數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)探討及新型機(jī)械冷卻+自然冷卻空調(diào)技術(shù)研究

張 華 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

?

數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)探討及新型機(jī)械冷卻+自然冷卻空調(diào)技術(shù)研究

張 華 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

對(duì)于數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)計(jì)中常用的節(jié)能措施作了粗淺的討論，介紹了采用PUE來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗的指標(biāo)，介紹了國(guó)外一種較為新型的復(fù)合型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

數(shù)據(jù)中心空調(diào)；PUE；免費(fèi)冷卻；節(jié)能設(shè)計(jì)

近年來(lái)隨著云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心也處于快速發(fā)展時(shí)期，各種大型、超大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)與日俱增，同時(shí)數(shù)據(jù)中心內(nèi)單機(jī)柜發(fā)熱密度越來(lái)越高，這就對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力提出了很高的要求，如何在更節(jié)能、安全的前提下滿(mǎn)足高密度機(jī)房的制冷需求是對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出的挑戰(zhàn)，同時(shí)也應(yīng)該是數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 數(shù)據(jù)中心能耗評(píng)價(jià)方法

現(xiàn)行數(shù)據(jù)中心能耗評(píng)價(jià)方法多采用綠格（The Green Grid）所定義的PUE（Power Usage Effectiveness能源利用效率）指標(biāo)來(lái)衡量，其具體定義為

其中，Total Facility Power包括：IT設(shè)備外的供電系統(tǒng)損耗（例如UPS，開(kāi)關(guān)柜，發(fā)電機(jī)，PDU，電池）；制冷系統(tǒng)耗電；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及存儲(chǔ)設(shè)施耗電；機(jī)房照明等。由于我國(guó)幅員遼闊，氣候條件差異較大，所以不同地區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)PUE相差較大。統(tǒng)計(jì)而言，國(guó)內(nèi)的現(xiàn)行數(shù)據(jù)機(jī)房由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)、管理水平等方面因素的影響，較好的數(shù)據(jù)機(jī)房PUE大致在2.0左右。

2 現(xiàn)行數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的節(jié)能措施

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)與舒適性空調(diào)系統(tǒng)既有共性，也有其特性，所以其節(jié)能措施一方面可以采用同樣適用于舒適性空調(diào)的措施，例如采用變頻冷水機(jī)組、磁懸浮冷水機(jī)組等高效率設(shè)備的方法；另一方面也應(yīng)該針對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)的特性而采用特定的節(jié)能措施。設(shè)計(jì)中常用的、可實(shí)施性較強(qiáng)的措施可分為三種：采用免費(fèi)冷卻，降低主機(jī)能耗；提高供水溫度，提高主機(jī)效率；優(yōu)化氣流組織，避免冷熱混合損失。

與舒適性空調(diào)相同的常規(guī)節(jié)能措施，本文不再贅述，下面僅對(duì)適用于數(shù)據(jù)中心空調(diào)的節(jié)能措施作作討論：

2.1 采用免費(fèi)冷卻，降低主機(jī)能耗

免費(fèi)冷卻包括以空氣為載體的免費(fèi)冷卻以及冷媒為載體的免費(fèi)冷卻。

以空氣為載體的免費(fèi)冷卻主要是將溫濕度合適的室外新風(fēng)直接引入機(jī)房的冷卻形式，即直流式全新風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，初投資及運(yùn)行費(fèi)用均較低，但是缺點(diǎn)也很明顯，例如風(fēng)管占用空間較大，室外空氣條件較差會(huì)污染機(jī)房環(huán)境，影響機(jī)房運(yùn)行穩(wěn)定，所以其運(yùn)用案例較少。

