數據中心風冷冷水機組機房節能運行策略

穆為先，程亨達，陳煥新，袁彭宋

（華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430074）

0 引言

數據中心擁有大量IT 設備，全年24 h 不間斷運行，其用電量很高。隨著我國數據中心產業蓬勃發展，大量新數據中心建成，我國數據中心產業的用電量也明顯增大。此外，數據中心有相對于其他用電設施外的獨特特點，即由于其運行規律和產熱量大，其在全年所有季節都需要進行制冷，無需制熱，因此其冷卻系統耗電量巨大。如圖1 所示，數據中心冷卻系統占據了數據中心能耗的40%左右[1]，其節能的潛力和研究價值都很高。

圖1 數據中心能耗分布

隨著數據中心能耗問題越來越引起重視，我國很多大城市，如北京、上海等也對數據中心的電能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）指標開始有硬性要求，有足夠低PUE 的數據中心才被允許建立。國內大型互聯網廠商的數據中心也都體現出特殊（定制化）程度高、追求低成本等特點[2]。這也使細化到每一個獨立數據中心冷卻系統節能策略的研究比較重要。

文獻[3]指出增大供回水溫差，即相對于傳統空調的7 ℃/12 ℃而言，供回水溫差大于5 ℃時，即為大溫差系統，文章中對某品牌3 000 kW 的水冷離心制冷機組進行工況模擬，得出結論如11 ℃/20 ℃的供回水溫度對于某些數據中心的空調系統能效的提升具有積極意義，這同時也指出了提高溫差來降低能耗是對于部分制冷機組是可行的。

鄭邦鑫等[4]也提出在我國的夏熱冬暖的地區采用高溫冷水機組替代常規的制冷機組，并且使用冷凝熱回收系統進行采暖來進行節能。

由于數據中心機房本身沒有濕度產出，所以文獻[5-6]分別討論了在不同的冷凍水溫差下，數據中心冷水機組分別采用較高溫度和較低溫度的冷凍水而產生的節能效果及對機組性能系數（Coefficient of Performance，COP）的影響。

YADAV 等[7]提出改善圍護結構，建立了一個大型商業中心的模型，測試了各種圍護結構對能耗模擬的影響。雖然沒有應用于數據中心，也不失為一種節能的措施。馬昕宇等[8]采用CFD 模擬數據中心瞬態熱環境，研究了在不同幾種工況下影響溫度變化的重要因素。

本文根據已有建筑圖紙，在OpenStudio 軟件中建立了建筑模型，錄入人員、燈光、設備等負荷及建筑熱工性能參數等，根據已有節能思路設計方案，對比找出適用于該建筑最節能的運行策略。利用PUE、COPdc等評價指標完成對該方案的評價和對比的同時，給新指標COPdc的評價性能進行測試，最后給出該節能策略的全年運行表現。

1 數據中心節能策略研究準備

開始數據中心節能策略研究前，需進行部分準備工作，即了解該項目的地理環境背景、樣式構造和其具體房間構成，簡單選擇制冷循環設備（風冷冷水機組），確定數據中心能耗的評價指標。

1.1 項目背景信息

目標項目為研發樓，總建筑面積35 866.6 m2，地上29 996.62 m2，其中辦公樓19 381.6 m2，數據中心樓10 615 m2，地下58 702 m2。該項目設計合理使用年限為50 年。該項目地上12 層，地下1 層，位于華北地區天津市。

天津市屬于三類地區類型，緯度39.08，經度117.07，海拔2.5 m，屬于8 號氣候帶，毗鄰渤海灣，受到海洋的氣候影響，為半濕潤季風性氣候，季風性氣候特點是四季分明，春季多風，夏季多雨且溫度較高，秋季涼爽多風、冬季則比較干燥寒冷[9]。

截至目前[10]，國家和天津市并未有出臺過強制性的數據中心的能耗限額標準。國家出臺的《關于加強綠色數據中心建設的指導意見》中有如“到2022 年，數據中心平均能耗基本達到國際先進水平，新建大型、超大型數據中心的電能使用效率達到1.4以下”的意見，但僅是指導性意見。

1.2 冷源方案選擇

本文選擇的機房制冷設備為風冷冷水機組。相比于水冷機組，風冷機組沒有冷卻塔、冷卻水管道、冷卻水泵等一系列組件，擁有以下優點：1）結構緊湊，無需專門機房，在冷源選擇方面有非常廣泛的應用；2）可以在市政停水期間保證正常的供冷；3）以空氣作為自然冷卻介質，可以大量節省水資源，結構簡單、成本較低、安裝十分方便。

