數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術探討及新型機械冷卻+自然冷卻空調(diào)技術研究

張 華 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

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數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術探討及新型機械冷卻+自然冷卻空調(diào)技術研究

張 華 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

對于數(shù)據(jù)中心空調(diào)設計中常用的節(jié)能措施作了粗淺的討論，介紹了采用PUE來評價數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗的指標，介紹了國外一種較為新型的復合型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設計提供參考。

數(shù)據(jù)中心空調(diào)；PUE；免費冷卻；節(jié)能設計

近年來隨著云計算產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心也處于快速發(fā)展時期，各種大型、超大型數(shù)據(jù)中心的建設與日俱增，同時數(shù)據(jù)中心內(nèi)單機柜發(fā)熱密度越來越高，這就對空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力提出了很高的要求，如何在更節(jié)能、安全的前提下滿足高密度機房的制冷需求是對當前數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設計提出的挑戰(zhàn)，同時也應該是數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 數(shù)據(jù)中心能耗評價方法

現(xiàn)行數(shù)據(jù)中心能耗評價方法多采用綠格（The Green Grid）所定義的PUE（Power Usage Effectiveness能源利用效率）指標來衡量，其具體定義為

其中，Total Facility Power包括：IT設備外的供電系統(tǒng)損耗（例如UPS，開關柜，發(fā)電機，PDU，電池）；制冷系統(tǒng)耗電；網(wǎng)絡設備及存儲設施耗電；機房照明等。由于我國幅員遼闊，氣候條件差異較大，所以不同地區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)PUE相差較大。統(tǒng)計而言，國內(nèi)的現(xiàn)行數(shù)據(jù)機房由于系統(tǒng)設計、運行參數(shù)、管理水平等方面因素的影響，較好的數(shù)據(jù)機房PUE大致在2.0左右。

2 現(xiàn)行數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設計的節(jié)能措施

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)與舒適性空調(diào)系統(tǒng)既有共性，也有其特性，所以其節(jié)能措施一方面可以采用同樣適用于舒適性空調(diào)的措施，例如采用變頻冷水機組、磁懸浮冷水機組等高效率設備的方法；另一方面也應該針對數(shù)據(jù)中心空調(diào)的特性而采用特定的節(jié)能措施。設計中常用的、可實施性較強的措施可分為三種：采用免費冷卻，降低主機能耗；提高供水溫度，提高主機效率；優(yōu)化氣流組織，避免冷熱混合損失。

與舒適性空調(diào)相同的常規(guī)節(jié)能措施，本文不再贅述，下面僅對適用于數(shù)據(jù)中心空調(diào)的節(jié)能措施作作討論：

2.1 采用免費冷卻，降低主機能耗

免費冷卻包括以空氣為載體的免費冷卻以及冷媒為載體的免費冷卻。

以空氣為載體的免費冷卻主要是將溫濕度合適的室外新風直接引入機房的冷卻形式，即直流式全新風系統(tǒng)，系統(tǒng)設計簡單，初投資及運行費用均較低，但是缺點也很明顯，例如風管占用空間較大，室外空氣條件較差會污染機房環(huán)境，影響機房運行穩(wěn)定，所以其運用案例較少。

以冷媒為載體的免費冷卻在現(xiàn)行的設計中主要包括以下幾種類型：

（1）在空調(diào)機房內(nèi)安裝自然冷卻系統(tǒng)所負擔的空調(diào)器，在室外條件較好時，開啟此系統(tǒng)來預冷數(shù)據(jù)機房的回風，甚至可以承擔全部數(shù)據(jù)中心冷負荷，在過渡季節(jié)時，系統(tǒng)自然冷卻制冷能力不足的部分再由采用機械冷卻形式的機房空調(diào)承擔［1］。

（2）分離式熱管自然冷卻系統(tǒng)［2］：利用熱管原理，工質(zhì)在安裝于數(shù)據(jù)機房內(nèi)的蒸發(fā)端吸收機房內(nèi)的熱量汽化，蒸汽通過壓差流動至安裝于室外的冷凝端，在其中被自然冷源冷卻，冷凝后的液體依靠重力流回蒸發(fā)端。

（3）采用帶自然冷卻功能的機房空調(diào)［冷卻水型］，與一般的冷卻水型機房空調(diào)區(qū)別在于其內(nèi)部除了配有冷媒蒸發(fā)器盤管還有個冷凍水蒸發(fā)器盤管，夏季運行工況為傳統(tǒng)的冷卻水型機房空調(diào)，過度季節(jié)時部分冷卻水切換至冷凍水盤管做制冷，冬季時所有冷卻水都當冷凍水來用，不和制冷劑環(huán)路地冷凝器進行換熱。其原理如圖1所示。

