數據中心制冷節(jié)能技術應用分析

饒志明 宋華

摘要：近年來，眾多行業(yè)的發(fā)展都滲透了綠色發(fā)展的概念，將節(jié)能技術大力推廣到行業(yè)中各個生產環(huán)節(jié)，企業(yè)的整體能源消耗降低有了顯著改善。但是隨著能源的匱乏問題日益嚴峻，各企業(yè)越來越重視節(jié)能技術的應用，尤其是數據中心制冷節(jié)能技術的應用。本文通過探討在數據中心中經常使用的制冷節(jié)能技術，為眾多企業(yè)提供數據中心節(jié)能技術的應用參考。

關鍵詞：數據中心;制冷;節(jié)能技術;應用

近年來，綠色發(fā)展、節(jié)能環(huán)保的理念逐漸在眾多行業(yè)領域中得到滲透和發(fā)展，成為提升發(fā)展綜合效益的重要方式。正因為如此，越來越多的主體在實際發(fā)展過程中積極探索能夠將節(jié)能技術運用到特定環(huán)節(jié)中的方法。數據中心作為一套復雜的設施，不僅包括計算機系統(tǒng)及與之配套的諸如通信系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)等子系統(tǒng)，同時，還包括保證數據中心持續(xù)、穩(wěn)定運行的配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。相關研究表明，數據中心中的制冷系統(tǒng)是整個中心中耗電量最大的部分，其所占數據中心總耗能的30%～45%。在當前節(jié)能環(huán)保理念深入發(fā)展的情況下，如何將節(jié)能技術充分應用到數據中心的制冷系統(tǒng)之中，降低制冷系統(tǒng)的能耗，是數據中心規(guī)劃建設中重點考慮和解決的問題，也是影響數據中心建設效益的重點所在。調查顯示，目前我國數據中心建設中的制冷系統(tǒng)通常采用自然冷卻技術、雙冷源分布式熱管背板冷卻技術或者熱交換器來對數據中心進行制冷，優(yōu)化數據中心的空調氣流，達到制冷兼具節(jié)能的效果，對這些數據中心規(guī)劃和建設中常用到的制冷節(jié)能技術進行應用性的分析，以豐富數據中心制冷中節(jié)能技術的運用研究。

1 數據中心機房制冷模式

1.1 機房級制冷

空調機布置在機房（分散或集中布置），冷空氣通過活動地板下的靜壓箱或吊項上的風道向冷通道送風。對于熱密度>5 kW/機柜，采用下送風方式，按冷熱通道的布局原則，在機柜上部也會產生局部熱點;為解決局部熱點問題，機房級制冷可采用冷（熱）通道封閉的方式;當然首先還應采用盲板等措施防止機柜后部排出的熱空氣返流至機柜前部進風口。封閉冷（熱）通道的方法簡單易行，能解決8～10 kW/機柜的發(fā)熱量;在設計階段應將高熱密度的機柜集中布置，以便實現冷（熱）通道封閉，并使空調系統(tǒng)制冷效率提高。

1.2 機柜冷池級制冷與機柜排級制冷（行級制冷）

多臺柜式制冷終端分散布置在靠近高熱密度的機柜旁，送出的冷空氣水平方向進入機柜前部;制冷主機為各制冷終端提供冷水或氟利昂來帶走熱空氣的熱量;制冷終端的數量和制冷量根據柜負荷確定，單機柜的制冷量可達30 kW。

1.3 機柜級制冷

高密度封閉機柜采用柜內冷卻方式，減少冷量在機房內的浪費，利于迅速、準確控制每個機柜內的環(huán)境。

1.4 局部熱點冷卻

現在使用最多機房級制冷模式中，常常存在熱點;為降低熱點的溫度，往往將機房專用空調機設定溫度降低，造成能耗增長;為解決熱點的冷卻問題，可以在熱點附近安裝局部的制冷終端。在上述的冷池級、排級制冷模式中的柜式制冷終端也可用于局部熱點冷卻;另外可采用吊頂式、機柜頂部式、背板式等形式的制冷終端;這些制冷終端可局部使用也可大量使用。

2 數據中心制冷節(jié)能技術應用分析

2.1 水側節(jié)能技術

水側冷凍系統(tǒng)是通過室外環(huán)境來降低數據中心溫度的效果，主要是通過室外環(huán)境來供給數據中心的冷水，這種技術在不耗費制冷能源的情況下，將水冷卻到適當的溫度。一般而言，水側冷凍系統(tǒng)主要由冷水機組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵以及通冷凍水型專用空調末端構成，該系統(tǒng)主要采用集中式的冷源，系統(tǒng)中的冷水機組的制冷效率高，并且冷卻塔的放置位置靈活，在運行過程中產生的噪音也偏小，并且在規(guī)?；褂脮r還可有效地節(jié)省建造和維護成本。

