數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析

劉芳 員東照

1北京建筑工程學(xué)院北京市“供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程”重點實驗室

2北京建筑工程學(xué)院科研處

3中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司

0 引言

數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)大集中而形成的集成IT應(yīng)用環(huán)境，是各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的提供中心，是數(shù)據(jù)處理、存儲和交換的中心。隨著信息化社會的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心建設(shè)被提到了至關(guān)重要的位置。金融、制造業(yè)、政府、能源、交通、教育、互聯(lián)網(wǎng)和運營商等各個行業(yè)都在規(guī)劃、建設(shè)和改造各自的數(shù)據(jù)中心。我國三年來每年新增數(shù)據(jù)中心面積在800萬m2左右，新增的信息中心機(jī)房有3萬個左右。2011年，我國數(shù)據(jù)中心服務(wù)市場規(guī)模達(dá)到1587.5億元，同比增長18.6%；預(yù)計到2015年，規(guī)模將達(dá)3031.1億元，年復(fù)合增長率為17.8%。目前，中國數(shù)據(jù)中心總數(shù)已經(jīng)超過64萬個[1]。此數(shù)據(jù)有力地說明了數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為像交通、能源一樣的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)據(jù)中心的能耗已經(jīng)占到我國全社會用電的1.5%左右。

PUE[2]是目前國際國內(nèi)普遍使用的數(shù)據(jù)中心能效評價指標(biāo)，定義為數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備總能耗的比值。衡量數(shù)據(jù)中心是否節(jié)能實際上是衡量在保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行的前提下，各部分能耗的最佳比例，確保服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)存儲等設(shè)備能效比的最大化。PUE值越小說明數(shù)據(jù)中心用于通信設(shè)備以外的能耗越小，系統(tǒng)越節(jié)能。全球數(shù)據(jù)中心的平均PUE是2.0，發(fā)達(dá)國家數(shù)據(jù)中心的PUE約為1.8，日本部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的PUE可達(dá)1.5，Google的數(shù)據(jù)中心PUE可達(dá)1.2。在我國，80%以上的數(shù)據(jù)中心PUE均大于2.0，有的甚至高達(dá)3.0[3]。為了推動IT設(shè)備及相應(yīng)外部設(shè)備的節(jié)能減排，工信部在《工業(yè)節(jié)能"十二五"規(guī)劃》提出，“到2015年，數(shù)據(jù)中心PUE值需下降8%”的目標(biāo)。

數(shù)據(jù)中心的能耗主要由IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)三部分能耗構(gòu)成。其中IT設(shè)備能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的50%；空調(diào)系統(tǒng)能耗在數(shù)據(jù)中心總能耗中排第二位，約占40%，電源系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的10%。可見，提高數(shù)據(jù)中心能耗，降低PUE，最有效的方法是降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)特點

數(shù)據(jù)中心是為通信設(shè)備提供的運行環(huán)境，通常數(shù)據(jù)中心的用戶都希望盡可能多地安裝設(shè)備及設(shè)備機(jī)架，提高建筑空間的利用率。通信設(shè)備全年24小時不間斷運行而且對環(huán)境的溫濕度和潔凈度有較高要求，通常主機(jī)房設(shè)計溫度為23±1℃，在靜態(tài)條件下測試，每升空氣中大于或等于0.5μm的塵埃數(shù)應(yīng)小于18000粒[4]。空氣中的硫化物、氮氧化物等腐蝕性氣體都會腐蝕通訊設(shè)備，造成意外宕機(jī)和通訊設(shè)備壽命減短等，因此數(shù)據(jù)中心對建筑的密閉性和周圍環(huán)境的空氣質(zhì)量有一定要求。

數(shù)據(jù)中心一個機(jī)柜的占地面積不足1m2，散熱量卻達(dá)到2～10kW，甚至更高。通信設(shè)備密集的區(qū)域發(fā)熱量集中，為使機(jī)房內(nèi)各區(qū)域溫濕度均勻且控制在允許的基數(shù)及波動范圍內(nèi)，需要有較大的風(fēng)量將熱量帶走。因此數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)具有顯熱量大、空調(diào)風(fēng)量大、焓差小，空調(diào)系統(tǒng)需全年供冷和空調(diào)設(shè)備、管路需備份等特點。