圖1 自然冷卻功能的機房空調(diào)不同季節(jié)的工作模式示意

（4）采用冷卻塔免費供冷技術：系統(tǒng)由冷卻塔、冷水機組、板式換熱器、循環(huán)水泵以及水冷型機房空調(diào)組成。系統(tǒng)由兩種設計形式：“冷卻塔+板換”與冷水機組串聯(lián)運行（圖2），“冷卻塔+板換”與冷水機組并聯(lián)運行（圖3）。前者冷凍水回水先經(jīng)過板換，之后再經(jīng)過冷水機組，優(yōu)點是在過渡季節(jié)可實現(xiàn)“冷卻塔+板換”與冷水機組同時運行，能夠充分利用自然冷卻；缺點是增加了系統(tǒng)阻力，需采用較高揚程的冷凍水循環(huán)泵，且系統(tǒng)控制較為復雜；后者系統(tǒng)中冷卻水僅在冬季室外溫度較低時經(jīng)過板換，此種方式優(yōu)點是能夠降低循環(huán)水泵揚程，控制簡單，缺點是由于在過渡季節(jié)二者不能同時運行，免費供冷時間小于前者［2］。

針對上海的氣象條件，筆者假設空調(diào)機組供、回水溫度分別為10/16℃，當時冷卻塔供水溫度低于7℃時為免費冷卻，當冷卻水供水溫度為7～13℃時為過渡季，當冷卻塔供水溫度高于13℃時為機械冷卻，根據(jù)上海8 760 h的干球溫度統(tǒng)計，免費冷卻時間占26.8%、過渡季時間占15.7%、機械冷卻時間占57.5%。同時隨著供水溫度的提高，免費冷卻及過渡季時間均同步提高，機械冷卻時間逐步降低，如圖4所示。

圖2 冷卻塔+板換”與冷水機組并聯(lián)

圖3 冷卻塔+板換”與冷水機組串聯(lián)

圖4不同供水溫度下，3種模式所占的比例

對于“冷卻塔+板換”與冷水機組串聯(lián)運行的系統(tǒng)，免費冷卻時間為上圖中的“自然冷卻+過渡季”，而對于“冷卻塔+板換”與冷水機組并聯(lián)運行的系統(tǒng)，免費冷卻時間僅為自然冷卻。

2.2 提高供水溫度，提高主機效率

國標（電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范 GB 50174-2008）對于數(shù)據(jù)機房設計參數(shù)的規(guī)定（表5）以及ASHRAE TC 9.9 2008年中對于數(shù)據(jù)中心的設計參數(shù)規(guī)定（表6）如下。

由表5、表6可知，國內(nèi)規(guī)范對于數(shù)據(jù)中心溫度上限為24℃，而 ASHRAE-2008年推薦溫度范圍最高值可為27℃，選擇合適的室內(nèi)設計參數(shù)以及相應的冷凍水供、回水溫度也是提高冷水機組能效的關鍵。供、回水溫度的選擇和機房內(nèi)所采用的封閉冷通道還是封閉熱通道也有直接的聯(lián)系，這在下文中將進一步論述。

表5 國標對于機房參數(shù)的規(guī)定

表6 ASHRAE TC 9.9 2008年中對于機房參數(shù)的規(guī)定

2.3 優(yōu)化氣流組織，避免冷熱混合損失

數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)設計中采用的氣流組織形式按照送回風形式可分為：包括頂送風側(cè)回風、下送風側(cè)回風、下送風頂回風；按照是否封閉冷、熱通道可分為：敞開式、封閉冷通道形式、封閉熱通道形式。

對于低密度、小容量機房，早期的設計將精密空調(diào)放置于機房內(nèi)，不單獨設置專用空調(diào)機房，采用機組側(cè)向回風形式，送風方式也較為簡單，采用頂送；隨著數(shù)據(jù)機房發(fā)熱量的增加，氣流組織形式開始采用架空地板下送風，同時結(jié)合封閉冷通道或封閉熱通道的方式而采用空調(diào)機房側(cè)墻回風或者將吊頂空間作為熱通道的吊頂回風。圖5為兩種典型的氣流組織。

