某金融機構數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設計

0 引言

2021年12月，中國人民銀行編制印發(fā)了《金融科技發(fā)展規(guī)劃（2022-2025年）》，將建設綠色高可用性數(shù)據(jù)中心作為重要任務之一。提出新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心電能利用效率不超過1.3的目標。

隨著金融業(yè)務的迅速發(fā)展，行業(yè)監(jiān)管要求的日趨嚴格，金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心的建設規(guī)模也越來越大。金融行業(yè)的數(shù)據(jù)中心在規(guī)劃設計時大多只注重安全性、可靠性，而沒有綜合考慮數(shù)據(jù)中心節(jié)能、降耗對運營成本的影響，對數(shù)據(jù)中心的能耗、環(huán)保及效率重視遠遠不夠

。王安光等人對上海地區(qū)20個大型數(shù)據(jù)中心進行調(diào)研、測試，發(fā)現(xiàn)金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心的PUE值明顯高于其他行業(yè)

?？梢?，金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心在節(jié)能、降耗方面有待提升。

忙完喪事我就趕緊回屋，大梁還是冇回，今朝可是第五天了！一種不祥之感像密實的蛛網(wǎng)，把我牢牢地籠罩起來。這兩天忙二丫的后事，心思占滿了?，F(xiàn)在騰出空兒了，這不安是一陣緊似一陣。天還冇擦黑，我們就早早吃了晚飯。我叫槐生就在屋里玩，想困了自個兒上床，就慌忙火急鎖上門，朝東坡梁子奔去。

本文以某金融機構在無錫新建的開發(fā)測試云數(shù)據(jù)中心設計為例，介紹在上海及周邊地區(qū)，通過挖掘傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能潛力，實現(xiàn)設計PUE不超過1.30的目標。

1 項目概況

本項目建設地點位于江蘇省無錫市，是某金融機構新建的開發(fā)測試云數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)機房樓建筑面積13 730.19 m

，建筑高度28.10 m，地上5層，1層架空、2層為冷凍機房和變電所、3至5層為模塊機房、UPS室及電池室（如圖1所示）。

數(shù)據(jù)機房按高安全性、高可靠性的原則設計，滿足國標GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》A級機房標準。共規(guī)劃1 728個標準機柜，單機柜平均設計功率3.2 kW。設計PUE值控制目標不超過1.30。

2 空調(diào)系統(tǒng)設計

采用傳統(tǒng)冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，在上海及周邊地區(qū)要到達設計PUE值不超過1.30，幾乎是無法實現(xiàn)的目標

。因此，設計時需要對傳統(tǒng)冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力進一步挖掘。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》典型氣象年逐時氣象參數(shù)資料，參考上海地區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，完全自然冷卻運行時間3 227 h，占全年運行時間的37%；部分自然冷卻運行時間1 817 h，占全年運行時間的21%；完全機械制冷運行時間3 716 h，占全年運行時間的42%。

3 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施

基于用戶提出的不破壞建筑立面效果、保證機房出柜率、水管不進模塊機房等原因，本項目未選擇新型冷卻節(jié)能技術，而采用了傳統(tǒng)冷凍水空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)按國標A級機房標準設計，空調(diào)系統(tǒng)的重要管路和關鍵設備進行冗余備份。冷源設備按N+1冗余設計，共選用3臺制冷量3 868 kW的變頻離心式冷水主機，并設置對應開式冷卻塔、自然冷卻板式換熱器和循環(huán)水泵。模塊機房采用房間級冷凍水型下送風精密空調(diào)機組，機組按N+X（X≥25%）冗余設計。氣流組織形式為活動地板下送風，封閉熱通道隔離冷熱氣流。冷通道溫度按22℃、熱通道溫度按35℃設計。冷凍水分配管路采用環(huán)狀管網(wǎng)，滿足可在線維護。設置水蓄冷裝置，滿足斷電等緊急情況下連續(xù)制冷的需求。

3.1 提高冷凍水溫度

制度是學校管理必不可少的利器，正所謂“沒有規(guī)矩，不成方圓”。為此，農(nóng)村學校必須要完善寄宿制的管理制度，制定詳細的可執(zhí)行的制度，比如《宿舍管理制度》《文明宿舍評比制度》等，這些制度能夠一定程度上保證住宿生行為有章可循。

3.2 充分利用自然冷源

冷水機組和精密空調(diào)的能耗之和占了空調(diào)系統(tǒng)總能耗的70%左右，選用高效的空調(diào)設備可以有效降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。本項目在設計中對冷水機組的能效提出了較高要求，即便在室外極端濕球工況下，冷卻塔出水34℃時，機組的滿負荷COP值也高達7.5。表1是在15℃出水條件下，某品牌變頻離心式冷水機組部分負荷COP選型數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯瑱C組的部分負荷性能十分優(yōu)異，部分負荷COP值最高可達18以上。精密空調(diào)機組配置高效EC風機，要求風機的單位風量的耗功率不超過0.25 W/（m

/h)。

按冷卻塔逼近3.5℃、板式換熱器換熱溫差1.5℃計算，當室外環(huán)境濕球溫度t

≤10℃時，可以關閉冷水機組，實現(xiàn)“完全自然冷卻”運行；當室外環(huán)境濕球溫度10＜t

≤17℃時，冷卻塔出水對冷凍水回水進行預冷，運行在“部分自然冷卻”模式，降低冷水機組負荷；當室外環(huán)境濕球溫度t

＞17℃時，運行在“完全機械制冷”模式。

采用SPSS 20.0統(tǒng)計學軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計量資料以“±s”表示，采用t檢驗；計數(shù)資料以百分數(shù)（%）表示，采用x2檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

