數據中心暖通空調節能技術研究

◎邢志慧

前言

隨著電子信息技術的飛速發展，數據中心單個機柜的功率密度越來越高，有3kW、4kW、6kW 甚至更高，超過10kW。機房局部過熱因熱量集中而加劇，機房單位面積空調冷負荷快速增加。根據目前國內的調查數據，IT 設備能耗約占總能耗的50%，空調能耗約占40%，電源能耗約占10%。因此，空調系統的節能是數據中心節能的關鍵，是降低數據中心能耗的重要途徑，數據中心的節能潛力是最高的。

一、數據中心環境條件

數據中心IT 設備是處于全年不間斷運行中，對運行環境（溫度、濕度、空氣潔凈度）的要求非常嚴格。一般數據中心溫度保持在24 攝氏度左右，濕度控制在40%-60%以內，清潔度比較高。根據GB50174-2017《數據中心設計規范》規定，粉塵濃度，A 級和B 主機房是靜態的，以下測試要求每升空氣中大于0.5μm 的灰塵顆粒少于 18，000 個。

二、數據中心空調的特點

與傳統舒適型空調不同，數據中心空調主要具有熱負荷強度高、設備散熱能力大、發濕量小、顯熱比高、風量大、焓差小等特點。溫濕度控制，常年制冷運行，可靠性高。

三、數據中心空調節能措施

1.利用自然冷源。

機房空調一年四季都需要制冷，而當室外溫度變化的季節低于室內溫度時，自然界的冷源非常豐富，如何利用自然冷源進行制冷是節能的關鍵。減少機房空調的排放。根據采用的各種技術措施，可分為新風自然冷卻、乙二醇雙冷源系統和氟泵空調系統。

（1）新風自然冷卻。

外部空氣自然冷卻是通過向機房輸送低溫外部空氣來IT設備散熱，它由進（出）風管道、風扇及其控制系統組成。在冬春秋季過渡期，當室外溫度較低時，啟動新風系統，過濾室外冷空氣，然后進入機房自動散熱。新風雖然是直接流入的過濾，但不建議在大型機房使用，因為灰塵不可避免地進入，降低機房的清潔度，影響通信設備的安全。可用于對潔凈度要求較高的通信樞紐建筑、一般機房、小型基站等。

（2）乙二醇雙冷源。

圖1 乙二醇雙冷源空調系統示意圖

因為乙二醇的凝固點比較低，室外溫度低時不容易結冰。使用自然冷卻源。當室外溫度高于室內溫度時，蒸汽制冷循環系統開啟，自然冷源循環系統關閉。當室外溫度低于室內溫度時，蒸汽壓縮式制冷循環系統關閉，自然冷源循環系統開啟，此循環過程中的制冷劑為乙二醇，在水泵的作用下，乙二醇進入室內熱交換器并帶走機房的熱量。乙二醇溫度升高，將其傳到外界環境中。在兩個循環中，水泵的功耗都遠低于壓縮機的功耗，具有很大的節能潛力。內蒙古某移動公司的中央機房通過該技術的應用受益匪淺。

（3）氟泵空調（圖2）。

圖2 氟泵空調系統示意圖

氟泵空調是一種與風冷機房空調系統配套的節能產品。傳統落地式空調在冬季室外環境較低時，仍需制冷，室外自然冷源沒有得到充分利用，節能效果較差。空調系統可根據這些情況進行改造升級，可在現有空調系統中加裝氟泵機組，控制系統在冬季外部環境低時關閉壓縮機，開啟氟泵制冷泵系統損耗。制冷劑在氟泵的作用下在室內外換熱器之間循環，帶走機房的熱量。通過對氟泵的改造，充分利用20 攝氏度以下的外部自然冷源，在保證制冷量的同時，減少壓縮機的運行時間，最大可節能40%。一次氟泵制冷循環的耗電量僅為0.75-1.5kW，遠低于同等制冷量的壓縮機的耗電量，是節能的主要來源。

2.優化氣流組織。

數據中心內氣流組織的形狀是影響空調系統節能的重要因素，空調過程中阻力越低，冷熱空氣隔離越好，越小損失。制冷、空調主機運行效果越高，能效比越好。然而，往往空調設計不合理或沒有進行CFD 軟件模擬測試，導致冷氣流利用率低，造成空調系統能耗浪費。

（1）安裝盲板。

數據中心有幾個機柜，但是由于設備數量少，機柜分布不均，大部分冷空氣沒有經過設備直接進入機房，造成空氣短缺。空調的制冷效率因為空調供應不暢而大大降低。如何在機柜內安裝擋板和在數據中心安裝盲板來阻擋熱空氣短路循環的路徑，簡單可行。可減少冷風短路，提高空調制冷效率（圖3）。

