數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)分析

潘勇

摘要：隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心單機柜功率密度越來越高，從3kW、4kW、6kW，甚至發(fā)展到10kW以上，還可能更高，耗電巨大，發(fā)熱量更加集中，機房局部過熱現(xiàn)象增多，機房內(nèi)單位面積空調(diào)冷負荷急劇增加，由此引來的主設(shè)備運行故障和能耗逐年上升，甚至成為了制約通信業(yè)務(wù)發(fā)展的一大瓶頸。目前國內(nèi)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：IT設(shè)備能耗約占總能耗的50%，空調(diào)能耗約占40%，供電能耗約占10%。所以空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能是數(shù)據(jù)中心的節(jié)能核心，是降低數(shù)據(jù)中心能耗的重要途徑，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能最大潛力所在。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;暖通空調(diào);高能耗

一、數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)特點分析

1.1供冷時間長，送風參數(shù)相對穩(wěn)定。數(shù)據(jù)機房負荷主要來自IT設(shè)備發(fā)熱量，IT設(shè)備需要全年運行，即使在冬季室外溫度較低時，機房模塊內(nèi)仍有制冷需求，要求空調(diào)設(shè)備長時間供冷。數(shù)據(jù)中心圍護結(jié)構(gòu)散熱量、人員等負荷相對較小，設(shè)備全年冷負荷變化不大，因此數(shù)據(jù)中心空調(diào)送風參數(shù)比較穩(wěn)定。

1.2顯熱大，潛熱小。大部分數(shù)據(jù)機房為無人值守，室內(nèi)無散濕源，且新風比例低。空調(diào)設(shè)備主要作用為控制室內(nèi)顯熱，除濕負荷小，熱濕比趨于+∞。為滿足機房室內(nèi)溫濕度要求，空調(diào)系統(tǒng)具有送風溫差小、送風量大的特點。

二、數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)主要有制冷系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)及降溫輔助系統(tǒng)組成，其能源消耗主要集中在制冷系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)能源消耗受負載率、機房環(huán)境溫濕度、室外環(huán)境溫濕度影響較大。散熱能源消耗主要取決于機房內(nèi)部的氣流組織，具體包括以下單元。

2.1制冷系統(tǒng)冷水機組，系統(tǒng)使用制冷劑的高壓和低壓形態(tài)使熱量“逆勢”從數(shù)據(jù)中心流向室外。制冷系統(tǒng)是保證機房溫度的基礎(chǔ)保障。

2.2散熱系統(tǒng)風機或泵，利用空氣或水將熱量從數(shù)據(jù)中心運送至室外環(huán)境。排熱系統(tǒng)產(chǎn)生足夠的風量或水量以帶走巨大的熱量。

2.3降溫輔助利用冷卻塔、濕式過濾器或噴頭將水蒸發(fā)以幫助將熱量排到室外（僅適用于濕度小的干燥地區(qū)）。降溫輔助系統(tǒng)增加換熱效率，使系統(tǒng)熱量更快地散出去。

三、數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能措施

3.1利用自然冷源

機房空調(diào)一年四季都需要制冷，過渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時，自然界存在著豐富的冷源，如何利用大自然的冷源進行冷卻是機房空調(diào)節(jié)能減排的重點問題。根據(jù)采取的技術(shù)措施不同，可分為新風自然冷卻、乙二醇雙冷源系統(tǒng)和氟泵空調(diào)系統(tǒng)等。

3.1.1新風自然冷卻

新風自然冷卻是將低溫新風通入機房內(nèi)對IT設(shè)備進行散熱，系統(tǒng)由進（排）空氣風道、風機及其控制系統(tǒng)組成。在冬季和春秋過度季節(jié)，當室外溫度較低時，新風系統(tǒng)啟動，室外低溫空氣經(jīng)過過濾后進入機房內(nèi)對設(shè)備進行散熱，吸收熱量的室外空氣在室內(nèi)外壓差的作用下，通過排風口自動排出。由于直接引入新鮮空氣，雖經(jīng)過過濾，難免會引入灰塵，導(dǎo)致機房潔凈度降低，影響通信設(shè)備的安全，因此不建議用于潔凈度要求較高的通信樞紐樓等大型機房，可用于普通機房、小型基站等。

3.1.2乙二醇雙冷源（圖1）

由于乙二醇的冰點比較低，當室外溫度低的情況下，不容易結(jié)冰，乙二醇雙冷源空調(diào)是在傳統(tǒng)制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上額外增加一套直接利用自然冷源的雙循環(huán)系統(tǒng)，當室外溫度高于室內(nèi)溫度時，蒸汽制冷循環(huán)系統(tǒng)開啟，自然冷源循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉;當室外溫度低于室內(nèi)溫度時，蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，自然冷源循環(huán)系統(tǒng)開啟，此循環(huán)過程的冷媒為乙二醇，乙二醇在水泵的作用下進入室內(nèi)換熱器帶走機房內(nèi)的熱量，乙二醇溫度升高，高溫的乙二醇在室外換熱器的作用下，將熱量傳遞到室外環(huán)境。兩種循環(huán)中，水泵的功耗遠低于壓縮機，有很大的節(jié)能潛力。內(nèi)蒙古移動公司中心機房就應(yīng)用了該技術(shù)，并得到了可觀的收益。

