淺析數(shù)據(jù)機(jī)房節(jié)能技術(shù)策略

應(yīng)寅

（上海市安裝工程集團(tuán)有限公司）

（Shanghai Installation Engineering Group Co.,Ltd.）

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，空調(diào)能耗在生產(chǎn)生活總能耗中一直占有相當(dāng)大的比例，而能源短缺更加重了對(duì)空調(diào)使用的各種限制。數(shù)據(jù)機(jī)房是新基建發(fā)展的基礎(chǔ)之一，能耗問題能否緩解是我國關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

空調(diào)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)的環(huán)境溫度變化具有合理調(diào)控的作用，能夠有效地改善數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，所以用怎樣的空調(diào)冷卻方式、如何優(yōu)化控制方式對(duì)節(jié)能減排尤為關(guān)鍵[1]。

本文依托松江大數(shù)據(jù)計(jì)算中心項(xiàng)目（項(xiàng)目總建筑面積23000多㎡，容納機(jī)構(gòu)數(shù)量約4000個(gè)）探索在我國華東地區(qū)（建筑氣候劃分為“夏熱冬冷地區(qū)”）利用適合的空調(diào)制冷技術(shù)節(jié)能、節(jié)水的經(jīng)驗(yàn)。

2 機(jī)房冷卻技術(shù)的比選

在自然環(huán)境條件中，室內(nèi)溫度變化主要受季節(jié)、氣候、地理位置等自然因素的影響。通過水分蒸發(fā)冷卻進(jìn)行降溫是一個(gè)大家熟識(shí)的物理過程，但直接蒸發(fā)冷卻（Direct evaporative cooling，簡稱DEC）是通過空氣與水大面積的直接接觸，水的蒸發(fā)使空氣和水的溫度都降低，此過程會(huì)增加空氣中的含濕量，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，是絕熱加濕過程。在我國華東“夏熱冬冷”地區(qū)還要考慮除濕，勢(shì)必會(huì)增加整體能耗[2]。

間接蒸發(fā)冷卻（Indirect evaporative cooling，簡稱IEC）是把直接蒸發(fā)冷卻過程中降溫后的空氣和水進(jìn)行非接觸式換熱處理，在室內(nèi)溫度降低的同時(shí)，含濕量不變（見圖1）。

圖1 DEC、IEC焓濕變化對(duì)比圖

間接蒸發(fā)型空調(diào)機(jī)組與傳統(tǒng)機(jī)械制冷機(jī)組相比，在耗電量、環(huán)境友好無污染、投資成本和維護(hù)難度等各方面都有優(yōu)勢(shì)。

但是，間接蒸發(fā)冷卻在水和空氣間熱質(zhì)交換過程中表現(xiàn)出來的高度時(shí)變和非線性特性，影響了控制（數(shù)學(xué)）模型的求解，以及相關(guān)物理模型的建立。

隨著工業(yè)自控技術(shù)、建筑設(shè)備環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展，利用集成了電源、制冷機(jī)組、IT微模塊和綠色環(huán)保材料的預(yù)制化數(shù)據(jù)中心物理基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，可以滿足不同需求的機(jī)房部署，并能達(dá)到節(jié)能成效。

3 預(yù)制化制冷模塊

在眾多基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的功能模塊中，與節(jié)能息息相關(guān)的就是制冷模塊，本文論述的數(shù)據(jù)機(jī)房項(xiàng)目就是使用了國際領(lǐng)先的快交付周期（下單到交付3個(gè)月）、易快速部署（僅需三通一平）、緊湊標(biāo)準(zhǔn)化的箱式制冷組件（見圖2），降低了全生命成本。

