中小型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造探究與設(shè)計

李文雙 謝擁華 李 凱

（廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510630）

0 引言

近年來，中國的數(shù)據(jù)中心規(guī)模迅速擴大，但是，數(shù)據(jù)中心自身能耗上升較快不容忽視[1]。在數(shù)據(jù)中心不斷擴建的同時，許多現(xiàn)有機房仍需得到最大化地利用。與此同時，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)能源消耗、綠色和低碳發(fā)展進程正在不斷引發(fā)社會關(guān)注[2]。在我國早期對數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模較小、設(shè)計相對簡單，加上投資和運行費用不高，節(jié)能未給與足夠的重視。因此傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造問題日益突出，如何能有效實現(xiàn)綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心改造成了不少運營商的難題。

數(shù)據(jù)中心總體能源消耗量巨大，且能源利用效率相對低，節(jié)能降耗成為通信數(shù)據(jù)中心行業(yè)快速發(fā)展中的熱點問題。數(shù)據(jù)中心對于能源、資源的消耗量較大，各地方政府對于數(shù)據(jù)中心的能耗PUE也提出了要求[3]。數(shù)據(jù)中心機房中的電能消耗主要存在于主設(shè)備的用電和基礎(chǔ)設(shè)施用電兩大方面，而空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力巨大，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重點[4]。

1 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案制定

傳統(tǒng)的典型數(shù)據(jù)中心是以設(shè)備為中心，本文將對比目前主流的新型冷卻方式對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能、運維及可操作性等方面的影響，并提出適用于一般數(shù)據(jù)中心的冷卻節(jié)能改進措施。

數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造通常可以發(fā)生在運行前期和運行中兩個階段，在運行前期的數(shù)據(jù)中心設(shè)計階段，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能可以在氣流組織、制冷方案上進行節(jié)能設(shè)計。而對于運行中的數(shù)據(jù)中心，即在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)制冷系統(tǒng)運行中，一般會面臨設(shè)備老化和數(shù)據(jù)中心擴容兩方面的問題，因此，針對傳統(tǒng)中小型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造是當(dāng)下行業(yè)內(nèi)的焦點問題。

在中小型數(shù)據(jù)中心不斷擴容和制冷設(shè)備的逐漸老舊的背景下，數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)制冷系統(tǒng)的能源利用率逐漸變低。一方面要注重關(guān)注空調(diào)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，深度挖掘空調(diào)制冷設(shè)備及各部件的性能狀況及運行狀況；另一方面要及時收集空調(diào)制冷設(shè)備運行過程中的故障率，對制冷系統(tǒng)故障告警數(shù)據(jù)進行分析，尤其對故障率高的問題點進行記錄收集。綜合分析進而評估空調(diào)設(shè)備運行狀況，結(jié)合制冷設(shè)備的制冷方式和可改進的實際情況，完成制冷節(jié)能改造方案的設(shè)定。

在進行中小型數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷技術(shù)方向節(jié)能改造時，整體分析思路如圖1所示。首先，要確定傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的制冷方式，深入了解對于制冷空調(diào)方面的使用痛點，從制冷效果、空調(diào)故障率及空調(diào)能耗等方面進行分析研究；其次，針對數(shù)據(jù)分析結(jié)果，制定傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能改造措施，篩選出適用于華南地區(qū)的空調(diào)節(jié)能有效改進方案，并對比分析節(jié)能技術(shù)可行性及節(jié)能效果，進而制定節(jié)能改進措施；然后，對采樣的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心進行節(jié)能方案的試用，對比空調(diào)系統(tǒng)能耗方面的改進效果，分析改進措施及存在的問題，制訂改進優(yōu)化方案；再次，將總結(jié)對比多方案傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的制冷節(jié)能措施進行提煉總結(jié)，進行節(jié)能改造效果的分析。

圖1 已有空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造思路

2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)手段

對于使用中的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)的節(jié)能改造，主要可以從運維角度和技術(shù)改造的角度入手，對使用中的空調(diào)制冷系統(tǒng)的設(shè)備和氣流組織進行優(yōu)化改造，提升空調(diào)系統(tǒng)的能效。

