設(shè)備的耗電量占總耗電量的31%；通過進一步分析空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備能耗發(fā)現(xiàn)，冷水機組、循環(huán)水泵、空調(diào)末端是空調(diào)系統(tǒng)中主要耗電設(shè)備，占據(jù)空調(diào)系統(tǒng)整體能耗的97%。因此，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗可以有效降低IDC數(shù)據(jù)中心PUE數(shù)值，本文主要針對提高機房內(nèi)環(huán)境溫度、優(yōu)化空調(diào)設(shè)備的運行策略、延長使用自然冷源等節(jié)能措施展開討論。

1 提升機房溫度

1.1 溫度提升需要考慮的因素

機房設(shè)備主要為通信設(shè)備和配套設(shè)備2類，通信設(shè)備通常為IT業(yè)務(wù)設(shè)備，配套設(shè)備有監(jiān)控傳輸、空調(diào)設(shè)備等。

1.1.1 ICT設(shè)備

ICT設(shè)備長期正常工作溫度范圍為5～45℃，理論上只要機房環(huán)境溫度常年保持在15～35℃、濕度30%～80%，設(shè)備能夠正常穩(wěn)定工作，因此適當(dāng)提高機房內(nèi)空調(diào)末端送風(fēng)（回風(fēng)）溫度可以降低空調(diào)末端的能耗。

1.1.2 傳輸監(jiān)控設(shè)備

傳輸監(jiān)控設(shè)備長期正常工作溫度范圍為0～45℃，濕度范圍為10%～90%。在保證傳輸設(shè)備正常工作的情況下，也可通過提高機房室內(nèi)溫度的措施，對空調(diào)末端設(shè)備進行節(jié)能運行。

1.2 提高空調(diào)末端送風(fēng)（回風(fēng)）溫度

目前IDC數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)溫度控制的方式主要由空調(diào)末端回風(fēng)溫度控制和送風(fēng)溫度控制兩種方式,兩者的區(qū)別在于參與控制的溫度采樣點位置的不同和運行控制邏輯不同。

若采用回風(fēng)溫度控制方式時,回風(fēng)溫度為直接控制對象，通過比較回風(fēng)溫度與機房溫度設(shè)定值的差值控制空調(diào)末端的運行工況；若采用送風(fēng)溫度控制方式時,送風(fēng)溫度為直接控制對象，通過比較機房溫度實測值與機房溫度設(shè)定值的差值控制空調(diào)末端運行工況。顯然，采用回風(fēng)溫度更能代表機房內(nèi)平均溫度。

1.3 實施效果

2個核心機房和2個IDC機房，通過提高空調(diào)末端回風(fēng)溫度、同時段比較能耗情況。提升機房溫度，測點的最高溫度沒有上升，機房的溫度場得到優(yōu)化，如序號2，每提升1℃，空調(diào)節(jié)電率在2.5%～5%之間甚至更高，個別機房可以達到6.25%。

2 空調(diào)設(shè)備的運行策略

2.1 采用變流量水系統(tǒng)

定流量系統(tǒng)是國內(nèi)工程設(shè)計中應(yīng)用較多的一種系統(tǒng)形式，通過冷水機組的冷水流量不變。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)末端冷負荷減少時，導(dǎo)致冷凍水供、回水溫差減少，所以絕大部分運行時間內(nèi)，空調(diào)冷凍水系統(tǒng)處于大流量、小溫差的狀態(tài)，造成循環(huán)水泵能耗偏高。

相較于定流量系統(tǒng)，變流量系統(tǒng)可使冷水機組蒸發(fā)器側(cè)流量隨負荷側(cè)流量的變化而改變，從而最大限度地降低循環(huán)水泵的能耗。

利用循環(huán)水泵軸功率與電機頻率立方成正比關(guān)系P1/P2 =（n1/n2）3，流量與電機頻率（轉(zhuǎn)速）成正比的關(guān)系P1/P2 = n1/n2，通過降低循環(huán)水泵使用頻率來節(jié)省能耗。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，以呼和浩特某數(shù)據(jù)中心機柜加電率（94.3%）及機房熱負荷6959.208 kW（實際加電功率5799.34 kW*系數(shù)1.2）計算，冷凍水系統(tǒng)內(nèi)水流量必須要達到1400m3/h才能滿足正常制冷需求（供回水溫差5℃）。