3.1.3氟泵空調(diào)

氟泵空調(diào)是一種與風冷型機房空調(diào)系統(tǒng)配套的節(jié)能產(chǎn)品。對于傳統(tǒng)的地板下送風機房空調(diào)，在冬季室外環(huán)境較低的時候，仍需要制冷，不能充分利用室外自然冷源，節(jié)能效果較差。針對這種情況，可以針對空調(diào)系統(tǒng)進行改造升級，在原有的空調(diào)系統(tǒng)上添加氟泵機組，通過控制系統(tǒng)，使其在冬季外界環(huán)境較低的時候，關(guān)掉壓縮機，開啟氟泵系統(tǒng)進行制冷，制冷劑在氟泵的作用下在室內(nèi)換熱器與室外換熱器之間循環(huán)，帶走機房內(nèi)熱量。通過氟泵改造，充分利用室外20℃以下自然冷源，在保證制冷量的同時減少壓縮機的運行時間，可實現(xiàn)高達40%的節(jié)能。陳海東在對吉林省一樞紐樓的氟泵節(jié)能改造中表明：氟泵制冷循環(huán)時的功耗僅為0.75kW～1.5kW，遠遠小于相同制冷量下壓縮機的消耗功率，這是節(jié)能的主要原因。

3.2優(yōu)化氣流組織

數(shù)據(jù)中心氣流組織形式是影響空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要因素，冷氣流動過程中的阻力越小，冷風和熱風氣流隔離的越好，冷量損耗的就越小，空調(diào)主機運行效果就越高，能效比越好。但經(jīng)常是因為空調(diào)氣流組織設(shè)計不合理或未經(jīng)過CFD軟件仿真測試，造成了冷氣流的利用率低，使得空調(diào)系統(tǒng)能耗浪費。

3.2.1安裝盲板

數(shù)據(jù)中心有一部分機柜內(nèi)，由于設(shè)備數(shù)量較少，在機柜內(nèi)分布不均，導(dǎo)致很大一部分冷風未經(jīng)過設(shè)備直接進入機房內(nèi)，這樣就導(dǎo)致了空調(diào)的送風短路，使空調(diào)的制冷效率大大降低。采用在機柜內(nèi)安裝擋板的方法截斷熱空氣短路循環(huán)的路徑，安裝盲板應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心簡單可行?？蓽p少冷風的短路，提高空調(diào)的制冷效率。

3.2.2合理布置

在機柜布置方面，傳統(tǒng)機房一般按正面同向布置，缺點是前排機柜產(chǎn)生的熱風被后排機柜吸收，冷熱氣流摻混嚴重，冷卻效果不佳。如果機柜采用“面對面，背對背”方式排列，能夠形成交替的冷熱通道，防止冷熱氣流短路，提高冷風利用。

3.2.3封閉冷通道

機柜以“面對面”成排方式布置，在冷通道上機柜的頂部和整列機柜的兩端進行封閉，從而實現(xiàn)冷通道降耗減排的封閉，通過約束機房空調(diào)送出的制冷風量，避免冷氣流在輸送過程發(fā)生泄漏和混風，讓冷氣流直接進入數(shù)據(jù)設(shè)備，并充分冷卻數(shù)據(jù)設(shè)備，并讓帶走數(shù)據(jù)設(shè)備熱量的熱氣流順利返回到機房空調(diào)。

冷通道封閉約束的是機房空調(diào)送出的冷氣流，冷氣流直接冷卻設(shè)備，消除以往“先冷環(huán)境，再冷設(shè)備”導(dǎo)致混風嚴重的缺點，解決了機房內(nèi)局部過熱問題，提高了空調(diào)利用效率、降低了機房能耗。

四、結(jié)語

通過對數(shù)據(jù)中心能源消耗現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)的分析，得出數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)具有很大的節(jié)能潛力，是建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心的節(jié)能重點。并從五個方面對數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)作了分析和討論，實際工程項目中，應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)中心自身的特點，考慮每種節(jié)能技術(shù)的優(yōu)勢和局限性，選擇最合適的空調(diào)節(jié)能技術(shù)，才能取得最好的節(jié)能效果。

參考文獻：

[1]高彩鳳，于震，吳劍林.典型數(shù)據(jù)機房熱環(huán)境分析及氣流組織優(yōu)化[J].暖通空調(diào)，2013，43（9）：101～106.

[2]何鐘琪，黃霞.上海地區(qū)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施討論[J].暖通空調(diào)，2011（8）：3～6.

[3]原世杰等.數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗研究進展[J].制冷技術(shù)，2012，43（7）：86～92.