2.1 機房空調(diào)運維角度

從機房空調(diào)運維的角度，對運行中的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定性進行全面提升。首先，對于機房運維人員培訓(xùn)，提高運維人員的技能水平，提升專業(yè)性；其次，對機房精密空調(diào)制冷系統(tǒng)進行預(yù)防性維護，提前進行設(shè)備運行狀況評估，并制定相應(yīng)的風(fēng)險預(yù)案；再次，對于機房空調(diào)系統(tǒng)，進行定期巡檢，實時監(jiān)測制冷系統(tǒng)的運行參數(shù)，以免空調(diào)設(shè)備故障造成的通信系統(tǒng)異常現(xiàn)象；最后，運維部門制定出應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)，在設(shè)備故障時提早確定出應(yīng)急解決方案和設(shè)備維修方案。

2.2 機房空調(diào)技術(shù)改造角度

從機房空調(diào)技術(shù)改造角度，對數(shù)據(jù)中心的能效進行提升。具體可以從以下幾個維度進行節(jié)能改造：

（1）動力側(cè)優(yōu)化。數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)系統(tǒng)的動力設(shè)備主要有壓縮機、風(fēng)機及水泵等。一方面可以進行設(shè)備改造，對于機房精密空調(diào)，選用能耗低的設(shè)備進行替代化的設(shè)備升級改造，如將FC風(fēng)機改為EC風(fēng)機，使風(fēng)機轉(zhuǎn)速可調(diào)，做到高效節(jié)能，再如對變頻壓縮機的使用，可直接有效地降低空調(diào)系統(tǒng)持續(xù)運行過程中的能耗。也可以將定頻壓縮機改為變頻壓縮機，提升動力設(shè)備的運行效率；另一方面可以降低設(shè)備的運行時間，節(jié)省設(shè)備運行能耗，進而降低精密空調(diào)系統(tǒng)能耗，最終提升數(shù)據(jù)中心運行PUE。

（2）控制側(cè)優(yōu)化。數(shù)據(jù)中心的節(jié)能研究離不開控制技術(shù)，精密空調(diào)制冷系統(tǒng)的核心運行策略和控制策略即為制冷系統(tǒng)的最關(guān)鍵內(nèi)容，因此，要從運行和控制策略上進行系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化。合理運用動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)對精密空調(diào)系統(tǒng)采集的運行數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)故障預(yù)警分析，制定相應(yīng)的制冷系統(tǒng)故障預(yù)判和運行策略。在優(yōu)化空調(diào)制冷系統(tǒng)性能的運行策略制定中，結(jié)合環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，對制冷系統(tǒng)運行過程的每個子系統(tǒng)進行逐一優(yōu)化，并將各子系統(tǒng)的優(yōu)化合并至自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)（見圖2）中，進而通過優(yōu)化制冷系統(tǒng)的運行策略提升制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果。

圖2 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

（3）氣流側(cè)優(yōu)化。數(shù)據(jù)中心的氣流組織形式是影響精密空調(diào)耗電量的重要因素，早期的數(shù)據(jù)中心機房送風(fēng)形式一般都采用硬地板送回風(fēng)布局，其典型送風(fēng)結(jié)構(gòu)有地板上送風(fēng)和下送風(fēng)的送分布局。但隨著機房通信主設(shè)備的不斷擴容，機房發(fā)熱密度越來越高，傳統(tǒng)的架空地板送回風(fēng)布局不能滿足高熱密度集中的通信設(shè)備的用冷需求，或者導(dǎo)致空調(diào)能耗偏大，機房用冷效率低。對于使用中的數(shù)據(jù)中心進行節(jié)能改造時，可以結(jié)合CFD氣流仿真模擬軟件進行分析，針對高熱密度IT設(shè)備的局部發(fā)熱量高的位置進行精準(zhǔn)送風(fēng)，同時進行機房內(nèi)的設(shè)備溫度場分析，控制送風(fēng)量防止局部高溫，解決彌漫性送風(fēng)方式造成的冷量浪費。

對使用中的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)進行節(jié)能改造時，運維角度和技術(shù)改造角度雙維度的改進，能夠更好地保障數(shù)據(jù)中心機房通信設(shè)備的高效、持續(xù)、穩(wěn)定的運行。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)中小型數(shù)據(jù)中心的持續(xù)使用，既要滿足制冷設(shè)備的不間斷運行，又要滿足數(shù)據(jù)中心擴容對制冷系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和需求。結(jié)合當(dāng)下“雙碳”政策的綠色節(jié)能大背景，本文主要通過分析傳統(tǒng)中小型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改進方案和設(shè)計思路的研究，針對空調(diào)系統(tǒng)持續(xù)運行存在的能耗問題，提出了一系列改進設(shè)計方案和改進的技術(shù)手段，在保證機房制冷系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定運行的同時，提高了機房制冷設(shè)備的運行維護效率，最終實現(xiàn)中小型數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造。