2 數(shù)據(jù)中心常用空調(diào)系統(tǒng)形式

2.1 風(fēng)冷直膨式機(jī)房專用空調(diào)

風(fēng)冷直膨式機(jī)房專用空調(diào)是數(shù)據(jù)中心機(jī)房普遍采用的空調(diào)形式，系統(tǒng)組成如圖1所示。空調(diào)機(jī)組為恒溫恒濕機(jī)組，配備能夠滿足機(jī)房使用條件要求的過濾器，機(jī)組在控制告警和信號上傳等方面有強(qiáng)大的功能，能夠滿足通訊機(jī)房的相關(guān)要求。這種系統(tǒng)組成簡單、設(shè)備維護(hù)管理方便、可分批建設(shè)、節(jié)省投資，空調(diào)室內(nèi)機(jī)無漏水危險、產(chǎn)品技術(shù)成熟，在通信機(jī)房中普遍廣泛使用。不足之處在于室外機(jī)布放需要較大的場地，多臺室外機(jī)密集安裝容易造成過熱，室外機(jī)噪聲對周圍環(huán)境有影響。

圖1 風(fēng)冷直膨式機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)

2.2 冷凍水機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)

冷凍水機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)由冷源和末端設(shè)備兩部分組成。通常采用風(fēng)冷或水冷冷水機(jī)組作為冷源，室內(nèi)機(jī)采用冷凍水機(jī)房專用空調(diào)機(jī)。水冷冷水機(jī)組效率高，是冷凍水機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)較常采用的形式，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 冷凍水機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)

水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)較風(fēng)冷直膨系統(tǒng)效率高，室內(nèi)機(jī)故障率低，外形尺寸和重量相對較小，室外部分占地面積小，室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)之間連接管線少，高度和長度不受限制。主要缺點是冷水機(jī)組、水泵應(yīng)為冗余設(shè)計，循環(huán)水需要采用雙路系統(tǒng)，成本較高，運維管理復(fù)雜；分批建設(shè)的靈活性差；冷凍水管路進(jìn)機(jī)房，管徑大，漏水的潛在威脅大，系統(tǒng)耗水量大。適用于規(guī)模在10000m2以上的大型數(shù)據(jù)中心。

3 數(shù)據(jù)中心空調(diào)發(fā)展趨勢

在數(shù)據(jù)中心的快速擴(kuò)張中，眾多難題逐漸浮出水面：最突出的就是高耗能。電費成本居高不下，導(dǎo)致很多的數(shù)據(jù)中心建得起、用不起。2007年我國IT產(chǎn)品總的耗電量已經(jīng)超過300億kWh電，大概是三峽電站年發(fā)電量的一半左右。我國現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心能源綜合利用效能低，其中有50%以上的能源消耗在IT設(shè)備以外的配套設(shè)施上。因此，建設(shè)節(jié)能環(huán)保、低投入低運營的綠色數(shù)據(jù)中心，已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)和使用方以及設(shè)備供應(yīng)商的共識。

數(shù)據(jù)中心的空調(diào)節(jié)能方法可概括為利用免費自然冷源和提高空調(diào)系統(tǒng)效率兩方面。

3.1 利用免費自然冷源

充分利用室外的冷空氣、冷水等資源作為免費冷源，常采用的方法有利用風(fēng)側(cè)自然冷源和利用水側(cè)的自然冷源。

1）直接利用室外新風(fēng)。利用室外的低溫，將經(jīng)過過濾、除硫等方式處理過的室外冷空氣直接引進(jìn)數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)冷卻通信設(shè)備，實現(xiàn)節(jié)能。如FACEBOOK數(shù)據(jù)中心，采用全新風(fēng)供冷，夏季利用周邊的湖水進(jìn)行噴淋冷卻降溫，全年P(guān)UE僅1.07。美國甲骨文鹽湖城數(shù)據(jù)中心，采用“冬季直接新風(fēng)制冷+夏季冷卻塔”供冷的方式，年P(guān)UE為1.3～1.5。

2）間接利用室外新風(fēng)。利用轉(zhuǎn)輪式換熱器吸收室外冷空氣的冷量，為數(shù)據(jù)機(jī)房降溫，這種方式在東京的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較多，通常被稱為“京都制冷”。這種方式室外空氣不直接進(jìn)機(jī)房，空氣潔凈度好。與直接新風(fēng)相比缺點是經(jīng)過一次換熱，熱效率有所降低，熱交換轉(zhuǎn)輪體積大，占用空間大，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)輪熱交換方式

