嚴寒地區(qū)數據中心降溫節(jié)能空調系統探究

金洪文，孫 妍，張 炯

(1.長春工程學院能源動力工程學院，長春 130012；2.吉林省建筑能源供應及室內環(huán)境控制工程研究中心，長春 130012；3.山西建筑職業(yè)技術學院，太原 030006)

嚴寒地區(qū)數據中心降溫節(jié)能空調系統探究

金洪文1,2，孫 妍1,2，張 炯3

(1.長春工程學院能源動力工程學院，長春 130012；2.吉林省建筑能源供應及室內環(huán)境控制工程研究中心，長春 130012；3.山西建筑職業(yè)技術學院，太原 030006)

隨著大數據時代的到來，數據中心建設發(fā)展迅速。其特點是散熱量大，空調能耗高，人工制冷作為數據中心主要室內降溫方式且連續(xù)運行，耗電量僅次于IT設備用電， PUE值較高。嚴寒地區(qū)冬季溫度≤5 ℃的天數不足170 d，夏季超過30 ℃的天數不足30 d，氣候特點鮮明。故可充分利用室外空氣溫度變化來滿足室內環(huán)境溫度需求，即在數據中心空調制冷系統方案中擬采用全熱交換、蒸發(fā)冷卻和人工制冷系統相結合的模式，以達到節(jié)能降耗的目的。

數據中心；全熱交換；蒸發(fā)冷卻

0 前言

隨著數據中心容量的增加、規(guī)模的擴大以及新型設備與技術的引入，數據中心機房的諸多問題隨之而來。通常數據中心設備集中，且單位面積發(fā)熱密度高。據資料顯示，從1987年首次載入ASHRAE手冊(空調冷卻系統設計方法)單位冷負荷為108～162 W/m2，到如今單個機柜散熱量高達3.5～10 kW，單位面積功率密度已高達500～2 000 W/m2。單位機柜發(fā)熱密度的不斷提高，易引起通信設備因溫度過高燒毀等問題，需增大空調制冷機制冷量，以降低室內環(huán)境溫度，這就增大了空調耗電比重。并且空調環(huán)境溫度下調1 ℃，其對應的電耗是驚人的。在機房電能消耗中，空調耗電量約占總耗電的50%左右，這對數據中心的制冷技術提出了更高要求[1]。

目前，國內室內降溫采用的方式有：空調系統降溫、通風降溫、黑網布吸收太陽輻射降溫和地冷室內降溫等[2]。數據中心主要降溫方式為空調系統降溫和通風降溫，需要較高的投資和運行費用[3]。主要是人工制冷設備投資和運行電耗高，既要減少人工制冷設備初投資以及其運行時間，又要保證數據中心室內溫度，二者是矛盾的。減少設備投入和運行時間，意味著不能保障數據中心要求的環(huán)境溫度，這就需要通過其他渠道來解決這一矛盾。

1 嚴寒地區(qū)氣候特點

嚴寒地區(qū)以長春市為例，年平均氣溫4.8 ℃，最熱月為7月，最高溫度39.5 ℃，平均氣溫23 ℃；最冷月為1月，最低溫度-39.8 ℃，平均氣溫-16 ℃?？沙浞掷檬彝鉁囟葪l件，盡可能減少人工制冷開啟時間。

2 數據中心特點

據資料顯示，截至2013年3月底，我國各類數據中心總量約為43×104個，容納服務器共約500×104臺[4]。到2015年，我國數據中心年用電量突破1 000億kWh，超過三峽電站當年總發(fā)電量。相比其他類型的建筑空調系統，數據中心具有運行時間長、送風參數相對穩(wěn)定、高顯熱比、氣流組織復雜、耗電量大、全年要求制冷且負荷較大等特點[5]。并且數據中心有著嚴格的熱環(huán)境標準，依據GB 50174《數據中心設計規(guī)范》規(guī)定,見表1所示。

數據中心主要發(fā)熱設備要求進風溫度約為25 ℃左右，依據規(guī)范送風溫差應該在15 ℃左右，即送風溫度一般應在13 ℃左右，室內最高溫度不宜超過28 ℃。

