數據中心自然冷源新風系統的“降碳”應用

徐 燊

（中國鐵塔股份有限公司湖州市分公司，浙江 湖州 313000）

0 引 言

隨著互聯網信息技術的高速發展，計算規模和計算密度日趨增加，造成機房熱負荷居高不下，數據中心的機房空調成為了不可或缺的安全保障。然而，數據機房空調運行電費高、能耗大，與當前國家“雙碳”戰略大力倡導的降低碳排放，發展綠色技術創新思路相差甚遠。為了降低機房能耗，需要引入更加經濟、“綠色”的冷卻技術，由于數據中心機房一般不開設窗戶，并且保溫性能良好，正常情況下華東地區即使在冬季數據中心的空調也需要制冷。根據以上情況，實施機房改造引入室外自然新風，通過新風與空調聯動工作，不僅可以節約電能同時也延長了機房空調運行壽命，這一思路正好也與國家“降碳”戰略不謀而合。

自然冷源新風系統是利用室外自然冷源為機房提供降溫的設備，當室內外焓差滿足一定程度時，自然冷源新風系統將室外冷空氣引入室內，并帶走熱量。華東地區自然冷源新風系統平均可投入時間長，從10月起至次年6月，春、秋、冬3個季節均可以部分或全部替代專用空調為機房提供冷源。由于其成本低在數據中心得到了廣泛的應用。實際在我國不同省份區域實施，需根據本地氣象條件和機房熱負荷特點，制定詳細的新風節能改造方案，通過空調聯動控制，確保溫度控制在合理范圍，保障數據中心空氣環境要求。

1 機房運行狀況

本文涉及的研究對象位于華東地區浙江湖州市某數據中心，布局如圖1所示。該機房實際使用面積為324 m2，送風方式采用下送風上回風方式，利用機房靜電地板形成靜壓箱和冷風通道，將冷空氣經地板通風口送到設備區域，在設備機柜上方吊頂處回風。該數據機房發熱量約為75 kW，機房內設備365天不間斷工作，機房散熱量中95%以上為顯熱，熱濕比近似無窮大。改造前機房配置有3臺佳力圖機房專用空調，每臺最大功率為42.7 kW，制冷功率為18.7 kW，最大顯冷量67.5 kW，在夏季高溫季節需要3臺機房空調全部運行，過渡季節也需要二臺空調同時運行。機房空調運行能耗很大，約占數據中心總能耗的42.3%，數據中心年平均PUE值約為1.78，屬于高能耗場景。通過改造，新增4套新風機組與機房原有的3套機房空調以聯動方式運行，從而降低機房運行能耗。

圖1 數據機房平面布置圖

2 新風系統原理及聯動控制

根據現場勘察的情況和機房負載運行分析制定了本地化新風改造方案，結合運營商對數據機房實際節能指標要求，對該機房實施安裝4套新風系統，系統配置如表1所示。

表1 機房新風系統配置

2.1 新風系統構造原理

新風系統由設備箱體、進風單元、排風單元和控制系統組成。系統的進風單元和排風單元需要在墻體開孔后安裝，因此在機房內需要預先選擇合適的安裝位置，如機房現場條件允許進、排風單元應盡量分別安裝于機房的兩端，避免冷風短路，進、排風單元結構如圖2、圖3所示。新風系統進風和回風管道內的防火風門有手動和自動兩種控制模式，在自動模式下可根據現場情況由控制系統動態調節風門開度。控制系統通過對比新風和機房兩份溫、濕度數據，經計算后調節進風管防火風門和回風管防火風門開度大小控制進風量。新風引入時首先利用灰塵顆粒傳感器探測灰塵顆粒度直徑，設計濾網灰塵顆粒滿足5 μm初級過濾后通過率低于15%；通過5 μm中級過濾后通過率低于1%；灰塵顆粒直徑在0.5 μm的過濾通過率可低于4%。當室外灰塵顆粒直徑超標且濃度較大時，控制系統會自動關閉新風，同時啟動機房空調。當室外灰塵顆粒滿足潔凈度要求，此時溫濕度傳感器檢測到室外環境溫度低于23 ℃時（設定值可設置），自動啟動新風系統運行，打開進風門、關閉回風門，同時關閉機房空調。利用送風風機將機房外灰塵濃度較低的冷空氣吸入新風主機，經過系統過濾裝置（初效、中效、高效）的處理，使引入的空氣潔凈度在滿足相關環境要求后送入數據機房。冷、熱空氣在機房內經過熱交換以后控制系統會開啟排風裝置的風門，將機房內的熱空氣排出。考慮到室外空氣溫度波動較大，為滿足室內的環境溫度要求，通過設定室內溫度下限來控制新風開停狀態，無論室外氣溫如何變化，使室內溫度始終保持在合理的范圍之內。另外，新風系統具有濕膜加濕及混合除濕功能，在室外空氣濕度低于機房環境要求時，開啟加濕功能進行加濕，在室外空氣濕度超過機房環境要求時，通過與回風的混合進行降濕。