以冷媒為載體的免費(fèi)冷卻在現(xiàn)行的設(shè)計(jì)中主要包括以下幾種類(lèi)型：

（1）在空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)安裝自然冷卻系統(tǒng)所負(fù)擔(dān)的空調(diào)器，在室外條件較好時(shí)，開(kāi)啟此系統(tǒng)來(lái)預(yù)冷數(shù)據(jù)機(jī)房的回風(fēng)，甚至可以承擔(dān)全部數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷，在過(guò)渡季節(jié)時(shí)，系統(tǒng)自然冷卻制冷能力不足的部分再由采用機(jī)械冷卻形式的機(jī)房空調(diào)承擔(dān)［1］。

（2）分離式熱管自然冷卻系統(tǒng)［2］：利用熱管原理，工質(zhì)在安裝于數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)的蒸發(fā)端吸收機(jī)房?jī)?nèi)的熱量汽化，蒸汽通過(guò)壓差流動(dòng)至安裝于室外的冷凝端，在其中被自然冷源冷卻，冷凝后的液體依靠重力流回蒸發(fā)端。

（3）采用帶自然冷卻功能的機(jī)房空調(diào)［冷卻水型］，與一般的冷卻水型機(jī)房空調(diào)區(qū)別在于其內(nèi)部除了配有冷媒蒸發(fā)器盤(pán)管還有個(gè)冷凍水蒸發(fā)器盤(pán)管，夏季運(yùn)行工況為傳統(tǒng)的冷卻水型機(jī)房空調(diào)，過(guò)度季節(jié)時(shí)部分冷卻水切換至冷凍水盤(pán)管做制冷，冬季時(shí)所有冷卻水都當(dāng)冷凍水來(lái)用，不和制冷劑環(huán)路地冷凝器進(jìn)行換熱。其原理如圖1所示。

圖1 自然冷卻功能的機(jī)房空調(diào)不同季節(jié)的工作模式示意

（4）采用冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)：系統(tǒng)由冷卻塔、冷水機(jī)組、板式換熱器、循環(huán)水泵以及水冷型機(jī)房空調(diào)組成。系統(tǒng)由兩種設(shè)計(jì)形式：“冷卻塔+板換”與冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行（圖2），“冷卻塔+板換”與冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行（圖3）。前者冷凍水回水先經(jīng)過(guò)板換，之后再經(jīng)過(guò)冷水機(jī)組，優(yōu)點(diǎn)是在過(guò)渡季節(jié)可實(shí)現(xiàn)“冷卻塔+板換”與冷水機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，能夠充分利用自然冷卻；缺點(diǎn)是增加了系統(tǒng)阻力，需采用較高揚(yáng)程的冷凍水循環(huán)泵，且系統(tǒng)控制較為復(fù)雜；后者系統(tǒng)中冷卻水僅在冬季室外溫度較低時(shí)經(jīng)過(guò)板換，此種方式優(yōu)點(diǎn)是能夠降低循環(huán)水泵揚(yáng)程，控制簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是由于在過(guò)渡季節(jié)二者不能同時(shí)運(yùn)行，免費(fèi)供冷時(shí)間小于前者［2］。

針對(duì)上海的氣象條件，筆者假設(shè)空調(diào)機(jī)組供、回水溫度分別為10/16℃，當(dāng)時(shí)冷卻塔供水溫度低于7℃時(shí)為免費(fèi)冷卻，當(dāng)冷卻水供水溫度為7～13℃時(shí)為過(guò)渡季，當(dāng)冷卻塔供水溫度高于13℃時(shí)為機(jī)械冷卻，根據(jù)上海8 760 h的干球溫度統(tǒng)計(jì)，免費(fèi)冷卻時(shí)間占26.8%、過(guò)渡季時(shí)間占15.7%、機(jī)械冷卻時(shí)間占57.5%。同時(shí)隨著供水溫度的提高，免費(fèi)冷卻及過(guò)渡季時(shí)間均同步提高，機(jī)械冷卻時(shí)間逐步降低，如圖4所示。

圖2 冷卻塔+板換”與冷水機(jī)組并聯(lián)

圖3 冷卻塔+板換”與冷水機(jī)組串聯(lián)

