數據中心水冷系統節能運行模式研究與應用

摘要：在經濟體制改革不斷深化的新時代，產業結構也相應得到了全面調整，各行各業信息化程度不斷加深，數據中心所發揮的作用隨之日漸重要。據近年的統計，空調系統能耗已占據數據中心系統總能耗的40%，做好空調冷源系統節能工作已成為重要問題之一。文章以數據中心水冷系統運行實際情況為依據，分析了制冷主機節能、變工況節能、IDC機房空調設計等各方面優化策略，以期能為同行業人員提供幫助。

關鍵詞：數據中心；空調冷源系統；水冷系統；節能運行

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.02.048

中圖分類號：TP 308，TU 83" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）02-0-03

Research and Application of Energy Saving Operation Mode of Water Cooling System in Data Center

CHENG Bo， CHEN Yi， WANG Dongliang， XUE Pengqi， LIU Songmao

（Guangzhou Branch of China United Network Communications Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China）

Abstract： In the new era of deepening economic system reform， the industrial structure has been adjusted in an all-round way， and the degree of informatization in all walks of life has been deepened， so the role played by the data center has become increasingly important. According to the statistics of the data center in recent years， the energy consumption of the air conditioning system has accounted for 40% of the total energy consumption of the data center system， and it has become one of the important issues to do a good job in energy conservation of the air conditioning cold source system. Based on the actual operation of the water cooling system in the data center， this paper analyzes the optimization strategies in terms of the energy saving of the refrigeration host， the energy saving under variable working conditions， the air conditioning design of the IDC room， etc.， in order to provide help for people in the same industry.

Key words： data center; air conditioning cold source system; water cooling system; energy saving operation

1" 制冷主機控制策略

空調冷水系統通常由冷水機組、冷卻塔、水泵等不同部件構成。一般情況下，建筑物中所使用的空調都由兩臺或兩臺以上冷水機組完成供冷工作。冷水機組在運行過程中需要承擔一定的負荷，因此為達到節能目的，需要對制冷主機運行情況、主機臺數等情況實施優化，同時需要調節冷凍水與冷卻水系統，使冷水機組保持平穩高效運行，為水冷系統節能運行提供良好環境。

1.1 優化制冷主機運行臺數

1.1.1 離心式冷水機組部分負荷的能效比特點

離心式冷水機組所面臨的負荷不同，運行條件也存在差異，部分負荷能效比也相應出現不同趨勢。因此為達到節能目的，需要對冷水機組負荷過程中的運行情況進行深入分析。分析工作可從兩方面入手，在冷卻水進水溫度與機組負荷同步變化情況、冷卻水進水溫度不變的情況下機組負荷的變化。前者的變化特征為冷卻水進水溫度與空調系統負荷同步變化，此時冷凍機能效比在55%～65%內效率最為理想；后者特征為冷卻水進水溫不變，冷凍機能效比在80%左右時效率最為理想。由此出發，冷水機組的設計工作需要以工況為依據做出合理選擇，在選擇過程中需要對比冷卻水進水溫度與設計工況。當冷卻水進水溫度更低時，冷水機組滿負荷制冷量也相對更大，額定冷量可能低于滿負荷制冷量。此時則需要控制超額冷量比例，使其保持在5%以內，以此避免能耗過大。

1.1.2 多臺離心式冷水機組并聯運行規律

單臺冷水機組在建筑物中的使用頻率相對不高，大部分建筑物所使用的冷水機組都由兩臺或兩臺以上組成。為保障每臺冷水機組的運行效率，需要完善其群控方案，使每臺冷水機至少保持50%的負荷程度。在此程度上，支持冷水機組運行的費用才能得到有效節約，同時水泵與冷卻塔所耗費的運行時長也能相應節約。在建筑物冷水機組數量較多的情況下，單個機組的運行狀態也相應更為理想。對冷水機組整體情況進行綜合考慮后可知，為選擇最契合的冷水機組臺數，需要從以下三方面入手。

一是要注意離心式冷水機組NPLV值，此數值無法客觀反映冷水機組的真實耗能。為解決此問題，可對離心式冷水機組COP進行比較，此外再以NPLV值為輔助參考，使不同冷水機組的能耗都得到客觀評估。

二是需要兼顧兩方面情況，在權衡兩項內容后確定冷水機組數量。增設冷水機組臺數能有效節約能源。當空調系統整體負荷降低時，可酌情隨之減少冷水機組數量。但也需要兼顧冷水機組數量提升的情況，當數量增多時，冷水機組中的制冷情況也相應出現變化，單機制冷量相對降低。而在冷水機組中，一旦單機制冷量降低，COP值也隨之降低，反而不利于節能。為達到最理想的節能狀態，需要兼顧負荷與單機制冷情況。