3 空調設計方案

寒冷地區(qū)氣候特點鮮明，在設計數據中心空調方案時，需要充分考慮地域的特點。當室內、外溫度接近或溫差不大的時候，可以考慮采用直接新風系統降溫方式；當室外溫度較高時，采用自來水進行蒸發(fā)冷卻送風降溫方式；當室外溫度較低時，采用全熱交換系統運行方式；當持續(xù)高溫采用上述方式運行不能滿足室內溫度要求時，啟動人工制冷系統運行降溫。根據不同氣溫變化，將全新風系統、蒸發(fā)冷卻系統、全熱交換系統及人工制冷系統集成并發(fā)揮其各設備優(yōu)勢，不啟動或延遲啟動人工制冷設備運行時間，這樣設計的空調系統將會比單一的傳統人工制冷空調系統有更大的節(jié)能潛質。

表1 數據中心設計規(guī)范對室內環(huán)境要求

這需要將置換通風的新風系統、蒸發(fā)冷卻系統、全熱交換系統及人工制冷系統合理集成并高度智能運行，才能實現預期目的，即依據室外氣溫變化，進行各個系統自動切換運行，以維持室內環(huán)境溫度并達到人工制冷系統啟動時間最短，達到節(jié)能降耗的目的。節(jié)能降溫空調設計方案原理圖如1所示。

1.過濾器；2.全熱交換器；3.濕膜蒸發(fā)冷卻器；4.人工制冷設備；5.風機圖1 擬采用空調系統運行原理圖

利用溫度敏感元件檢測室內外空氣溫度并進行精確控制，防止臨界溫度條件下室內空氣發(fā)生結露現象或室外溫度過高時采用單一制冷方式滿足不了室內環(huán)境溫度需求。具體方案運行如圖2～4所示。

圖2 全新風原理圖

圖3 全新風處理過程圖

圖4 排風混入新風處理過程圖

3.1 全新風運行模式

4月—6月，9月—10月室外平均溫度約為10 ℃左右，滿足直接利用新風降溫的條件，可充分利用室外新風直接降溫。開啟圖1中閥門F1、F2，室外新風(W點)經過濾器處理后直接送入室內，吸收余熱后直接由排風口(P點)排至室外，處理原理圖如圖2所示，處理過程圖如圖3所示。此時，運行時需要注意送風溫度需要高于室內設計溫度的露點溫度，否則會結露，如某時段室外溫度低，需要混入一部分排風，通過F3開啟，混入少量排風，此時處理過程圖如圖4所示。

3.2 蒸發(fā)冷卻降溫運行模式

7月—8月室外日平均溫度升高至20 ℃左右，僅用室外新風遠遠滿足不了室內環(huán)境需求，蒸發(fā)冷卻系統產生的高溫冷水可以用來消除室內熱負荷。以長春地區(qū)為例，夏季設計室外干球溫度為30.5 ℃時，新風通過濕膜材料降溫后出風濕球溫度下可降至25 ℃，相對濕度85%。

故采用蒸發(fā)冷卻系統對進入室內的空氣進行降溫，利用室外干燥空氣和水作為制冷的驅動源，讓空氣與水直接接觸進行傳熱、傳質過程[6]，處理原理圖如圖5所示，處理過程圖如圖6所示，室外空氣W點沿等焓線等焓加濕降溫到L點，出風的干球溫度即為室外空氣處理后的濕球溫度，其焓值與室外空氣相同，L點狀態(tài)空氣吸收室內余熱量后由排風口(P點)排至室外。

圖5 蒸發(fā)冷卻降溫原理圖

圖6 蒸發(fā)冷卻處理過程圖

3.3 蒸發(fā)冷卻與人工制冷系統協同模式

當室外溫度上升到利用蒸發(fā)冷卻系統不能滿足室內環(huán)境溫度的需要時，采用蒸發(fā)冷卻與人工制冷協同降溫，開啟圖1中的閥門F1、F2，新風由新風口(W點)經空調機組進入蒸發(fā)冷卻空調降溫，若仍不滿足規(guī)范要求，則由人工制冷補充不足部分，冷空氣進入室內降溫后，室內熱空氣由排風口(P點)排出，此時蒸發(fā)冷卻系統和人工制冷分擔負荷需要分配合理，原理圖如圖7所示。處理過程圖如圖8所示，室外空氣W點沿著等焓線處理到到L點后，剩余的負荷再由人工制冷減焓減濕處理到L＇點后送至室內，吸收室內余熱后排到室外。

