淺談大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用和節(jié)能技術(shù)

劉姝瑋

摘?要：互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的蓬勃發(fā)展使其重要基礎(chǔ)設(shè)施之一的數(shù)據(jù)中心體現(xiàn)出規(guī)模大，能耗高，可用度和可維護(hù)性要求也極高的特點(diǎn)。大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，使用時耗能大，以環(huán)保為核心的大趨勢下，節(jié)能是各類系統(tǒng)優(yōu)化的基本方向。本文分析了大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)、設(shè)置方式和節(jié)能技術(shù)措施，為今后數(shù)據(jù)中心或智能化控制中心項目建設(shè)提供制冷系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：空調(diào)制冷系統(tǒng);節(jié)能技術(shù);水蓄冷

我國已大步邁入數(shù)字化、信息化、智能化的時代，產(chǎn)業(yè)和結(jié)構(gòu)升級調(diào)整催生了新興的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，工程建設(shè)領(lǐng)域也緊跟時代步伐不斷推陳出新，滿足精益化、節(jié)能化、環(huán)保化的大眾需求。數(shù)據(jù)中心設(shè)備產(chǎn)熱量高，空調(diào)制冷系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的冷負(fù)荷大，運(yùn)行電耗成本高，對安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求等因素都需要建設(shè)、設(shè)計、使用等單位的高度重視。

一、大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)

大型數(shù)據(jù)中心包含IT機(jī)房（含空調(diào)用戶設(shè)施），空調(diào)機(jī)房制冷系統(tǒng)，電力機(jī)房供電系統(tǒng)三大基礎(chǔ)性資源[1]。數(shù)據(jù)中心占地面積大，全生命周期內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)制冷能耗成本占比高;數(shù)據(jù)中心全年不間斷運(yùn)行，對制冷系統(tǒng)和電力供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置提出更高要求;且建設(shè)階段要兼顧空調(diào)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控和維修保養(yǎng)，集中管理，及時反饋，便于操作，縮短故障設(shè)備恢復(fù)使用時間，甚至智能預(yù)測和診斷。

分散式空調(diào)能效低，故大型數(shù)據(jù)中心一般多采用集中式水冷空調(diào)系統(tǒng)來降低能耗，數(shù)據(jù)中心制冷負(fù)荷大，空調(diào)冷卻系統(tǒng)需設(shè)多臺大冷量冷水機(jī)組才能滿足使用，依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB50174-2017的要求，數(shù)據(jù)中心按重要程度可劃分A級、B級和C級，A級對設(shè)備備用系數(shù)要求最高，按制冷主機(jī)和水泵、冷卻塔、IT機(jī)房專用空調(diào)為N+x冗余，配套冷凍和冷卻水管為雙供雙回，環(huán)形布置，保證數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的高可用性和可維護(hù)性。

二、大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的設(shè)置

（一）空調(diào)機(jī)房制冷系統(tǒng)的兩種連接方式

利用水冷式空調(diào)冷卻系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心散熱，為其提供符合運(yùn)行要求的環(huán)境。

空調(diào)機(jī)房冷凍系統(tǒng)連接方式有兩種，一種為單臺冷凍水泵、冷水機(jī)組和冷卻塔等設(shè)備串聯(lián)連接，再與其它串聯(lián)組并聯(lián)，各串聯(lián)組均與空調(diào)冷凍水和上塔冷卻水供/回水總管連接，形成一個大的系統(tǒng)，各串聯(lián)組間獨(dú)立，組內(nèi)任一設(shè)備發(fā)生故障均會影響該套冷水機(jī)組使用，導(dǎo)致備用冷水機(jī)組的啟動。

另一種為設(shè)備組群方式，將冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻塔等同類型設(shè)備先分別并聯(lián)形成設(shè)備組，不同的設(shè)備組間設(shè)公共干管彼此連通，該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是幾套設(shè)備間形成一對多的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)某一臺水泵發(fā)生故障時，只需切換閥門啟動1臺備用水泵即可，不會影響冷水機(jī)組等其它設(shè)備的運(yùn)行情況，系統(tǒng)可用度高，調(diào)節(jié)方式也更加靈活。在現(xiàn)已運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心中兩種方式都有實(shí)際工程案例[2]，而設(shè)備組群方式更適于可靠性要求高的數(shù)據(jù)中心。

（二） IT機(jī)房空調(diào)設(shè)備的四種類型

IT機(jī)房空調(diào)用戶設(shè)備的選擇也會影響數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的整體能耗，一般有如下四種類型：房間級精密空調(diào)產(chǎn)品適用于傳統(tǒng)中低熱密度數(shù)據(jù)中心的散熱需求;行級精密空調(diào)產(chǎn)品多應(yīng)用于模塊化等高熱密度數(shù)據(jù)中心;機(jī)柜級空調(diào)產(chǎn)品與服務(wù)器熱源更接近，節(jié)能高效;元件級制冷空調(diào)采用液冷技術(shù)，直接冷卻服務(wù)器主要發(fā)熱元件，最為先進(jìn)。

三、數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)