目前已經應用在數據中心風冷冷水機組的技術很多，如采用自然冷卻或自然冷卻+機械冷卻的混合冷卻的模式降低能耗、或采用直接噴霧或者蒸發冷凝器或是淋水填料預冷器等措施進行直接蒸發冷卻[11]。也有研究全年供冷的風冷螺桿機組的控制策略，以保證其在冬天也可正常制冷[12]，該研究即可應用于數據中心機房供冷。目前風冷冷水機組的應用前景和研究價值都很大，且風冷機組在數據中心應用并不多，所以本文決定選用風冷機組。

1.3 評價指標選擇

美國綠色網格組織定義出許多評價指標，如制冷負載系數、IT 設備熱一致性，IT 設備容錯性等，他們的含義都不盡相同[13]。最通用的是PUE，是數據中心的全年耗電量與IT 設備的全年耗電量之比。PUE 的理論極限最小值是1，但由于制冷、照明和輔助等設備存在，實際PUE 的值一定大于1。2015年，我國《關于印發國家數據中心試點工作方案的通知》中指出，我國的數據中心PUE 值大多數可能大于2.2。PUE 作為評價指標，已經在節能方面起到了實際作用，并取得了效果[14]。

近幾年，PUE 指標開始被嚴重商業化，雖然目前我國很多數據中心聲稱自己的PUE 只有1.2 左右，其具體測量方式和計算細節都未公布，甚至在關閉照明、冗余制冷系統等耗電設備的情況下進行測量[15]。此外，PUE 指標也存在部分問題：如果使用舊的處理器，使其功耗很高，會使PUE 變小，但這種犧牲數據中心本身計算能力的減小在實際的數據中心運行方面并沒有實際意義和價值[16]。PUE的計算公式如(1)所示：

式中，Ptotal為全年數據中心總耗電量，GJ；PIT為全年的數據中心機房部分耗電量，GJ。

能耗評價指標還有很多，除PUE 外，還有一種指標成為了最近較為熱門的研究對象，就是原用于評價傳統空調系統能效的指標，即性能系數（COP）。使用類COP 的計算方法評價數據中心的冷卻系統效率也成為一種可行方案。已有學者對數據中心冷卻系統進行分析，論述了用COP 進行數據中心冷卻系統能效評價時該指標的具體含義，同時也建議可以將COP 用于數據中心的能耗評價[17]。式(2)為傳統空調的COP 計算公式，即提供冷量與消耗功率的比值。對數據中心，我們可以采用相近的思路，選擇表達式不同的“COP”評價數據中心的能效。

式中，Q為制冷系統提供的冷量，kW；W為制冷系統消耗的總功率，kW。

本中除了選用PUE 作為評價指標來驗證方案節能效果，也會選擇文獻[18]中已經過測試的新評價指標COPdc，該指標對于冷卻系統的評價有更強針對性，COPdc的定義見式(3)：

式中，Ecost,IT為數據中心一年內IT 設備的全年耗電量，GJ；Ecost,cs為IT 設備供冷的冷卻系統的全年耗電，GJ。COPdc的應用目前并不廣泛，但也是評價指標中的合理選擇。

2 數據中心模型建立

建立模型需要首先獲取并解析建筑圖紙，找出外墻、內墻及內部房間結構劃分如辦公室、數據機房等。隨后參考文獻[19]將其在軟件中繪制，并錄入設定人員、燈光和設備負荷等參數。只有模型建立足夠真實，后續方案對比工作才有可參考性。

2.1 繪制建筑模型

目標建筑一側呈V 狀弧形，內部含有天井，房間結構復雜，每一層內配有多種類型房間，建模難度很高。在軟件中1:1 建立模型后，模型過于復雜導致軟件運行不流暢，做出優化如下：1）研究目標為數據中心機房，原辦公區只是提供周圍環境，所以只保數據中心部分和其周邊結構；5 樓以上為純辦公區域，將該部分全部刪減；2）軟件中將圓面建筑部分用割線分成了十幾個面，運算復雜度很高。手動將所有的圓面轉換為3～5 個直面，簡化軟件計算量，提高運算速率；3）原圖紙中，如衛生間、貯藏室、配電室等都獨立標注出來，為簡化模型，只保留機房及周圍房間，將同功能的房間之間打通合并為一個區域。

