簡析數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

程小靜 劉彬

華信咨詢設(shè)計研究院有限公司

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，信息數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速增長趨勢，數(shù)據(jù)中心的能耗在能源消耗中所占的比例不斷增加。通常，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)能耗約占40%，供電系統(tǒng)能耗約占10%[1]。空調(diào)系統(tǒng)能耗作為數(shù)據(jù)中心能耗的主要組成部分，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能潛力所在，如何提高空調(diào)系統(tǒng)運行效率、降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高效低碳健康發(fā)展顯得尤為重要。

1 數(shù)據(jù)中心能耗分析

針對大型數(shù)據(jù)中心采用集中式冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，其能耗主要由冷源能耗（主機能耗）、輸送能耗（水泵能耗）、末端能耗（風(fēng)機能耗）三大部分組成（圖1），在保證通信設(shè)備安全運行的前提下，可以從各環(huán)節(jié)入手，以達到最大限度的節(jié)能目的。

圖1 集中式冷凍水空調(diào)系統(tǒng)能耗組成

冷源能耗受室外環(huán)境溫濕度、機房環(huán)境溫濕度、IT設(shè)備負載率、冷凍水供回水溫度影響較大。

輸送能耗主要取決于水冷系統(tǒng)架構(gòu)，各機房管路設(shè)計需考慮互用互通，同時在每個節(jié)點兩端設(shè)置閥門，保證單點故障或單點維護時可以滿足整個水系統(tǒng)的不間斷運行。為了有效的提高設(shè)備能效，冷凍水泵、冷卻水泵均采用變頻技術(shù)，按照實際負載有效控制水泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)部分負荷時段的節(jié)能運行。

末端能耗受機房內(nèi)部氣流組織影響較大，氣流組織不合理或服務(wù)器分布不均勻會導(dǎo)致局部熱點的出現(xiàn)。通常，運維人員會調(diào)低空調(diào)設(shè)備的運行溫度，整體降低機房環(huán)境溫度，當機房空調(diào)運行工況參數(shù)降低時，對應(yīng)的風(fēng)機功率也會提高。因此，機房空調(diào)溫度設(shè)定的不合理會極大地增加末端系統(tǒng)的能耗。另外，數(shù)據(jù)中心空調(diào)末端具有多元化，針對高熱密度機柜（單機柜功耗大于5 kW，甚至達到10～20 kW），采用新型空調(diào)末端（行間背板液冷等）成為數(shù)據(jù)中心空調(diào)末端發(fā)展趨勢，它不僅能解決高熱密度等大型服務(wù)器散熱問題，同時也提高了機房利用率，降低了末端系統(tǒng)運行能耗。

2 空調(diào)節(jié)能技術(shù)

2.1 合理利用自然冷源

數(shù)據(jù)中心常年需要不間斷供冷，在冬季和過渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時，自然界存在著豐富的冷源，如何利用免費冷源進行冷卻是數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重點問題。本文主要介紹在工程中運用較多的水側(cè)自然冷卻技術(shù)、間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

2.1.1 水側(cè)自然冷卻技術(shù)

應(yīng)用水側(cè)自然冷卻技術(shù)，即采用冷水機組+板式換熱器+冷卻塔組成的集中空調(diào)系統(tǒng)形式。當室外環(huán)境溫度較低，全部或部分使用自然界的免費冷源進行制冷從而減少冷水機組壓縮機的能耗。以北京某數(shù)據(jù)中心為例，如果將冷凍水供回水溫度提高到15 ℃/21 ℃，當冷卻水供水溫度高于13.5 ℃時，冷水機組為數(shù)據(jù)中心提供全部冷負荷。當冷卻水供水溫度低于13.5 ℃且高于8 ℃時，系統(tǒng)開始使用部分免費制冷，此時冷卻塔和冷水機組共同承擔(dān)系統(tǒng)的冷負荷。當冷卻水供水溫度低于8 ℃時，冷水機組停止運行，全部由冷卻塔免費供冷。

基于北京全年濕球溫度時長分布（圖2）和不同運行工況小時段（表1）：一年中有62.8%的時間（5502 h）可以利用自然冷源，其中48.3%的時間（4231 h）為全部自然冷卻，14.5%的時間（1271 h）為部分自然冷卻。在冬季和過渡季節(jié)，通過自然冷卻技術(shù)減少冷機的運行時間和強度，有效降低空調(diào)系統(tǒng)功耗。