圖3 安裝盲板前后氣流示意圖

（2）合理布置。

在機柜布局方面，常規機房通常與正面同向布置，缺點是前排機柜產生的熱空氣被后排機柜吸收，熱氣流和冷風混入嚴重，降低了制冷效果不好。當機柜以“面對面、背靠背”的方式布置時（圖4），可以形成冷熱通道交替，防止冷冷氣流短路，提高利用率。的冷空氣。

圖4 機房“面對面，背對背”排列示意圖

（3）封閉冷通道（圖5）。

圖5 封閉冷通道示意圖

櫥柜以“面對面”的方式排列。冷通道機柜頂部與整排機柜兩端封閉，實現冷通道密封，降耗減排。使冷空氣直接流入數據設備，使數據設備完全冷卻，并使從數據設備帶走熱量的熱氣流返回機房空氣。輕輕調理。冷通道密封件限制來自機房空調的冷氣流。冷氣流通過直接冷卻設備解決了這個問題，消除了以前“先冷卻環境，后冷卻設備”導致空氣混合嚴重的缺點。機房局部過熱問題，提高空調效率，降低機房能耗。

3.采用新型空調末端。

傳統的數據中心將精密空調主機放置在機房的兩端，通過地板下送風或風罩送風對整個機房進行散熱，然后對機柜進行散熱。空調趨于局部化，同時冷空氣長距離輸送到熱點，不得不依靠大功率離心風機進行輸送，大功率風機的功耗最終轉化為熱量，其中一些熱量必須由冷卻系統承擔。采用新型熱管背板、排對排熱管、吸頂熱管等空調終端，可實現按需制冷，消除局部熱點，防止進水。消除機房，消除機房安全隱患。

熱管背板空調由熱管背板冷卻終端、冷量分配單元（CDU）和冷源設備組成（圖6）。系統運行時，服務器排出的熱空氣間接與安裝在機柜后部的制冷終端中的工作流體進行熱交換，變成冷空氣排放到室內環境中。在冷卻終端內循環的工作流體通過相變傳遞熱量，熱量由液態變為氣態，熱量通過氣體管道輸送到CDU。與CDU 內的冷水進行熱交換，循環工質提供的循環工質和室外系統的冷源設備由氣態冷卻為液態，然后依靠自身重力回流至冷源設備。冷卻終端沿制冷劑液體管道完成完整的熱循環。以這種順序向室外連續進行熱傳遞。

圖6 熱管背板運行原理示意圖

熱管背板靠近熱源安裝，換熱效率非常高，系統依靠重力循環，無功耗，采用平行流換熱器，比傳統銅管效率提高30%以上管鋁翅片。

4.采用變頻設備。

數據中心的能耗因室外環境溫度和室內IT 負載而異。冷水機組大多在部分負載下運行。變頻冷水機可以提高部分負荷的能效和整體能效。降低冷卻水溫度下運行顯著改善，同時冷卻水泵、冷卻水泵和末端空調EC 風機每年可節約20%左右的能耗水冷系統均采用變頻設備，可根據需要自動調節實時到IT 負載，而且還可以大量保存。

5.智能化群控管理。

數據中心的空調設備一般設計為安全的N+X 模式運行，由于機房IT 設備負載設備的功耗每時每刻都在變化，機房內的熱量不受控制，所有風扇都在最大運行速度。空調的壓縮機是根據自己的需要來控制的，這種方法不節能。當冗余設備關閉時，很難了解機房內的氣流組織和溫度變化規律，如果不及時進行人工控制，很容易造成安全問題。因此，數據中心的智能群控管理對機房節能起到了重要的作用。

數據中心智能管理系統基于良好的控制系統的應用，不僅為機房的運行帶來顯著的節能效果，而且有助于機房的安全運行。可以大大延長系統的使用壽命，成為綠色機房的重要舉措。智能群控管理的思路是在保證機房設備正常運行的前提下，減少雙空調設備的運行時間，降低整個機房的能耗。循環功能可以實現空調系統的級聯功能，避免競爭運行功能，延時自動啟動功能。通過應用該系統，可以在保證設備安全可靠運行的同時，實現數據中心的精準節能。

結語：

本文從上述角度對數據中心空調系統的節能問題進行研究分析，根據數據中心空調系統的區域情況分析出最合適的節能方案。可維護、可靠和可靠在安全前提下最大化數據中心技術。最大限度地利用自然冷源，利用CFD 模擬氣流實現精準送風，采用芯片級散熱，將是未來數據中心空調的發展方向。