上海地區數據中心空調現狀分析*

上海市建筑科學研究院有限公司 朱偉峰

上海建科節能技術有限公司 鄭竺凌△ 張玉燕

交通銀行股份有公司 王 濤

上海建科節能技術有限公司 黃 璜

0 引言

近幾年來，隨著我國互聯網、云計算和大數據產業的加速發展，數據中心產業進入了大規模建設，例如運營商、互聯網企業、金融業、政府、制造業等都在規劃、建設和改造各自的數據中心[1-4]。由于數據中心機房單機柜的功率密度越來越高，長時間運行耗電量巨大，發熱量集中，會使得機房出現局部過熱現象，導致機房設備出現故障。因此，數據中心對可靠性、安全運行方面的要求極高。

研究表明，數據中心的能耗有超過1/3來源于空調系統，空調系統節能是降低能耗的關鍵，具有很大的節能潛力[5-6]。提高數據中心空調系統效率不僅能夠減少其自身耗電量，同時還可降低機房其他設備能耗，從而保障數據中心長時間的安全運行。所以研究和優選數據中心的空調系統節能技術十分重要。

本文以上海地區為例，選取20個大型數據中心為研究對象，通過現場調研評估、測試、數據分析，對數據中心空調系統節能技術措施進行探討，并進一步提出數據中心空調系統節能技術路線。

1 數據中心概況

1.1 基本信息

本文所調研、測試的20個數據中心均為上海地區500個機架以上的大型數據中心，各數據中心的機架情況見圖1。其中，7個數據中心的設計機架數在500～1 000個范圍內，8個數據中心的設計機架數在1 000～2 000個范圍內，5個數據中心的設計機架數在2 000個以上。這些數據中心主要涉及金融、通信和專門的互聯網數據中心(IDC)運營商。

圖1 數據中心機架數量分布情況

1.2 空調系統

數據中心機房的IT設備通常在高能耗情況下運行，且需要全年運行，而機房室內環境對IT設備的穩定運行和使用周期均有很大影響。因此，數據中心對空調系統的要求很高，不同于常規的空調系統。

調查研究表明，數據中心空調系統設計時通常要考慮穩定性、靈活性和節能性。其中，節能性要求空調系統能在較低能耗狀態下運行，實現高效、低能耗的節能運行方式[7]。隨著數據中心建設量的不斷增大，其能耗也相應增大，為了響應節能減排的號召，目前迫切需要建設綠色數據中心，全面提升數據中心節能環保水平。因此，數據中心空調系統的節能性是目前關注的焦點。

本文采取調研、評估的方式對上海地區20個大型數據中心空調系統的節能性進行深入分析，發現這些數據中心的空調系統均存在提升空間，詳見表1。

1.3 空調系統的能耗情況

通過對20個數據中心的測評，統計分析各數據中心的能耗情況，得到各數據中心的年度總能耗和空調系統能耗，如圖2所示。

圖2中空調能耗占比為各數據中心空調系統耗電量占總耗電量的比值，除20號數據中心的空調能耗占比為20%左右外，其他各數據中心的空調能耗占比均在20%以上，甚至個別數據中心空調能耗占比高達60%。由此可知，研究涉及的20個數據中心中有95%的數據中心空調系統存在能耗較高現象，具有一定的優化空間和節能潛力。

表1 數據中心空調系統存在問題匯總

圖2 各數據中心的能耗

2 數據中心空調系統節能技術措施分析

2.1 工信部對綠色數據中心空調系統節能技術的要求

為了推動數據中心節能與綠色發展水平持續提升，工信部發布了《綠色數據中心先進適用技術產品目錄(2019年版)》(以下簡稱《目錄》)，《目錄》中提出了一些適用于既有數據中心空調系統的節能改進技術[8]。通過對《目錄》中節能改進技術的分析，并結合上海地區的實際情況，本文羅列了一些適合20個數據中心的空調節能技術措施，見表2。

表2 數據中心適用的空調節能技術措施

2.2 GB 50174—2017《數據中心設計規范》對數據中心空調系統節能技術的要求

GB 50174—2017《數據中心設計規范》也對數據中心空調系統提出了明確要求，主要涉及冷源和空調系統室內設計兩方面：機房內空調系統的氣流組織形式應根據設備布置方式合理確定，并建議采取冷熱通道隔離措施；同時，數據中心應根據當地氣候條件充分利用自然冷源，建議空調系統采用變頻、自動控制等技術進行負荷調節，并且對于機房專用空調建議采用出風溫度控制[9]。

3 數據中心空調系統的節能技術措施及節能技術潛力分析

3.1 數據中心空調系統的具體節能技術措施

結合以上行業內文件或標準對數據中心空調系統節能技術的分析，本文根據各數據中心空調系統的實際情況提出改進建議，如表3所示。

表3 各數據中心空調系統改進建議

通過深入分析各數據中心空調系統的改進建議發現，所提出的節能技術措施主要分為加強免費冷源的利用和優化室內側冷卻系統2類。

在氣候條件適合的地區，集中冷水空調系統加強免費冷源利用是較為普遍的節能技術，對于上海地區來說，特別是對于沒有集中冷水空調系統的數據中心，可通過制冷劑泵改造、加裝自然冷卻設備等方式利用免費冷源；對于采用集中冷水空調系統的數據中心，可通過設備選型、系統設置、改變運行策略等措施，增加免費冷源利用時長，在高溫供水的基礎上，提高制冷站的綜合控制水平。

優化室內側冷卻系統是指對室內機房專用空調進行優化。室內側的機房專用空調是數據中心冷卻系統的耗能設備之一。通過對機房專用空調壓縮機和風機進行改造，實現變頻控制，并采用合理的策略實現調節，可大幅度降低其能耗。同時，通過改造送回風管道、風口等，進一步調適優化機房專用空調的送風，采用冷熱通道封閉并加強封堵，嚴格做好冷熱通道的隔絕，降低冷卻系統室內側能耗。

3.2 節能技術潛力分析

本文對各數據中心采用節能措施后的節能潛力進行了分析，圖3顯示了各數據中心采用節能措施前后空調系統的能耗情況。

圖3 各數據中心采用節能措施前后空調系統的能耗情況

觀察圖3可知，各數據中心采用節能措施后，其空調系統的能耗均有所降低，大部分數據中心空調系統的節能量較為顯著，個別數據中心節電量高達600萬kW·h/a左右，20個數據中心的總節電量可高達2 557萬kW·h/a。

根據上述分析可知，本文提出的節能技術措施具有節能潛力，能夠有效降低數據中心空調系統的能耗。

4 結論

1) 本文研究涉及的20個數據中心中，除個別數據中心外，大多數數據中心的空調系統能耗占比均在20%以上，有的甚至達到60%；95%左右的數據中心空調系統存在能耗較高現象，具有優化空間和節能潛力。

2) 結合數據中心行業內文件或標準，根據各數據中心的實際情況，提出了加強免費冷源的利用和優化室內側冷卻系統、優化氣流組織等節能技術措施，分析發現這些節能措施具有一定的節能潛力。

另外，筆者目前正在與各數據中心溝通協調，推進各數據中心實現節能改造。后續還將協調各數據中心，進一步落實長期監測，深入分析。