三是要立足實際，明確冷水機組數量與單機制冷量。一般情況下，當冷水機組數量為3～5臺時最佳，使多臺機器維持相同制冷量。此方法不僅涉及離心式冷水機組的性價比與COP值，也發揮了水泵與冷卻塔的備用作用，同時兼顧冷水機組群控情況。當冷水機組數量過多時，后續運維工作也相對更為復雜，且水泵與冷卻塔都占據一定空間，無形中增加了成本。

對三方面情況進行綜合考慮后可知，確定冷水機組數量需要從能效與性能等方面出發，以日常運行情況為依據，借助軟件計算出負載情況，對冷水機組數量做出合理規劃，使每臺冷水機維持50%以上負荷，最終達到節約能源的目標。

1.2 變工況節能冷卻水系統

1.2.1 明確冷卻水溫度優化工作

冷水機組不僅起到制冷的作用，而且也能產生熱量，需要由冷卻塔完成相應的散熱工作。當冷卻水溫度降低時，冷卻塔耗電相應提升，冷水機組耗電則相應減少；而當冷卻水溫度升高時，冷卻塔耗電減少，冷水機組耗電則隨之增加。在此情況下，需要兼顧冷卻塔耗能情況與冷水機組耗能情況，明確其中優化點，使總耗能處于最低水平。

1.2.2 冷卻水溫度優化點并非一成不變

決定冷卻水溫度的因素相對較多，其中空氣濕球溫度、冷卻負荷、外部環境等各方面因素都發揮了重要作用。冷水機組與冷水塔性能耗能的最低點并非與恒定冷卻水溫相對應。例如，室外濕球為18℃，離心式冷水機的冷噸為1 550，在滿負荷情況下耗能情況相應發生變化。當濕球溫度為12℃時，冷水機冷噸為730；當濕球溫度為14℃時，冷水機冷噸為1 160；當濕球溫度為18℃時，冷水機冷噸為1 550。對此情況進行分析可知，冷卻水最優情況為24℃，此時總耗能數量最小。

冷水機組性能曲線在很大程度上決定了其耗能情況，但冷卻塔耗能情況與其性能無關。在測試冷卻塔時需要依照智能化控制系統判定具體情況，并與冷水機組進行有機結合，共同使耗能情況維持在最理想狀態[1]。

1.2.3 變工況調節問題

冷卻水溫度的確定要素相對復雜，可分為三部分：一為冷水機組與冷卻塔性能曲線，二為空氣濕球溫度與環境情況，三為冷卻負荷情況。

變工況冷卻系統的工作原理主要在于帶走系統發熱量，在以最少的能耗完成帶走熱量的的同時，需要為系統明確冷卻水溫度，使各類空氣濕球的變化情況都能得到適應，使冷負荷工況處于最為理想的狀態，在整體上為COP值創設良好環境。

空調系統往往處于部分負荷的狀態，但在配置冷卻塔容量時則需要依據滿負荷情況進行，且需要兼顧備用冷卻塔與自由冷卻系統冷卻塔等各方面配置，為后續變工況冷卻系統有效運行提供有力保障。

當空調處于日常運行狀態時，需要依照環濕球溫度與冷卻水流量等各方面內容確定冷卻水溫，同時需要做好相關記錄工作與整理工作，積極尋找各方面因素之間的關聯，以此使冷水機組處于最為理想的狀態，使系統運行方案達到最優水平。同時也需要明確冷卻塔數量，使冷卻水出水溫度得到全面降低，避免冷卻塔蒸發造成能量損耗，使整體能耗得到有效控制[2]。

2" IDC機房空調合理設計

2.1 明確機房氣流組織

為降低空調整體能耗，需要通過合理配置冷熱通道的方法避免系統出現局部熱度過高的問題，最終達到節能的目標。在此過程中可使用機架“背對背”布置方法或“面對面”布置方法，同時需要考慮對熱通道進行封閉，也可同時封閉冷通道，使氣流組織達到更大效率，以此維持空調高效運行。為實現此目的，可通過現場實測與軟件模擬等各種方式明確相應方法，使機房氣流組織處于最為理想的狀態，為節約能源奠定良好基礎。

當冷水機機柜內氣流處于理想設計狀態時，空氣能在冷卻過程中發揮最大作用，因此，為達到節能目標，需要重視對機柜的設計環節，使氣流組織處于順暢流通的狀態，避免冷氣流與熱氣流混合，以此提升空調中自身具備的低溫空氣，提升對冷風的利用情況。在設計機柜的過程中，需要把握避免阻擋氣流的原則，使機架中的通道發揮自身作用，為冷氣流上升提供條件，防止設備阻擋冷風下送。此外，也需要避免氣流混合，可在機柜內部空位安置機架擋板，避免熱風在機柜中出現回流的現象[3]。

2.2 提升IDC機房熱通道溫度

為達到降低末端能耗的目標，需要使末端專用空調回風溫度得到有效提升，從而提升單臺機組工作效率，減少冷水機數量，最終達到節能的效果。在此過程中可提升服務器兩端溫差，使回風溫度得以同步提升，使機體在面臨同樣的熱負荷時有效降低風量。此外，也可降低冷水風機的風量，減慢其轉速。風機功耗與轉速關系相符，當風機轉速降低時，功耗也能隨之大幅下降，起到節約能源的作用。