2.2 人員、燈光以及設備規劃

本模型依據人員活動頻率劃分主要分為兩個區域：數據中心機房的運行通常24 h 不關機，設備負荷大，無需供熱，全年供冷、基本無需除濕；辦公區人員活動密切，負荷低，負荷隨時間變化明顯。對這兩個分區設置兩種不同的時間規劃表，以準確模擬出辦公區和機房區的活動所需冷負荷。

根據數據中心功能要求，設定用電設備為發熱量300 W/m2，一周七天24 h 不間斷穩定滿負荷運行。而考慮維護工作，人員數量設定在周一至周五8:00—16:00 時為0.1 倍系數，燈光隨人員的數量變化。人員活動發熱量參照軟件系統中標準辦公室活動設定。辦公區參照實際辦公樓的運行機制，針對辦公區，考慮上下班前的維護工作，午休時間等，設計出了如圖3 所示的簡化模型，只有周一至周五為工作時間，按照圖3 設定，周末考慮到可能存在維護人員，人員燈光都按照機房區設定。

圖2 化簡后的模型

圖3 辦公區人員、燈光活動程度

3 節能運行方案對比

建立模型后，改變機房設計溫度、冷凍水進出溫度和溫差、冷水機組COP 等參數，研究各參數對能耗的影響，并給出合理的節能運行方案。隨后給出該方案下的能耗情況和與常規方案的對比，并計算出能耗評價指標進行方案評價。

3.1 機房設計溫度對能耗的影響

本次數據中心的機房要求為C 級，根據相關設計要求[20]，主機房溫度范圍為18～28 ℃。

結合前文研究并參考文獻[21]，可了解一般數據中心的溫度選取。在8 月和12 月取樣，代表夏、冬兩個季節，各取出一周（8 月2 日至8 月9 日和12 月6 日至12 月13 日），用以進行能耗模擬。

模擬時取冷凍水溫度為數據中心機房常用的12 ℃/17 ℃，冷水機組COP 為5.55。取用午夜時能耗，此時辦公區冷水機組處于關閉狀態，建筑內無其他負荷，可直接總能耗近似為機房區總能耗，設置時間步長為15 min，得到結果如圖4 所示。

圖4 機房設定溫度對機房區能耗影響

圖4 繪制了機房設定溫度對機房區的能耗影響，理論上設計溫度越高，需要冷負荷就越少，空調系統越節能。由圖可知模擬結果與預測情況一樣。

在圖4 中，并未將機房溫度設為極限值28 ℃，因為在模擬過程中發現，設為28 ℃會有部分時間機房內溫度稍稍超過規定的安全溫度，為保險起見沒有將其繪制在圖中。經過對比，將機房區溫度設定為27 ℃是在安全保險的情況下最為節能的溫度。

取與圖4 相同工況，獲取整個模型的15 min 能耗，取一周所有數據點平均值，該值可代表整體能耗趨勢。得到的圖5 可以反映出總體上能耗隨溫度變化的趨勢。機房區被辦公區包圍，導致機房區外部環境將會與辦公區的溫度相近，各個季節都幾乎不會改變，所以冬季機房區能耗沒有太大變化，但總能耗有所下降。

圖5 機房設定溫度對總能耗影響

圖5 中可近似看出：隨著溫度升高，能耗幾乎以線性關系降低，但當設定溫度為28 ℃的時候，無法保證安全溫度，所以本次方案確定最節能的機房設定溫度為27 ℃。比很多常規機房設定為26 ℃可以降低約每小時8 kW 的能耗。

3.2 冷凍水參數對能耗的影響

在常規空調設計中，冷凍水參數受舒適性、熱濕負荷等各種條件限制，所以在焓濕圖上可供選擇的區域很小。但機房中幾乎沒有濕負荷，也無需考慮舒適性的影響，溫度波動和濕度波動在很大范圍內不構成任何影響，所以采用大溫差冷凍水系統、高溫度冷凍水系統一直是可供選擇的節能措施。