從圖5、圖6可以看出，對于所要控制的房間溫度，按照國標要求為23℃，在圖7此溫度為熱通道溫度，在圖8種此溫度為冷通道溫度，所以對于空調(diào)機組的送風溫度而言，定然是封閉熱通道會高于封閉冷通道，送風溫度的提高意味著冷凍水溫度的提高，一方面可提高冷水機組的效率，另一方面也意味著可以采用的免費冷卻時間增加，最終都會大大的降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，所以從這方面而言，封閉熱通道優(yōu)于封閉冷通道，但是封閉熱通道也有自身的缺點：增加了吊頂空間，提高了土建成本，在具體項目中應采用何種方式應綜合考慮后確定。

3 一種新型的機械冷卻+自然冷卻復合型空調(diào)系統(tǒng)

筆者設計了一種國外新型數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)設計時由于室內(nèi)氣流組織采用封閉熱通道（冷、熱通道溫度分別為25℃及40℃），所以其冷凍水供水溫度最高可達18度， 由此帶來的好處是在室外干球溫度低于35℃時均可以全部或者部分采用免費供冷，大大地延長了免費供冷時間，進而降低主機能耗。

系統(tǒng)由室外閉式冷卻塔，冷卻水泵，冷量分配單元（CDU）以及行間空調(diào)等部分組成，CDU以及行間空調(diào)均包含兩套獨立的制冷劑環(huán)路，平時運行時，一套以免費冷卻運行，另一套同時以機械冷卻運行（如果室外閉式冷卻塔提供的水溫低于18℃時，此環(huán)路也切換為免費冷卻模式），當一套故障時，另一套可承擔系統(tǒng)全部制冷量。即使在室外氣溫高于35℃，系統(tǒng)全部切換為機械冷卻時，由于冷凍水溫度可為18℃，所以冷水機組的COP依然遠高于傳統(tǒng)水溫的冷水機組。具體詳見圖7、圖8。

圖5 封閉冷通道，房間為熱空氣

圖6 封閉熱通道，房間為冷空氣

圖7 系統(tǒng)示意圖

圖8 “CDU+行間空調(diào)”示意圖

系統(tǒng)中采用的節(jié)能方式有：①閉式冷卻塔免費冷卻技術，冷水機組與閉式冷卻塔采用串聯(lián)的系統(tǒng)型式。②高溫冷凍水制冷，在機械冷卻模式下18℃的冷凍水供水較傳統(tǒng)機房空調(diào)系統(tǒng)的10℃供水大大提高了冷機效率。③ 封閉熱通道一方面通過提高冷凍水溫度使得采用免費冷卻的時間大幅延長，另一方面也最大程度的避免了機房內(nèi)氣流混合而造成的能源浪費。④ CDU及行間空調(diào)均采用雙回路設計，保證其中一個回路持續(xù)以免費冷卻模式運行，最大現(xiàn)的地利用免費冷卻，同時雙回路設計也大大地增加了系統(tǒng)運行的安全性，滿足數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)對系統(tǒng)冗余的要求。綜合利用以上多種節(jié)能技術，針對上海市全年氣象參數(shù)分析計算，系統(tǒng)綜合年化PUE可降至1.3，遠低于現(xiàn)行較優(yōu)的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)PUE=1.5的現(xiàn)狀。

4 結(jié)論

（1）數(shù)據(jù)中心空調(diào)設計中有多種節(jié)能措施，具體采用何種需要根據(jù)實際情況并結(jié)合技術分析確定。

（2）國標規(guī)定的參數(shù)是較高標準的要求，在實際使用中完全可以在滿足設備安全運行的前提下，盡量提高機房設計溫度參數(shù)以降低系統(tǒng)能耗。

（3）采用免費冷卻是數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要發(fā)展方向，但是在整個系統(tǒng)中只有各個環(huán)節(jié)都考慮了節(jié)能措施，才能整體上最大程度的降低系統(tǒng)能耗。

［1］ 何鐘琪，黃霞。上海地區(qū)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施探討，暖通空調(diào)，2011，41（8）

［2］ 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)，2012，42（3）

Discussion on Air-Conditioning Energy Conservation Technology in Data Center and Study on New Type Mechanical Cooling and Free Cooling Air-Conditioning Technology

Zhang Hua Tongji University Architecture Design and Research （Group）Co.，Ltd

The article introduces common energy conservation measures during air-conditioning design in data center. It puts forward PUE as air-conditioning system energy consumption evaluation index. It also carries out study on foreign new type combined air-conditioning system in data center，which gives reference to air-conditioning design in data center.

Data Center Air-Conditioning System， PUE， Free Cooling， Energy Conservation Design

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.008