基于大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文列出了如下六種節(jié)能措施。

（一）利用自然冷源

機(jī)房內(nèi)的空調(diào)每天都進(jìn)行制冷處理，換季的時候室外溫度比室內(nèi)溫度低的時候，自然界具有大量的冷源，怎樣運(yùn)用大自然的冷源實(shí)現(xiàn)冷卻是機(jī)房空調(diào)節(jié)能減排的關(guān)鍵所在[3]，常用技術(shù)有利用開式冷卻塔+板式換熱器或閉式冷卻塔來代替冷水機(jī)組供冷，此外在制冷系統(tǒng)設(shè)計時盡量采用大溫差小流量的模式減少輸配管線管路損失及水泵電耗。

（二）優(yōu)化氣流組織

影響空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)中心氣流組織形式，冷氣在流動的時候受到的阻力越小，冷風(fēng)與熱風(fēng)氣流才會隔離的越好，冷量消耗的就越小，空調(diào)主機(jī)運(yùn)行的效果就越好，能效也越高。但常常是由于空調(diào)氣流組織設(shè)計不科學(xué)或沒有進(jìn)行CFD軟件仿真測試，導(dǎo)致了冷氣流的效率低，造成了空調(diào)系統(tǒng)的浪費(fèi)。

（三）采用新型空調(diào)末端

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心用精密空調(diào)主機(jī)設(shè)置在機(jī)房的兩端，采用地板下送風(fēng)或者風(fēng)帽上送風(fēng)的方式，先把機(jī)房全部冷卻，再對機(jī)柜實(shí)施散熱處理，此類空調(diào)形式容易造成局部熱點(diǎn)，同時造成冷量的遠(yuǎn)距離輸送，應(yīng)該運(yùn)用大功率的離心風(fēng)機(jī)來輸送，大功率風(fēng)機(jī)的電耗也有部分轉(zhuǎn)化成熱量，這部分熱量將增加制冷系統(tǒng)負(fù)荷[4]。采用新型熱管背板、列間熱管、吊頂式熱管等空調(diào)末端能夠完成按需供冷、解決局部熱點(diǎn)等問題。

（四）采用變頻設(shè)備

數(shù)據(jù)中心的能耗是根據(jù)室外環(huán)境溫度與室內(nèi)IT負(fù)載而決定的，冷水機(jī)組大部分時間在部分負(fù)荷下運(yùn)行，利用變頻冷水機(jī)組，可以提高部分負(fù)荷能效，同時水冷系統(tǒng)中冷凍水泵、冷卻水泵、機(jī)房里的末端空調(diào)EC風(fēng)機(jī)都采用變頻設(shè)備，能夠?qū)崟r按照IT負(fù)載進(jìn)行自動調(diào)整，降低能耗[5]，現(xiàn)最為先進(jìn)的磁懸浮變頻冷水機(jī)組是一種節(jié)能高效的產(chǎn)品。

（五）水蓄冷技術(shù)應(yīng)用

水蓄冷技術(shù)是在有峰谷電價差政策的地區(qū)，利用數(shù)據(jù)中心空調(diào)機(jī)房的備用機(jī)組在夜間電價低估時運(yùn)行制得低溫冷凍水，并存儲在蓄冷罐內(nèi)，電價高峰時段由蓄冷罐釋冷滿足數(shù)據(jù)中心制冷要求，達(dá)到移峰填谷的目的。采用水蓄冷技術(shù)的空調(diào)系統(tǒng)可以節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)，并且有利于電網(wǎng)安全。

水蓄冷不僅是一項節(jié)能措施，還可以作為數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急能源使用，IT機(jī)房數(shù)據(jù)設(shè)備對環(huán)境溫度敏感性高，對于低熱密度的數(shù)據(jù)機(jī)房短暫的制冷中斷影響尚可接受，但對于高熱密度的數(shù)據(jù)中心，很短時間內(nèi)機(jī)房溫度就會急劇上升，電子元器件的可靠性、處理能力會急劇下降、故障率大大提高，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或癱瘓。而水蓄冷技術(shù)的應(yīng)用可設(shè)置一些固定的蓄冷罐作為應(yīng)急冷源使用，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，備用柴油發(fā)電機(jī)切換至穩(wěn)定運(yùn)行的過渡期內(nèi)彌補(bǔ)供冷能力的不足，消除了安全隱患。因此水蓄冷技術(shù)與自然冷源結(jié)合的綜合用能方案在大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

（六）智能化控制

數(shù)據(jù)中心智能化控制管理是完成綠色機(jī)房建設(shè)的基礎(chǔ)，在保證機(jī)房設(shè)備滿足正常運(yùn)行要求的前提下，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)的大量記錄和對不同季節(jié)室內(nèi)溫度變化規(guī)律的累積分析，優(yōu)化運(yùn)行模式，降低整個機(jī)房的能耗。

四、結(jié)語

綜上，大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)是能耗和可用度要求都很高的系統(tǒng)，本文從大型數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)，常用空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)置以及節(jié)能技術(shù)應(yīng)用三個方面進(jìn)行探討，為此類工程項目設(shè)計提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

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[2]牛廣鋒.大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)研究[J].制冷與空調(diào)，2018（02）：29-33.

[3]劉輝，李斌，翁軼能，沈濤，梁世佳，余婉，楊嚇逢，李燕婷，鄒圓.空調(diào)智能化與云計算結(jié)合節(jié)能技術(shù)研究[J].綠色科技，2016（22）：81-85.

[4]張華.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[J].上海節(jié)能，2016（07）：376-379.

[5]吳斌.數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與能源管理平臺設(shè)計[J].現(xiàn)代建筑電氣，2016，7（06）：9-14.