為使回風溫度得以提升，可提升供水溫度，強化空調機組溫度差，以此使單臺專用空調潛熱損耗有效降低。

2.3 空調智能群控管理工作

空調機房中普遍配置多組機房專用空調，一旦群控管理不當則可能出現不利情況。此類情況主要表現為以下兩種情況：一種為空調冷卻需求雖不高，但仍可能存在不同空調同步工作的情況；另一種為部分機組制冷，但其他機組卻處于加熱狀態，或部分機組處于加濕狀態而其他機組處于除濕狀態等。此類情況都可能造成大量能源浪費。為避免浪費則需要做好群控管理工作。其具體工作可從以下三方面入手：第一方面為協調主空調機與備空調機，使其實現自動切換，在系統中定時輪換，提升整體系統的可靠程度；第二方面為精準預測機房制冷需求，并依照此需求確定空調需要開啟的數量；第三方面為預判機房整體溫度，控制好溫度與濕度，使不同機組能達到協調工作的目標，以免出現同時制冷與加熱、同時加濕與除濕等情況[4]。

3" 保障輕載運行

3.1 完善風冷末端配置

當空調系統處于運行初期時，整體冷負荷程度相對不高，此階段可對末端冷風配置工作進一步完善，使數據機房初期平滑帶載情況得以優化。此項操作能有效解決主機初期出現的低效率與耗能問題，為能源節約做好充分準備。

在裝機容量不斷提升的情況下，主機需要承擔的啟動負荷也更為適宜，此階段需要啟動水冷主機，使機房中的風冷專用空調處于備用狀態。當冷負荷不斷提升后，風冷專用空調即可轉化為主用，使冷量得以彌補，達到整體節能的效果。

3.2 完善蓄冷罐運行機制

為提升數據機房制冷工作的連貫性，需要使空調系統得到15～20分鐘的蓄冷水量，以此保障系統均配。在數據機房投入運行的初始階段，各項數據設備發熱量并不高，此階段需要利用蓄冷罐中儲存的冷量，避免主機頻繁開機。隨著運行時間不斷加長，制冷主機也達到了可開啟運行的條件，但冷負荷情況仍存在一定波動，可能導致主機頻繁啟動，不僅造成能源浪費，也對主機使用壽命造成不利影響。為解決此類問題，則可發揮蓄冷罐的作用，當負荷較低時，主機運行時間與停機時間都將相應延長，避免頻繁啟動，達到節約能源的目標[5]。

3.3 完善自由冷卻運行機制

當室外處于冬季時，自由冷卻技術可發揮重要作用。此項技術需要充分利用自然冷源，達到節約空調系統能源的目標。除冬季外，當處于過渡季節時也需要對室外氣溫進行充分利用，使冷空氣起到降溫的作用。自由冷卻系統在此環節中需要與制冷系統并聯，其相關配置需要涵蓋板式換熱器與冷卻塔、一二次水側循環泵等。當處于夏季，自由冷卻系統無法使用時，冷卻塔可發揮自身作用，與主機共同工作，提升主機COP值。自由冷卻系統在空調系統中可獨立運行，當室外氣溫相對較低時，可使其獨立運行，以此保障數據機房溫度達到要求。

4" 結束語

綜上所述，為使空調水冷系統處于節能運行狀態，相關從業人員需要在全面分析制冷主機與變工況節能等策略的基礎上制定節能策略，使冷卻水流量、冷卻塔運行臺數等各方面情況都處于最佳狀態，以此優化系統運行情況，降低制冷能耗。同時也需要時刻觀察室外氣象，依照室外情況對空調負荷進行合理調整，使冷水機處于最佳供水溫度，以此節約能源。此外也需要提升末端專用空調回風溫度、完善群控管理系統、增設自由冷卻系統等，從各個角度同步入手，不斷強化數據中心水冷系統節能運行模式，做好節能工作，為國家進一步落實可持續發展戰略奠定堅實基礎?！?/p>

參考文獻

[1] 李勇偉，郝鵬，鄭慶華．數據中心冷空調系統節能措施研究與應用[J]．節能，2021，40（8）：42-44.

[2] 張泉，熊磊，張藎文．數據中心水冷系統溫排水對水環境影響研究[J]．建筑熱能通風空調，2021，40（1）：12-15.

[3] 張春朋．數據中心暖通空調水冷系統節能控制優化及應用[J]．暖通空調，2020，50（12）：50-53.

[4] 楊帆，俞偉，陳春良，等．數據中心水冷空調系統水質處理技術實踐[J]．中國金融電腦，2020（9）：67-69.

[5] 柴祥．數據中心服務器芯片水冷系統性能及能耗分析[D]．天津：天津商業大學，2020.