關(guān)于數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)節(jié)能方式的研究

吳俊

（云橋智能科技有限公司，安徽 合肥 230000）

數(shù)據(jù)中心的PUE值是Power Usage Effectiveness的簡寫，是數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標(biāo)。PUE值是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT設(shè)備負(fù)載消耗的所有能源比值，其值無限接近于1，卻始終大于1。值越低，表明IT負(fù)載消耗得越少，即電力使用效率越高。數(shù)據(jù)中心消耗的能源包括IT負(fù)載（服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等）、空氣調(diào)節(jié)設(shè)備負(fù)載（精密空調(diào)設(shè)備、新風(fēng)換氣設(shè)備、暖通設(shè)備等）和輸助負(fù)載（照明、插座、監(jiān)控大屏等）等系統(tǒng)的消耗。其中精密空調(diào)設(shè)備負(fù)載在數(shù)據(jù)中心總負(fù)載中占比很大，所以有效的降低精密空調(diào)設(shè)備負(fù)載，則降低了數(shù)據(jù)中心的PUE值。

1 數(shù)據(jù)中心為什么選擇精密空調(diào)

《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50174-2017規(guī)定主機(jī)房內(nèi)的溫度、露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度應(yīng)滿足電子信息設(shè)備的使用要求。主機(jī)房環(huán)境溫度（開機(jī)時(shí)）18～28℃、35%～75%，不得結(jié)露。數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)主機(jī)及通訊設(shè)備是高精密的微電子設(shè)備，在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，且需要恒溫恒濕的環(huán)境。溫濕度的變化值會(huì)引起設(shè)備運(yùn)行的不穩(wěn)定，甚至?xí)礄C(jī)，造成網(wǎng)絡(luò)中斷及數(shù)據(jù)丟失等嚴(yán)重后果。精密空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了進(jìn)行精確的濕度和濕度控制。

精空空調(diào)系統(tǒng)具有高可靠性，保證系統(tǒng)終年連續(xù)運(yùn)行，并且具有可維修性、組裝靈活性和冗余性，可以保證技術(shù)室空調(diào)全天24小時(shí)正常運(yùn)行

2 數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)節(jié)能方式

2.1 增加室外機(jī)散熱效率

現(xiàn)市場上大部分精密空調(diào)廠商的室外機(jī)設(shè)定的環(huán)境溫度為35～38℃左右，現(xiàn)在全球氣候逐漸變暖，很多地區(qū)的夏季高溫，室外溫度甚至超過40℃。精密空調(diào)室外機(jī)運(yùn)行的環(huán)境溫度升高，導(dǎo)致冷凝溫度升高，散熱能力下降，達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)引起高壓報(bào)警，甚至引起精密空調(diào)系統(tǒng)停機(jī)。

有研究資料表明，空調(diào)外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度每高出1℃，空調(diào)系統(tǒng)的 Coefficient of Performance下降約3%，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度超過45℃時(shí)將可能會(huì)導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。因此，正確認(rèn)識(shí)精密空調(diào)室外機(jī)周圍熱環(huán)境的影響，對(duì)降低空調(diào)的能耗，提升空調(diào)效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能有重大的意義。

表1是在四種冷凝溫度情況時(shí)，模擬計(jì)算工況為蒸發(fā)溫度5℃，過熱度7℃，過冷度8℃，采用CoolPack軟件進(jìn)行制冷能效計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果中，我們可以看出，空調(diào)系統(tǒng)的冷凝溫度越高，空調(diào)的能效比越低，所以保證空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)周圍的熱環(huán)境，可以提高空調(diào)系統(tǒng)的工作效率，降低其運(yùn)行負(fù)載。

表1 四種冷凝溫度情況時(shí)的制冷能效

因此，為了增加精密空調(diào)室外機(jī)的散熱效率，空調(diào)室外機(jī)的安裝時(shí)需考慮周圍環(huán)境，應(yīng)保證空調(diào)流動(dòng)暢通，遠(yuǎn)離熱源以及污染源等，還應(yīng)保足夠的維修空間，具體有如下方式：

（1）利用軟件優(yōu)化精密空調(diào)室內(nèi)外機(jī)布局CFD防真軟件能夠在虛擬環(huán)境下，可精確地模擬空氣流動(dòng)、空氣質(zhì)量、傳/散熱、溫濕度等，將空氣流動(dòng)形式直觀的呈現(xiàn)出來，是目前常用的解決數(shù)據(jù)中心冷熱空氣流通問題的科技手段，數(shù)據(jù)中心無論室內(nèi)機(jī)還是室外機(jī)的氣流組織都可以通過CFD防真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于數(shù)據(jù)中心室內(nèi)機(jī)的氣流組織應(yīng)該冷風(fēng)和熱風(fēng)走向分明，不形成混風(fēng)模式；對(duì)于室外機(jī)，如果數(shù)量較多且安裝環(huán)境不好，則容易形成熱量聚集，散熱效果差，通過CFD防真軟件可對(duì)室外機(jī)安裝周圍環(huán)境進(jìn)行模擬，選取室外機(jī)安裝的最佳方案。

（2）優(yōu)化建筑物風(fēng)口結(jié)構(gòu)對(duì)于分層安裝在建筑物外立面的精密空調(diào)室外機(jī)，如室外機(jī)風(fēng)口處有影響空氣流通的建筑體、裝飾結(jié)構(gòu)等，條件允許時(shí)，可進(jìn)行拆除；無法拆除時(shí)，宜采用通風(fēng)率高的風(fēng)口，風(fēng)口的通風(fēng)面積宜高于75%，不易產(chǎn)生熱量堆積。