圖4不同供水溫度下，3種模式所占的比例

對(duì)于“冷卻塔+板換”與冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，免費(fèi)冷卻時(shí)間為上圖中的“自然冷卻+過(guò)渡季”，而對(duì)于“冷卻塔+板換”與冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，免費(fèi)冷卻時(shí)間僅為自然冷卻。

2.2 提高供水溫度，提高主機(jī)效率

國(guó)標(biāo)（電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50174-2008）對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定（表5）以及ASHRAE TC 9.9 2008年中對(duì)于數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)定（表6）如下。

由表5、表6可知，國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)于數(shù)據(jù)中心溫度上限為24℃，而 ASHRAE-2008年推薦溫度范圍最高值可為27℃，選擇合適的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)以及相應(yīng)的冷凍水供、回水溫度也是提高冷水機(jī)組能效的關(guān)鍵。供、回水溫度的選擇和機(jī)房?jī)?nèi)所采用的封閉冷通道還是封閉熱通道也有直接的聯(lián)系，這在下文中將進(jìn)一步論述。

表5 國(guó)標(biāo)對(duì)于機(jī)房參數(shù)的規(guī)定

表6 ASHRAE TC 9.9 2008年中對(duì)于機(jī)房參數(shù)的規(guī)定

2.3 優(yōu)化氣流組織，避免冷熱混合損失

數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的氣流組織形式按照送回風(fēng)形式可分為：包括頂送風(fēng)側(cè)回風(fēng)、下送風(fēng)側(cè)回風(fēng)、下送風(fēng)頂回風(fēng)；按照是否封閉冷、熱通道可分為：敞開(kāi)式、封閉冷通道形式、封閉熱通道形式。

對(duì)于低密度、小容量機(jī)房，早期的設(shè)計(jì)將精密空調(diào)放置于機(jī)房?jī)?nèi)，不單獨(dú)設(shè)置專(zhuān)用空調(diào)機(jī)房，采用機(jī)組側(cè)向回風(fēng)形式，送風(fēng)方式也較為簡(jiǎn)單，采用頂送；隨著數(shù)據(jù)機(jī)房發(fā)熱量的增加，氣流組織形式開(kāi)始采用架空地板下送風(fēng)，同時(shí)結(jié)合封閉冷通道或封閉熱通道的方式而采用空調(diào)機(jī)房側(cè)墻回風(fēng)或者將吊頂空間作為熱通道的吊頂回風(fēng)。圖5為兩種典型的氣流組織。

從圖5、圖6可以看出，對(duì)于所要控制的房間溫度，按照國(guó)標(biāo)要求為23℃，在圖7此溫度為熱通道溫度，在圖8種此溫度為冷通道溫度，所以對(duì)于空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)溫度而言，定然是封閉熱通道會(huì)高于封閉冷通道，送風(fēng)溫度的提高意味著冷凍水溫度的提高，一方面可提高冷水機(jī)組的效率，另一方面也意味著可以采用的免費(fèi)冷卻時(shí)間增加，最終都會(huì)大大的降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，所以從這方面而言，封閉熱通道優(yōu)于封閉冷通道，但是封閉熱通道也有自身的缺點(diǎn)：增加了吊頂空間，提高了土建成本，在具體項(xiàng)目中應(yīng)采用何種方式應(yīng)綜合考慮后確定。

3 一種新型的機(jī)械冷卻+自然冷卻復(fù)合型空調(diào)系統(tǒng)

筆者設(shè)計(jì)了一種國(guó)外新型數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)由于室內(nèi)氣流組織采用封閉熱通道（冷、熱通道溫度分別為25℃及40℃），所以其冷凍水供水溫度最高可達(dá)18度， 由此帶來(lái)的好處是在室外干球溫度低于35℃時(shí)均可以全部或者部分采用免費(fèi)供冷，大大地延長(zhǎng)了免費(fèi)供冷時(shí)間，進(jìn)而降低主機(jī)能耗。