3）水側(cè)間接利用免費冷源。如圖4所示，采用帶自然冷源模塊的冷水機(jī)組，在冬季和過渡季室外溫度較低的時間段不開壓縮機(jī)，通過自然冷卻模塊與室外冷空氣換熱獲得冷量。或者在冬季和過渡季不開壓縮機(jī)，利用冷卻塔來獲得冷凍水。這是目前應(yīng)用較多的一種自然冷源應(yīng)用方案。例如北京鵬博士酒仙橋數(shù)據(jù)中心采用冷凍水機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，冬季采用開式冷卻塔+板式換熱器間接利用自然冷源方式，年P(guān)UE為1.8。中國移動國際信息港采用夏季水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔，冬季采用閉式冷卻塔的模式，年P(guān)UE預(yù)計為1.8。

圖4 水側(cè)自然冷源的應(yīng)用

4）氟泵或乙二醇系統(tǒng)。對于風(fēng)冷直膨式機(jī)房專用空調(diào)，冬季采用乙二醇干冷器（見圖5）或氟泵系統(tǒng)。冬季關(guān)閉壓縮機(jī)，利用室外低溫供冷。冬季僅有一個泵和室內(nèi)風(fēng)扇的運行，有效降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

圖5 乙二醇干冷器

3.2 提高空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)效率實現(xiàn)節(jié)能

1）采用水冷空調(diào)系統(tǒng)。對風(fēng)冷直膨式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，在原有的每臺機(jī)房空調(diào)風(fēng)冷冷凝器處串聯(lián)接入水冷式室外機(jī)換熱裝置，將原有需要通過風(fēng)冷冷凝器排放的熱量排至新建的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，在建筑的適當(dāng)位置集中設(shè)置散熱效率高的冷卻塔、冷卻水循環(huán)泵，最終將熱量排放至大氣，如圖6所示。水冷卻的效率比風(fēng)冷高，可有效改善因空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)密集擺放造成的熱島效應(yīng)和噪聲問題，系統(tǒng)的效率大大提高。

圖6 風(fēng)冷改水冷

2）改善機(jī)房內(nèi)的氣流組織。改變以往給機(jī)房整體降溫的思路，以“先冷設(shè)備、后冷環(huán)境”為指導(dǎo)原則，在機(jī)房內(nèi)劃分出相間隔的冷熱通道，而且冷熱通道封閉。制冷系統(tǒng)主要保障冷通道的溫度滿足通信設(shè)備的要求，熱通道溫度適當(dāng)提高，使冷量得到充分利用。如圖7所示，采用下送上回的送風(fēng)方式，優(yōu)化氣流方向，提高氣流輸送效率。

圖7 冷通道封閉的下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

3）擴(kuò)大溫濕度適用范圍

在溫濕度方面，美國ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers）發(fā)布的《ASHREA Environment Guidelines For Datacom Equipment 2011》與 2004 版比較，對溫、濕度的要求放寬了許多，放寬的要求在保證機(jī)房設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的前提下，減少了制冷、加熱、除濕、加濕的能耗，降低了PUE值。表1所列的溫、濕度是指電子信息設(shè)備的進(jìn)風(fēng)口參數(shù)。

表1 ASHRAE對電子信息設(shè)備進(jìn)風(fēng)口參數(shù)的要求

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心作為一個新興的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)為空調(diào)的發(fā)展提供了新的舞臺和機(jī)遇，也使得空調(diào)成為數(shù)據(jù)中心中最受關(guān)注的焦點。探索高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方法，開發(fā)安全可靠節(jié)能環(huán)保的空調(diào)產(chǎn)品，是每個空調(diào)工作者努力的方向。

[1]顧大偉.數(shù)據(jù)中心建設(shè)與管理指南[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010

[2]Malone C,Belady C.Metrics to characterize data center ＆ IT equipment energy use[A]In:Proceedings of 2006 Digital Power Forum[C].Richardson:TX,2006

[3]錢曉棟.數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究[J].暖通空調(diào),2012,42(3):91-96

[4]電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范(GB50174-2008)[S].北京:人民出版社,2008