3.2.1 冷凍水溫度高低對能耗的影響

常規空調采用7 ℃/12 ℃的冷凍水進出溫度，而數據中心的機房通常采用的是12 ℃/17 ℃的進出溫度。本小節首先固定冷凍水的進出溫差為5 ℃，尋找合適的溫度。初步選取四個方案：7 ℃/12 ℃作對照方案，12 ℃/17 ℃作常規方案，在兩方案的基礎上分別增加和減少進水溫度，產生10 ℃/15 ℃和14 ℃/19 ℃兩個方案。

依照3.1 節結論，設定機房溫度為27 ℃。其余工況與前文相同，最終得出的能耗曲線如圖6 所示。

圖6 冷凍水進水溫度對總能耗影響

這次模擬結果使用14 ℃/19 ℃的冷凍水溫方案時不僅僅能耗升高，甚至機房溫度也會超過設計要求的最高溫度。但圖中拋物線型是合理的，隨冷凍水溫度升高，能耗先減小后增大，主要原因是冷凍水溫度升高時，運行過程中的換熱損失會減少，但是同樣會增大水流量，導致其他能耗使耗電量上升。

最終由圖6 可以確定：當取冷凍水溫為10 ℃左右時，能耗最低。關于模擬結果與預測結果的偏差，在經過分析后，得出原因可能是：1）該模型的負荷狀況由于辦公區和機房區相距很近可能會有傳熱的干擾；2）不同的數據中心結構不同，會出現最低能耗的方案偏移的情況，在其他文章中也有此現象出現；3）本模型中考慮了實際情況中機房存在的維護人員，相較于其他模型增加了人員活動濕負荷，導致過高的冷凍水溫不能處理這部分負荷。

3.2.2 冷凍水溫差對能耗的影響

理論上換熱溫差越大，所需制冷工質流量越小，耗電量就會越小。對于常規空調，換熱溫差大會造成舒適感下降，同時對換熱器設計要求很高。本文采用增大冷凍水溫差進行節能，雖然已經有不少研究在優化風冷紙片盤管的換熱器，并對設計其參數進行指導和分析[22]，但為了具有普適性，不采用過大的進出水溫差。

將10 ℃確定為進水溫度，衍生出10 ℃/14 ℃、10 ℃/15℃、10 ℃/16 ℃和10 ℃/17 ℃這4 個方案。取機房設計溫度27 ℃、15 min 為一個時間步長，在夏季和冬季中各取一周，選擇COP 為5.5 作為冷水機組進行模擬，經過模擬可以得出耗電量隨進水溫度為10 ℃時的冷凍水溫差變化如圖7 所示。

圖7 冷凍水溫差對總能耗影響

經過測試，增大冷凍水溫差時，能耗下降，趨勢略有變慢。圖7 說明增大冷凍水溫差對本模型的節能具有積極意義，但在溫差增大到7 ℃時，出現機房區溫度異常點，加上大溫差對于換熱器要求過高，在本次模擬中，確定溫差為6 ℃是最佳方案。

確定溫差后，比較9 ℃/15 ℃、10 ℃/16 ℃、和11 ℃/17 ℃幾個方案。經過運行模擬，得出數據如圖8 所示，當進水溫度達到10 ℃時能耗達到最低點，可得出10 ℃/16 ℃的進出水溫就是對本模型的最佳冷凍水溫。

圖8 溫差為6 ℃時進水溫度對總能耗影響

3.3 冷水機組COP 對能耗的影響

雖然改變很多參數都能影響冷水機組COP，但前文為了方便研究，將COP 統一成均值5.5，本小節將取不同COP，觀察總能耗的影響變化。

按照前文確定的最優方案，機房設定溫度27 ℃，冷凍水溫10 ℃/16 ℃，15 min 為一個單位時間步長，取不同冷水機組COP，得出數據如圖9 所示。理論上，COP 是評價冷水機組的制冷能力效果的參數，越大越節能。現實條件下，風冷機組很難達到很高的能效，COP 達到5 左右已經算比較優秀。不排除改進機組的可能，選擇3、5.5 和8 這三個數據分別體現低效、普通和高效機組的區別。

圖9 冷水機組COP 對總能耗影響

由圖9 可知：COP 越大，就會使能耗越小，并且影響能力隨著COP 增大而衰減。但即使這樣，在均值的COP5.5 基礎上提升0.5，每15 min 也會有大于2 kW 的能耗節省。對于低效機組，甚至COP從3 提升到4，每15 min 就可以節省約10 kW 的能耗。但由于風冷冷水機組本身的COP 并不高，在本文中仍然只取5.5 為基本方案。