系統(tǒng)由室外閉式冷卻塔，冷卻水泵，冷量分配單元（CDU）以及行間空調(diào)等部分組成，CDU以及行間空調(diào)均包含兩套獨(dú)立的制冷劑環(huán)路，平時(shí)運(yùn)行時(shí)，一套以免費(fèi)冷卻運(yùn)行，另一套同時(shí)以機(jī)械冷卻運(yùn)行（如果室外閉式冷卻塔提供的水溫低于18℃時(shí)，此環(huán)路也切換為免費(fèi)冷卻模式），當(dāng)一套故障時(shí)，另一套可承擔(dān)系統(tǒng)全部制冷量。即使在室外氣溫高于35℃，系統(tǒng)全部切換為機(jī)械冷卻時(shí)，由于冷凍水溫度可為18℃，所以冷水機(jī)組的COP依然遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)水溫的冷水機(jī)組。具體詳見(jiàn)圖7、圖8。

圖5 封閉冷通道，房間為熱空氣

圖6 封閉熱通道，房間為冷空氣

圖7 系統(tǒng)示意圖

圖8 “CDU+行間空調(diào)”示意圖

系統(tǒng)中采用的節(jié)能方式有：①閉式冷卻塔免費(fèi)冷卻技術(shù)，冷水機(jī)組與閉式冷卻塔采用串聯(lián)的系統(tǒng)型式。②高溫冷凍水制冷，在機(jī)械冷卻模式下18℃的冷凍水供水較傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的10℃供水大大提高了冷機(jī)效率。③ 封閉熱通道一方面通過(guò)提高冷凍水溫度使得采用免費(fèi)冷卻的時(shí)間大幅延長(zhǎng)，另一方面也最大程度的避免了機(jī)房?jī)?nèi)氣流混合而造成的能源浪費(fèi)。④ CDU及行間空調(diào)均采用雙回路設(shè)計(jì)，保證其中一個(gè)回路持續(xù)以免費(fèi)冷卻模式運(yùn)行，最大現(xiàn)的地利用免費(fèi)冷卻，同時(shí)雙回路設(shè)計(jì)也大大地增加了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)冗余的要求。綜合利用以上多種節(jié)能技術(shù)，針對(duì)上海市全年氣象參數(shù)分析計(jì)算，系統(tǒng)綜合年化PUE可降至1.3，遠(yuǎn)低于現(xiàn)行較優(yōu)的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)PUE=1.5的現(xiàn)狀。

4 結(jié)論

（1）數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)計(jì)中有多種節(jié)能措施，具體采用何種需要根據(jù)實(shí)際情況并結(jié)合技術(shù)分析確定。

（2）國(guó)標(biāo)規(guī)定的參數(shù)是較高標(biāo)準(zhǔn)的要求，在實(shí)際使用中完全可以在滿(mǎn)足設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，盡量提高機(jī)房設(shè)計(jì)溫度參數(shù)以降低系統(tǒng)能耗。

（3）采用免費(fèi)冷卻是數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要發(fā)展方向，但是在整個(gè)系統(tǒng)中只有各個(gè)環(huán)節(jié)都考慮了節(jié)能措施，才能整體上最大程度的降低系統(tǒng)能耗。

［1］ 何鐘琪，黃霞。上海地區(qū)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施探討，暖通空調(diào)，2011，41（8）

［2］ 錢(qián)曉棟，李震，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究，暖通空調(diào)，2012，42（3）

Discussion on Air-Conditioning Energy Conservation Technology in Data Center and Study on New Type Mechanical Cooling and Free Cooling Air-Conditioning Technology

Zhang Hua Tongji University Architecture Design and Research （Group）Co.，Ltd

The article introduces common energy conservation measures during air-conditioning design in data center. It puts forward PUE as air-conditioning system energy consumption evaluation index. It also carries out study on foreign new type combined air-conditioning system in data center，which gives reference to air-conditioning design in data center.

Data Center Air-Conditioning System， PUE， Free Cooling， Energy Conservation Design

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.008