以往需開啟2臺90 kW水泵供水：

Q=800m3*2=1600m3

電機需投入的功率：P=90kW*2=180kW

現(xiàn)采用3臺90 kW水泵供水，并下調(diào)電機頻率，

水泵供水量：Q=80%*800m3*3=1920m3

電機需投入的功率：P=(80%)3*90kW*3=138 kW

節(jié)省的功率：P= 2*90-138=52 kW

此時系統(tǒng)內(nèi)流量充足，而電機投入的功率下降。

同理將110kW冷卻泵調(diào)整后：

電機需投入的功率：P=(80%)3*3*110 kW=135 kW

節(jié)省的功率：P= 2*110-135=85 kW

投入3臺冷凍泵、冷卻泵,可節(jié)?。篜=52+85=137 kW

實施效果如表3所示，2套制冷系統(tǒng)、循環(huán)水泵頻率50Hz運行時，循環(huán)水泵日整體能耗為9600Kw·h，3套1200RT制冷系統(tǒng)、循環(huán)水泵頻率40Hz運行時，循環(huán)水泵日整體能耗為7372.8kW·h。3套1200RT制冷系統(tǒng)、循環(huán)水泵頻率35Hz運行時，循環(huán)水泵日整體能耗為4939.2kW·h，節(jié)電率48.5%。

2.2 調(diào)節(jié)冷水機組運行工況

離心式冷水機組的工作效率，除了考慮離心式壓縮機本身的效率外，還應(yīng)結(jié)合實際運行條件考慮冷水機組在不同負載條件下的實際綜合COP。以某品牌制冷量2300RT的離心式冷水機組為例，如圖2所示，在保證冷水機組的制冷量與空調(diào)末端負荷相匹配的情況下，通過人工或自控系統(tǒng)使冷水機組在50%～80%負載狀態(tài)下運行，將其控制在最佳節(jié)能區(qū)域。

圖2 水冷機組性能曲線圖

3 提高自然冷源利用效率

3.1 提高冷卻塔冷選型

冷卻塔選型適度放大，按照冬季選型，夏季校核，逼近度由原設(shè)計方案的5.5℃改為3.5℃，即在保證冷卻水供水溫度不變時，濕球溫度由8℃提升至10℃，全年自然冷源利用時間可提升385h。

3.2 自然冷源切換

結(jié)合運行實際情況優(yōu)化暖通系統(tǒng)控制邏輯，合理使用預(yù)冷模式和全冷卻塔冷卻模式。冷機制冷模式： 當(dāng)室外濕球溫度t>22℃（可調(diào)）時，冷機工作，自然冷源不工作；預(yù)冷模式：當(dāng)室外濕球溫度15℃＜t≤22℃（可調(diào)）時，機械冷源與自然冷源聯(lián)合運行；完全自然冷卻模式：當(dāng)室外濕球溫度t≤15℃（可調(diào)）時，冷機不工作，自然冷源工作。

以呼和浩特某數(shù)據(jù)中心為例，調(diào)整前當(dāng)室外濕球溫度低于5℃時啟用2臺板式換熱器（單臺制冷量4500kW）制冷，調(diào)整后當(dāng)室外濕球溫度低于7℃時啟用3臺板式換熱器（單臺制冷量4500kW）可滿足制冷需求。即在現(xiàn)有熱負荷工況下可提前或延后自然冷源使用時間（由原來的11月～次年3月變更為10月～次年4月），在10～11月和3～4月采用水冷機組與板式換熱器相結(jié)合的方式降低制冷耗能。

實施效果如圖3所示，以某年10月份水冷機組耗電量273886kW·h，環(huán)比9月份下降266340kW·h，節(jié)電效果顯著。

圖3 冷源能耗對比

4 結(jié)語

隨著云計算數(shù)據(jù)中心的大量投運，先期的大資金設(shè)備投入占所有投入的比例已經(jīng)逐步減少，而運營維護及基礎(chǔ)建設(shè)的費用卻始終居高不下，通過綠色環(huán)保理念、運用節(jié)能減排技術(shù)，減少這些運行維護及基礎(chǔ)建設(shè)的費用，也將為運行商自身節(jié)約大量開支，更有效地實行可持續(xù)發(fā)展。本文根據(jù)數(shù)據(jù)中心實際運行情況，結(jié)合測試數(shù)據(jù)，提出了數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能的方法，為制冷系統(tǒng)節(jié)能控制策略的制訂和實施提供了參考。