3.4 全熱交換系統模式

嚴寒地區(qū)冬季氣候寒冷，1月、2月、3月、11月、12月溫度均在0 ℃以下，溫度≤5 ℃的天數達145 d以上。此時利用自然溫度進行降溫，由于天氣寒冷導致進入室內空氣發(fā)生結露現象，可利用全熱交換系統將室內熱空氣與室外冷空氣進行交叉換熱，室外空氣W點經全熱交換器處理增焓增濕至送風狀態(tài)點W＇處。提升室外進入室內的空氣溫度，降低結露現象發(fā)生的可能性，即如圖8所示：關閉圖1中的閥門F1、F2，室外冷空氣與室內排風換熱升溫后進入室內。吸收室內余熱后排至室外，處理過程圖如圖10所示。

圖7 蒸發(fā)冷卻與人工制冷系統協同原理圖

圖8 蒸發(fā)冷卻與人工制冷系統協同處理過程圖

圖9 全熱交換系統降溫原理圖

采用的蒸發(fā)冷卻式系統和全熱交換系統相對于人工制冷具有投資費用低的特點，其中蒸發(fā)冷卻系統初投資約為傳統人工制冷的1/2，維護費用約為人工制冷的1/3，運行費用約為人工制冷的1/4，運行的耗電量僅為人工制冷的1/6～1/8[7]；采用濕膜蒸發(fā)冷卻過程中，空氣得到凈化功能，大約可使室內空氣中PM10可吸入顆粒物質量濃度減少40%，PM2.5質量濃度減少10%～40%[8]。

圖10 全熱交換系統處理過程圖

4 結語

本系統主要利用嚴寒地區(qū)的氣候特點，充分利用可再生能源及自然冷源，采用蒸發(fā)冷卻、全熱交換系統、自然冷卻全部代替或部分代替?zhèn)鹘y制冷劑空調系統，合理運用低能耗的風、水空調系統對室內熱空氣進行降溫處理，推遲了人工制冷設備的啟動時間，解決了人工制冷空調全年運行能源浪費較大的問題。對下一步數據中心改造及新建的空調方案選擇，具有一定的實際借鑒意義。

[1] 張志群,張文鋆.蒸發(fā)冷卻在南方地區(qū)發(fā)電廠配電裝置室的應用[J].暖通空調,2012(3):42-44.

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[5] 王澤青.中國大陸不同氣候分區(qū)數據中心自然冷卻模式的PUE分析[D].天津：天津商業(yè)大學,2015.

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The Research on Cooling and Energy-saving Air-conditioning System in Data Exchange Center in Severe Cold Area

JIN Hong-wen，et al.

(SchoolofEnergy&Power，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

With the arrival of large data era，the construction of data center is developing rapidly.It is characterized by large heat，high energy consumption on air conditioning.Artificial refrigeration as the data center and the main indoor cooling mode to run continuously，the power consumption in it is the second to the power consumption of IT equipment，and the PUE value is higher.The time in cold winter areas with the temperature ≤5 ℃ is less than 170 days，the duration of annual days with the temperature more than 30 ℃ is less than 30 days and with distinctive climate characteristics.Therefore，the outdoor air temperature changes can be made full use to meet the need of indoor temperature.In the data exchange center of the evaporative cooling air conditioning system，it is to be adopted a total heat exchange，and combined model of evaporative cooling and artificial refrigeration system to achieve energy saving purposes.

data exchange center；total heat exchange；evaporative cooling

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.015

2016-12-09

金洪文(1970-)，男(漢)，遼寧朝陽，教授 主要研究暖通空調節(jié)能技術。

TU831.3

A

1009-8984(2017)01-0060-04