圖2 全年濕球溫度時長分布

表1 不同運行工況小時段

2.1.2 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，即機房室內(nèi)回風(fēng)與室外新風(fēng)通過間接接觸進行顯熱交換，室外新風(fēng)側(cè)通過與直接蒸發(fā)冷卻填料、高壓噴頭形成的霧化水滴、換熱器表面的水膜等直接接觸，進行充分的熱濕交換。通過絕熱噴淋、等焓加濕得到的室外側(cè)空氣溫度（理論上可以將室外的干球溫度冷卻到和濕球溫度相同）與機房內(nèi)部回風(fēng)溫度形成溫差，通過空氣-空氣換熱器進行換熱，從而達到冷卻IT 設(shè)備的目的。

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)（圖3）以自然冷卻為主，機械制冷作為補充，當室外環(huán)境溫度較低時，機房室內(nèi)回風(fēng)通過空氣-空氣換熱器被室外低溫空氣直接冷卻，當室外環(huán)境溫度較溫和時，室外空氣通過噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)進行冷卻，再通過空氣-空氣換熱器冷卻室內(nèi)回風(fēng)，當室外溫度較高且濕球溫度也高時，噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)和機械制冷系列聯(lián)合運行，共同滿足制冷需求。

圖3 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)示意圖

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可顯著提高全年免費制冷的時間，與常規(guī)機械制冷相比，在炎熱干燥地區(qū)可節(jié)能80%～90%，在炎熱潮濕地區(qū)可節(jié)能20%～25%，在中等濕度地區(qū)可節(jié)能40%，極大降低了空調(diào)系統(tǒng)能耗。

2.2 氣流組織優(yōu)化

機房氣流組織是影響數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要因素，不同的氣流組織形式對機房環(huán)境溫濕度的控制及設(shè)備冷卻效果會產(chǎn)生直接的影響。在數(shù)據(jù)機房中，空調(diào)送風(fēng)方式的選擇、機柜的排列布置影響到機房內(nèi)部整體的熱量分布，也是體現(xiàn)氣流組織優(yōu)化的一個重要方向。通過合理的送風(fēng)方式和機柜的優(yōu)化布置，可以有效降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，減少冷熱氣流間的相互影響，提高冷量利用率，同時使機房內(nèi)部溫度分布更為均勻，避免局部熱點的產(chǎn)生。

2.2.1 地板下送風(fēng)+封閉冷通道

將冷風(fēng)送至架空地板下，機房內(nèi)架空地板下形成靜壓腔。在封閉冷通道內(nèi)設(shè)置通風(fēng)地板，地板下的冷空氣通過通風(fēng)地板送至服務(wù)器機柜，達到“先冷設(shè)備，再冷環(huán)境”的目的，提高空調(diào)利用效率，降低能耗。服務(wù)器機柜內(nèi)的熱量從機柜后部或上部排出，經(jīng)過精密空調(diào)處理后重新形成冷空氣送至機房，完成循環(huán)過程。封閉冷通道后，空調(diào)回風(fēng)溫度可提高至33 ℃左右（傳統(tǒng)機房回風(fēng)溫度24 ℃），減少空調(diào)系統(tǒng)運行能耗。冷通道示意圖如圖4 所示。

圖4 封閉冷通道示意圖

2.2.2 彌漫送風(fēng)+封閉熱通道

將冷風(fēng)直接送至機房冷通道內(nèi)（不設(shè)架空地板），帶走服務(wù)器機柜的熱量，從機柜后部排出至封閉熱通道，再通過熱回風(fēng)吊頂送至空調(diào)上部回風(fēng)口，經(jīng)冷卻處理后重新形成冷空氣送至機房，實現(xiàn)循環(huán)制冷的效果。封閉熱通道后，空調(diào)回風(fēng)溫度可提高至35 ℃左右，冷水供水溫度相應(yīng)提高，水側(cè)免費自然冷卻時間延長，冷水機組COP 提高[2]。同時，供水溫度的提高對冷機效率也有影響，蒸發(fā)溫度每提高0.6 ℃，效率增加1%～3%,冷機的能耗顯著降低。熱通道示意圖如圖5所示。