3.3 氣流組織優(yōu)化

冷水機組、水泵、冷卻塔、精密空調(diào)均采用變頻控制，可以降低部分負荷運行時的能耗。變頻技術可根據(jù)數(shù)據(jù)中心機房室內(nèi)外不同的溫度通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來改變泵和風機的性能曲線，在調(diào)整其出力的同時不影響管路系統(tǒng)的阻力特性，使系統(tǒng)能保持較高的效率運行。當流量減少一半時，變頻水泵或風機可減少能耗70%～80%，極大地降低了設備能耗

。

3.4 空調(diào)設備節(jié)能

數(shù)據(jù)中心需要常年不間斷供冷，利用自然冷源進行冷卻是數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的最有效手段。采用板式換熱器與冷水機組串/并聯(lián)的布置方式，冷凍水空調(diào)系統(tǒng)可最大程度利用自然冷源（如圖2所示）。在過渡季節(jié)以及冬季室外溫度較低的情況下，不開啟冷凍機或降低冷凍機負荷，減少機械制冷運行時間，達到節(jié)能運行的目的。

采用冷凍水系統(tǒng)的金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心，冷凍水的供水溫度普遍都不超過12℃，供回水溫差一般也在5℃左右，系統(tǒng)的運行效率偏低。在一定范圍內(nèi)，冷水機組的冷水出口溫度每提高1℃，機組的COP約提高3%。本項目冷凍水供水溫度按15℃設計，冷水機組COP比12℃供水約提高10%。冷凍水回水溫度按22℃設計，供回水溫差達到7℃，水系統(tǒng)輸送能耗比5℃溫差水系統(tǒng)降低約30%。

合理的氣流組織形式和機柜排布可以有效地降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。模塊機房內(nèi)機柜采用面對面、背對背成組布置，精密空調(diào)機組和機架的行列成垂直式排布。精密空調(diào)機組送風進入活動地板靜壓箱，通過可調(diào)節(jié)型地板開孔格柵出風口，送至機柜進風面的冷池內(nèi)，使機房內(nèi)部溫度分布更為均勻，避免局部熱點的產(chǎn)生。送風在帶走機柜熱量后從機柜背面排出至熱通道，回至精密機組上部回風口，經(jīng)精密空調(diào)機組降溫后進入下一個循環(huán)。采用封閉熱通道的方式隔離冷熱氣流，減少冷熱氣流間的相互影響。封閉熱通道的方式可以有效地捕獲服務器排風，提高精密空調(diào)的回風溫度和送回風溫差，提升制冷效率，有效降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。有研究表明，封閉熱通道比封閉冷通道的方式更節(jié)能

。

4 PUE值計算

PUE是表征數(shù)據(jù)中心電能利用效率的參數(shù)，其數(shù)值為數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有用電設備消耗的總電能與所有電子信息設備消耗的總電能之比

。

本項目PUE值按照電子信息設備全年滿負荷運行進行計算。制冷及空調(diào)設備的電能消耗按照“完全機械制冷”“部分自然冷卻”“完全自然冷卻”三種運行模式，根據(jù)典型氣象年逐時濕球溫度分布，分時段分別進行計算統(tǒng)計。

變壓器損耗按國標GB/T 22072-2018《干式非晶合金鐵心配電變壓器技術參數(shù)和要求》中的損耗計算。UPS損耗按照5%計算，線路及其它損耗按照2%計算。計算過程見表2，全年PUE計算值為1.296，達到不超過1.30的目標值。

談及報紙的未來，張軍相信其存在的必要性與必然性，每個人的閱讀習慣不同，對不同閱讀媒介的選擇也不同，目前以及未來，很多人仍會傾向于閱讀紙質(zhì)新聞。在他看來，任何行業(yè)的發(fā)展都會有起伏，雖然相較以前，紙媒現(xiàn)階段的發(fā)展面臨著一些困難和挫折，但只要把握好時代發(fā)展的脈搏，強化管理、開拓創(chuàng)新，找準切入點、迎難而上，還是能抓住機遇迎來新的發(fā)展和進步。

周末，我正在悶頭吃早飯，旅行社給我打來電話。沒錯，我給自己報了個旅行團，我還有點積蓄，等這趟旅行回來，一切從頭開始也來得及。

5 結(jié)語

本文以某金融機構數(shù)據(jù)中心設計為例，介紹了在上海及周邊地區(qū)，通過挖掘傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)設計PUE不超過1.30的目標。但設計PUE值并不能代表實際運行PUE水平，實際運行中受IT負荷水平、氣象條件、系統(tǒng)控制和管理水平等因素影響，往往達不到設計目標。對于以關注安全性、可靠性為主的金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心，應積極探索和應用先進節(jié)能技術，建設綠色節(jié)能高可用性的數(shù)據(jù)中心。

[1]開放數(shù)據(jù)中心委員會.金融業(yè)綠色數(shù)據(jù)中心建設規(guī)范(ODCC-02005-2017).2017.

[2]王安光,黃璜,鄭竺凌.上海市數(shù)據(jù)中心能效提升技術路線研究.建筑節(jié)能,2019.

[3]孫長青,關于上海數(shù)據(jù)中心針對新政要求PUE小于1.3的節(jié)能對策.節(jié)能,2019.

[4]陸忠,李旭東.論數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)氣流組織方案對能效的影響.商品與質(zhì)量,2018.

[5]陳文輝,熱通道封閉在數(shù)據(jù)中心應用分析.潔凈與空調(diào)技術,2020.

[6]錢曉棟,李震.數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究,暖通空調(diào),2012.

[7]數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范(GB50174-2017).北京:中國計劃出版社,2017.