（3）強(qiáng)化室外機(jī)散熱利用霧化噴淋對(duì)冷凝器進(jìn)行強(qiáng)化散熱的目的，霧化噴淋冷卻是將軟化水加壓后，利用霧化噴嘴將其完全霧化，在高溫時(shí)，對(duì)空調(diào)室外機(jī)進(jìn)行噴灑，降低空調(diào)室外機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度，在此過程中，空氣中的水汽含量增加，相對(duì)濕度增大，但水在由小液霧變成水蒸氣時(shí)，對(duì)冷凝器周圍環(huán)境吸熱降溫。

（4）增加精密空調(diào)室外機(jī)遮陽篷空調(diào)室外機(jī)室外露天安裝時(shí)，在機(jī)房屋面增加遮陽通風(fēng)百葉篷，減少陽光照射，降溫節(jié)能。如圖1實(shí)例。按照已有的北京網(wǎng)通的實(shí)際案例（數(shù)據(jù)僅供參考），夏季高溫季節(jié)，經(jīng)遮陽后，遮陽篷上下溫差相差5℃以上，對(duì)于一臺(tái)制冷量90kW的空調(diào)機(jī)組，整機(jī)功耗約30kW，壓縮機(jī)能耗可以從20.6kW降低到18.7kW，冷凝器能耗也可節(jié)省約0.1～0.2kW，共節(jié)省約2～2.1kW，整機(jī)節(jié)能約7%。按照北京地區(qū)每年5個(gè)月室外高溫季節(jié)，每天7個(gè)小時(shí)計(jì)算，扣除其中1/3的天氣為陰雨天氣，單臺(tái)空調(diào)機(jī)組年度節(jié)省電能約：2.2×5×30×7×2/3=1540kW·h（度），按照每度商業(yè)電1元計(jì)，每臺(tái)空調(diào)每年可省約1500元。

圖1 室外機(jī)遮陽案例示意圖

2.2 選擇更加節(jié)能的EC風(fēng)機(jī)

與AC風(fēng)機(jī)相比，EC風(fēng)機(jī)使其他零部件的使用更加有效，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)明顯降低能耗。EC風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電能消耗僅是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電能消耗的1/3，節(jié)能效率不低于50%。

2.3 做好空調(diào)銅管保溫

空調(diào)有著能效比值，能效比值越高說明空調(diào)的節(jié)能性越好，熱量損失越少空調(diào)的能效越高，室內(nèi)得到的效果越好，在銅管外壁添加保溫橡膠棉可以降低傳輸過程中的冷熱量損失，從而讓更多的冷熱量進(jìn)入到室內(nèi)，增加空調(diào)的效果，從而提高空調(diào)的能效。

2.4 部署冷/熱風(fēng)遏制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部署通道氣流遏制系統(tǒng)，機(jī)柜行采用冷/熱通道布局方式，通過冷/熱通道的頂部和兩端來部署冷/熱通道氣流遏制系統(tǒng)，如圖2實(shí)例。

圖2 冷/熱通道封閉

冷/熱通道封閉系統(tǒng)是基于冷熱遏制原理，以冷通道為例：行間空調(diào)送出的冷空氣遏制于封閉通道內(nèi),所有的冷空氣必須經(jīng)過機(jī)柜內(nèi)才能流出至冷通道外，這樣可以有效的帶著機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的熱量。如果機(jī)柜內(nèi)有空置位，可以通過安裝機(jī)柜盲板的方式防制冷通道內(nèi)的冷量流失。排出機(jī)柜外的熱風(fēng)由機(jī)柜后端回到行間空調(diào)的回風(fēng)口。此種方式，可使機(jī)房內(nèi)的冷/熱風(fēng)完全隔斷，不會(huì)形成混風(fēng)模式。有效的提高了數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)冷空氣的利用率，快速降低設(shè)備溫度。

2.5 數(shù)據(jù)中心做好物理保溫

數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備的可靠穩(wěn)定運(yùn)行需要一個(gè)恒溫恒濕的環(huán)境，夏季室外溫度較高、冬季室外溫度較低，會(huì)造成數(shù)據(jù)中心與外界產(chǎn)生溫差。做好數(shù)據(jù)中心機(jī)房的六面體保溫措施，可以做到夏季隔熱、冬季保溫且防止產(chǎn)生凝露，有效的控制了機(jī)房冷/熱量的流失，降低精密空調(diào)的負(fù)荷及能源的浪費(fèi)。

2.6 縮短空調(diào)室內(nèi)外機(jī)的安裝距離

從空調(diào)的實(shí)際測試來看，在標(biāo)準(zhǔn)連接管的基礎(chǔ)上，連接管的長度越長，空調(diào)的效果就越差；由于連接管的長度增加了空調(diào)系統(tǒng)管道沿線的阻力，降低了壓縮機(jī)的吸氣壓力，從性能曲線上可以看出壓縮機(jī)的容量輸出變差。在選擇精密空調(diào)室外機(jī)安裝位置時(shí)，需考慮室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)之間的安裝距離，盡量縮短安裝距離，提高空調(diào)工作效率。

3 結(jié)語

打造綠色數(shù)據(jù)中心，提高數(shù)據(jù)中心電力使用效率，需重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)制冷設(shè)備的能耗。綜上所述，可在數(shù)據(jù)中心建筑節(jié)能、室外機(jī)散熱、設(shè)備選型、設(shè)備安裝及部署等多方面進(jìn)行精密空調(diào)節(jié)能優(yōu)化。在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用中，需貫徹節(jié)能、環(huán)保、減排等原則，綜合比較各種方式的可行性、安全性、可擴(kuò)展性等，考慮投資成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本等進(jìn)行數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案的選擇。