3.4 節能方案確定與表現

已確定節能方案如下：機房設計溫度27 ℃，冷凍水進出溫度10 ℃/16 ℃，冷水機組的COP 為5.5。取全年中隨機一天，在6 月9 日這一天運行該方案，10 min 為一個時間步長可得曲線如圖10 所示。可以觀察出能耗曲線和圖3 中人員活動的曲線相近，在早晚時間能耗為6×108J 左右，午休時間能耗也相對較低，而能耗高峰時間則可以達到接近10×108J，這是由于機房區的能耗幾乎全天不變，辦公區的能耗隨著辦公區人員活動變化而變化。

圖10 節能方案單日運行表現

圖11 所示為數據中心全年逐日的空調系統能耗對比圖，上面是機房區能耗，全年基本穩定在高值，這是由于機房區全年24 h 工作，沒有休息，且本身被辦公區包圍，季節變化也不會引起波動。下面是辦公區的空調系統能耗，由圖可知，辦公區能耗是周期波動的，這是由于工作日和雙休日的區別導致。此外，夏季空調耗能要比冬季高很多。

圖11 全年運行空調能耗逐日圖

理論上，COP 是評價冷水機組的制冷能力效果的參數，越大越節能。現實條件下，風冷機組很難達到很高的能效，COP 達到5 左右已經算比較優秀。不排除改進機組的可能，選擇3、5.5 和8 這三個數據分別體現低效、普通和高效機組的區別。

由于軟件無法設計自然冷量冷卻，本模型未建立熱回收系統和冬季城市熱網供暖熱源等信息，所以這些部分需進行手工計算，得出理論上的方案表現（圖12）。由文獻[22]可知，西北地區利用天氣條件可以節省27%左右的電耗，天津水量資源豐富，在此計算為可以節省20%的能耗。冬季由于是熱網供暖，將運行所得的制熱所需能耗排除即可。

圖12 方案對比全年運行能耗逐日圖

表1 所示為本文提出的節能運行方案所得運行數據，表2 所示為按照常規的數據中心一般運行數據作為對照得出的運行數據。

表1 節能方案全年運行數據

表2 常規方案全年運行數據

根據前文式(1)和式(3)，可以計算出節能運行策略下PUE 為1.34，可以在秋冬季節利用自然冷卻達到，但在不考慮自然冷卻的條件下PUE 是1.4，即夏季工況。而COPdc可計算得出為2.51，考慮自然冷卻的情況下為3.13。這些指標符合常理，而且有實用的意義。

對比發現，常規方案無論是風扇耗能還是風冷機組耗能都比節能方案升高不少，可以得出常規方案PUE 為1.48，考慮自然冷卻利用的情況下，PUE為1.38。而COPdc在不考慮利用自然冷量的情況下只有2.07，在考慮自然冷卻的情況下只有2.59。

經過對比發現，COPdc作為一種最近提出的評價指標，確實在能耗比較上變化要比PUE 大很多，并且COPdc并不存在PUE 的一個弊端，即在選用低性能的IT 設備時會有更優秀的數據產生。并且COPdc的變化范圍更大，體現能耗變化的效果更明顯。經過本文的驗證，COPdc作為一個評價指標，確實在很多方面具有參考價值。

4 結論

本文通過建立天津市某研發樓的數據中心模型，輸入人員、設備等各種負荷，進行熱區劃分，設置冷水機組并進行運行模擬，通過測試各個運行方案，最終得出節能運行方案和其評價指標，得出如下結論：

1）本數據中心合理的最節能運行方案為27 ℃的機房設定溫度，10 ℃/16 ℃的冷凍水進出溫度，性能系數（COP）盡可能取高，但本方案按5.5 保守計算；得出理論上可達到電能利用效率為1.34，COPdc為2.51；

2）提升機房設計溫度對節能具有積極意義，在27℃內提升溫度可以減少能耗；

3）提升冷凍水進出溫差對制冷系統節能的優化十分明顯，溫差達到7 ℃后會對換熱器要求增高；

4）在冷水機組COP 低于5 時，對其進行改造使其變為高能效將對節能產生很明顯的效果；

5）在關于冷凍水溫的提高方面，本文驗證出在常規的空調7 ℃/12 ℃基礎上適當調高3～4 ℃是具有積極作用的。