圖2 新風系統進風單元剖面圖

圖3 新風系統排風單元剖面圖

2.2 新風系統與空調聯動控制

系統具有與空調聯動功能，新風運行時可通過繼電器方式或串口控制方式自動關斷機房空調運行，實現溫度的聯動控制，系統電氣聯動控制如圖4所示。根據機房環境要求，新風系統與空調聯動參數設置如下。

圖4 新風系統電氣聯動控制

新風啟動溫度設定為室內溫度23 ℃，停止運行溫度設定為26 ℃；空調啟動溫度設定為26 ℃；當室內溫度低于23 ℃以下時新風系統停止工作。系統在實際應用中可根據不同地域情況、不同氣象條件、不同節能指標的要求，對聯動運行溫度參數進行修正，從而盡量增加新風系統在聯動方式下的運行時長，提高新風系統運行效率，降低機房綜合能耗。

3 自然冷源新風技術的使用優勢

浙江地理位置優越氣候總的特點是冬夏季風交替顯著，年溫適中四季分明，年平均氣溫在15～18 ℃。據氣象部門資料顯示：浙江湖州平均年度氣溫低于18 ℃的天數為170～200天，保守估計至少可使用180天，系統全年投入使用效率實際可達80%，并且由于華東地區相對環境濕度適中、空氣質量好，適合將室外新風直接引入室內使用，無需通過換熱器與室內空氣間接換熱后再被利用，故轉換效率高，經濟效益顯著。如果在我國北方地區或南方地區應用則因環境溫度、濕度和空氣質量差異大，在改造應用前需要詳細評估當地氣象條件后實施，應用中需對新風系統聯動控制參數進行相應調整以適應當地實際情況。

4 啟用新風系統節能對比

通過提取該數據中心2021年1～6月半年的運行數據進行對比分析，方式一為：關閉新風只開啟空調，方式二為：啟用新風與空調聯動。通過兩種運行方式對比，聯動方式下節電效果更明顯，統計數據如表2，新風系統和空調系統聯動運行曲線見圖5、圖6。

圖5 新風系統1～6月運行曲線

圖6 空調系統1～6月運行曲線

表2 新風系統關閉和聯動兩種方式下能耗對比

根據上表數據對比，新風與空調聯動時機房總用電量比關閉新風啟用空調時總用電量可節約22%～30%，適合小面積、高能耗數據中心使用。1～6月節約用電量124 160 kW·h，按電價0.94元/kW·h實際節電產生效益116 710.3元。與改造前該數據中心節能評估（按機房發熱量為75 kW，機房空調正常運行兩臺開啟，一臺備用時計算，新風系統按使用180天），推算得出可節約電費116 138.8元，節電經濟效益顯著。

5 結 論

由于數據中心普遍發熱量大、空調設備運行能耗高，在滿足當地氣象條件的基礎上可通過實施機房改造引入自然冷源新風，作為機房單一空調降溫方式的補充，既滿足了數據中心節能減排要求，同時也符合國家“降碳”應用的要求，應用前景非常廣泛。數據中心在當今信息化社會中扮演著不可缺少的角色，實施數據中心節能減排技術對于控制成本、提高運行效率具有非常關鍵的意義。自然冷源新風系統能夠為高能耗數據中心落實節能降耗提供一種改造思路，通過合理配置結構，結合優化運行策略可降低數據中心運營成本。在國家“碳達峰、碳中和”整體戰略下，自然冷源新風系統將會走入更多數據中心。