在水側節(jié)能系統(tǒng)中，冷水機組系統(tǒng)上安裝有附加風扇的換熱器，當數據中心運行環(huán)境中的溫度可以通過制冷的方式實現散熱的目的時，節(jié)能系統(tǒng)就會切換到以換熱器為主的模式，并對環(huán)境中的溫度進行自動化監(jiān)測。在系統(tǒng)實際運行過程中，當數據中心外界的環(huán)境溫度達到所設置的范圍時，水冷機組的制冷功能會進入暫停狀態(tài)，水側節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能功能將會啟動。

在水側節(jié)能系統(tǒng)中，水的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)因為具有更多可供靈活選擇的功能，并且受數據中心環(huán)境性因素的影響偏少而成為數據中心制冷系統(tǒng)中使用比較多的技術系統(tǒng)。雖然也有些企業(yè)在數據中心規(guī)劃和建設過程中使用地熱系統(tǒng)來對疏散中心的熱量，但這種散熱系統(tǒng)的效果在散熱的持續(xù)性和節(jié)能性等方面要明顯地弱于水的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。

2.2 風側自然冷卻節(jié)能技術

所謂的風側自然冷卻系統(tǒng)是指數據中心建設中，室外空氣直接通過濾網或間接通過換熱器將室外的空氣冷量帶入數據機房內，進而對IT設備進行降溫的冷卻技術。與水側自然冷卻系統(tǒng)相比，風側自然冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果更加直接和明顯，該系統(tǒng)在運行過程中會減少能量之間的轉換和傳遞環(huán)節(jié)，從而避免不必要的能量損耗，提升數據中心制冷的效果。在技術層面，風側自然冷卻技術實現了冷源與負荷中心的直接接觸，使得系統(tǒng)運行不再依賴于傳統(tǒng)空調系統(tǒng)中的制冷機組的輔助降溫，從而減少數據中心空調系統(tǒng)的能耗。

風側自然冷卻系統(tǒng)的原理決定了其更多地是借助外界環(huán)境中的冷溫空氣向數據中心傳送的方式來達到熱量交換和冷卻的效果，這就決定了數據中心的位置要符合長期持續(xù)性冷空氣的標準，否則就會制約自然冷卻的效果。因此，風側自然冷卻技術通常會在高緯度地區(qū)應用。而我國大部分地區(qū)的全年平均氣溫在20℃以下，這一溫度分布特點為風側自然冷卻系統(tǒng)的運用提供了自然性的優(yōu)勢條件。當然，風側自然冷卻節(jié)能技術的運用除了與數據中心所處環(huán)境中的溫度和濕度有關以外，還與室外的空氣質量有著直接性的關聯，如果空氣質量偏差，勢必會對系統(tǒng)中的設備產生負面影響，造成系統(tǒng)整體功能弱化。例如我國華北地區(qū)的空氣污染情況比較嚴重，大氣中的水分、污染物以及氧氣等成分會對數據中心的IT設備中的金屬元器件產生較大的腐蝕作用，同時也會使設備中的非金屬元素加速老化，對設備造成永久性的損壞。因此，在實際的數據中心應用過程中，除了要考慮風側節(jié)能系統(tǒng)在將主系統(tǒng)的熱負荷進行疏散、制冷的優(yōu)勢以外，還要根據數據中心所處的地理環(huán)境情況來進行綜合性的分析權衡。

2.3 交直流雙路直供電方案

目前較為常用的交流供電系統(tǒng)的路由、發(fā)電機組以及其他設備都是雙份，早成結構過于臃腫，提升了供電系統(tǒng)的耗電量，與節(jié)能概念背道而馳。交流供電系統(tǒng)由于各項設備長期高負載運行，系統(tǒng)供電效率低下，所以采用交流直供供電模式改善這一狀況。此種方法可以降低UPS供電過程中的電能損失，提升系統(tǒng)的供電效率，最終實現數據中心制冷節(jié)能的目標。通過眾多的實踐應用案例得出，此法的運行效率較傳統(tǒng)的交流供電效率高，直接略過UPS雙逆變環(huán)節(jié)，實現節(jié)能目標。

3 結語

綜上所述，在經濟迅速發(fā)展的過程中，各行業(yè)中企業(yè)的數據中心的能耗大大增加，為現存的能源局勢增加了壓力，所以通過數據中心制冷節(jié)能技術的應用和推廣，充分發(fā)揮自然冷源系統(tǒng)和主動制冷系統(tǒng)達到綠色工程，節(jié)能減排的目的，積極響應國家的政策，實現能源的可持續(xù)利用。

參考文獻：

[1]于洪爽.數據中心風側自然冷卻節(jié)能方案探討[J].智能建筑與智慧城市，2018（2）：40-41.

[2]許夢玫，翟曉強，李國柱，等.數據中心冷卻技術的研究進展[J].建筑科學，2018（8）：124-132.

[3]張素麗.數據中心冷水系統(tǒng)自然冷卻節(jié)能分析[J].暖通空調，2016（5）：80-83.

作者身份證號：饒志明36253119860204031X宋華210124198901151028