圖2 間接蒸發(fā)制冷模塊示意圖

該組件以間接蒸發(fā)自然冷為核心技術(shù)，通過3種工況模式：空-空節(jié)能冷卻模式、帶蒸發(fā)冷卻的空-空冷卻模式和直膨制冷模式。直膨模式是前2種節(jié)能模式的補(bǔ)充，目的是防止在極端條件下，由于制冷要求不符導(dǎo)致數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)設(shè)備過熱宕機(jī)或損壞，在控制邏輯中定義嚴(yán)苛，能耗比不大于整個(gè)能耗量的5%。

先進(jìn)的制冷模塊加上合理的模塊化布局，才能最大限度的發(fā)揮機(jī)房集約化節(jié)能效果。該系統(tǒng)除了制冷模塊之外，還有制冷接駁模塊、IT模塊、不間斷電源模塊以及自然冷卻和補(bǔ)水模塊。

本項(xiàng)目的基本模塊架構(gòu)和模塊內(nèi)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics簡稱CFD）模擬圖（見圖3）。它能幫助設(shè)計(jì)施工人員從項(xiàng)目伊始，就能對(duì)氣流溫度分布有直觀了解，也能從一開始就能針對(duì)降溫不利點(diǎn)（熱點(diǎn)）進(jìn)行管控，通過設(shè)置風(fēng)口，減少負(fù)荷，規(guī)劃氣流組織等有效技術(shù)手段加以規(guī)避。

圖3 模塊搭建及溫度場分布(1.6m高處)圖

該項(xiàng)目一共涉及圖示模塊組18組，每組包含12個(gè)IT模塊、12個(gè)不間斷電源模塊、4個(gè)制冷接駁模塊和8個(gè)制冷模塊。每個(gè)IT模塊可容納機(jī)柜216個(gè)（單個(gè)機(jī)柜平均負(fù)載6.5kW），總計(jì)3888個(gè)機(jī)柜。

4 制冷控制策略及管理平臺(tái)

本項(xiàng)目的制冷模塊控制策略如圖4所示。通過分布式控制單元獲取所有模塊組內(nèi)傳感信息，對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)布指令[3]。每個(gè)冷卻模塊連同電源模塊、IT模塊等所有模塊組內(nèi)子系統(tǒng)（設(shè)備），都通過高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以星型拓?fù)溥B接的方式，把每個(gè)模塊組內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至分布式控制模塊單元。數(shù)據(jù)主干網(wǎng)絡(luò)再把所有模塊組的設(shè)備信息投射至數(shù)據(jù)中心管理平臺(tái)（DCIM）上。工程師可以分別配置分控單元和中央單元的信息處理和控制權(quán)限，平衡前后端的算力，使整個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

圖4 制冷模塊工藝控制流程簡圖

在數(shù)據(jù)中心管理平臺(tái)（DCIM）人機(jī)交互的界面上，既能通過庫存管理、PUE計(jì)算器、實(shí)時(shí)設(shè)備報(bào)警以及基于位置的下鉆來即時(shí)縱覽數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行情況，亦能利用云歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析比對(duì)，出具報(bào)表，通過智能型制冷控制來動(dòng)態(tài)消除熱點(diǎn)并節(jié)省能源[4]（見圖5）。

圖5 DCIM平臺(tái)3D界面圖

5 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心的需求缺口與高耗能劣勢(shì)，迫使我們必須建設(shè)綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。2019年，上海市經(jīng)信委、發(fā)改委聯(lián)合提出了“新建互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心PUE值嚴(yán)格控制在1.3以下”。本文論及的新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求PUE值不高于1.3，從2021年5月開始試運(yùn)行，月PUE均值1.29，完全符合設(shè)計(jì)要求。

筆者將帶領(lǐng)建設(shè)與運(yùn)維團(tuán)隊(duì)持續(xù)關(guān)注項(xiàng)目運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)計(jì)通過一年的數(shù)據(jù)積累，相信會(huì)對(duì)該項(xiàng)目涉及的節(jié)能技術(shù)有更透徹的理解。希望通過不斷的數(shù)據(jù)分析和研究，為后續(xù)類似工程的建設(shè)積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。