圖5 封閉熱通道示意圖

2.3 采用變頻技術(shù)

數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器功耗與承載業(yè)務(wù)量和運行狀態(tài)有關(guān)，每天24 h 都在變化[3]，因此數(shù)據(jù)中心的能耗也會呈現(xiàn)周期性的變化，空調(diào)系統(tǒng)大部分時間在部分負荷下運行，采用變頻壓縮機、水泵、風(fēng)機等設(shè)備可有效提高空調(diào)系統(tǒng)制冷效率[4-5]。冷水主機根據(jù)末端負載的不同變頻調(diào)節(jié)，使機組保持較高的運行效率，同時避免了運行工況的劇烈變化，如壓縮機的頻繁啟停等，提高了設(shè)備工作的穩(wěn)定性，延長了使用壽命。在數(shù)據(jù)中心負荷和機房室內(nèi)外溫度發(fā)生變化時，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速改變冷卻塔風(fēng)機和水泵的性能曲線，使系統(tǒng)保持較高的運行效率。當流量減少50%，普通空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機或水泵能耗減少20%～30%，采用變頻技術(shù)可減少70%～80%[1]，節(jié)能效果明顯。

2.4 采用液冷技術(shù)

應(yīng)用液冷技術(shù)，即使用液體取代空氣作為冷媒，為發(fā)熱部件進行換熱，帶走熱量。根據(jù)制冷液體與設(shè)備之間的接觸方式，分為冷板式（間接接觸）和浸沒式（直接接觸）。冷板式液冷，是在發(fā)熱芯片處加裝液冷板，液體在通過冷板的時候?qū)⒃O(shè)備的熱量帶走，達到散熱的目的，機柜內(nèi)部由于不能接觸到液體，依然需要風(fēng)扇來散熱。浸沒式液冷的特點在于將服務(wù)器等需要散熱的IT 設(shè)備完全浸沒在冷卻液中，依靠液體的循環(huán)流動帶走熱量。由于冷卻液和IT 設(shè)備充分接觸，再加上沒有風(fēng)扇，散熱效率更高，噪音更低。

液冷系統(tǒng)由液冷終端、熱交換單元（CDU）、冷源設(shè)備組成（圖6）。CDU 為整個室內(nèi)系統(tǒng)冷媒提供循環(huán)動力，保證冷媒持續(xù)循環(huán)，源源不斷地帶走負載熱量。通過綜合分析系統(tǒng)運行狀態(tài)，根據(jù)預(yù)定策略，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中冷媒的流量、流速。室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)通過CDU 進行熱交換，最終將負載產(chǎn)生的、由冷媒攜帶的熱量高效傳遞到室外側(cè)。

圖6 液冷系統(tǒng)運行原理圖

液冷技術(shù)的高效制冷可以有效提升服務(wù)器的使用效率，液體導(dǎo)熱能力更好，是空氣的25 倍，溫度傳遞效果更快、更優(yōu)，實現(xiàn)IT 設(shè)備高效制冷。液冷數(shù)據(jù)中心雖然增加了泵和冷卻液系統(tǒng)，但省卻了空調(diào)系統(tǒng)和相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，節(jié)省了大量空間，有助于提高數(shù)據(jù)中心單位空間的服務(wù)器密度。同時液冷技術(shù)對于高功率密度服務(wù)器的冷卻能力優(yōu)良，可以得到更高的運算效率。與傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)相比，液冷數(shù)據(jù)中心能有效降低能源消耗（如表2 所示），很多浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心的PUE（數(shù)據(jù)中心電力使用效率指標）甚至可以降到1.05，滿足綠色數(shù)據(jù)中心的要求。

表2 機柜不同冷卻方式對比分析

3 結(jié)束語

本文對數(shù)據(jù)中心冷源能耗（主機能耗）、輸送能耗（水泵能耗）、末端能耗（風(fēng)機能耗）進行了研究分析，最大限度利用自然冷源，對數(shù)據(jù)中心氣流組織進行優(yōu)化，采用變頻技術(shù)和新型液冷技術(shù)，在保證可靠和安全的前提下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能最大化，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高效低碳健康發(fā)展提供參考和依據(jù)。