簡(jiǎn)析數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

程小靜 劉彬

華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，信息數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，數(shù)據(jù)中心的能耗在能源消耗中所占的比例不斷增加。通常，IT 設(shè)備能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的50%，空調(diào)系統(tǒng)能耗約占40%，供電系統(tǒng)能耗約占10%[1]?？照{(diào)系統(tǒng)能耗作為數(shù)據(jù)中心能耗的主要組成部分，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能潛力所在，如何提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率、降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高效低碳健康發(fā)展顯得尤為重要。

1 數(shù)據(jù)中心能耗分析

針對(duì)大型數(shù)據(jù)中心采用集中式冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，其能耗主要由冷源能耗（主機(jī)能耗）、輸送能耗（水泵能耗）、末端能耗（風(fēng)機(jī)能耗）三大部分組成（圖1），在保證通信設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，可以從各環(huán)節(jié)入手，以達(dá)到最大限度的節(jié)能目的。

圖1 集中式冷凍水空調(diào)系統(tǒng)能耗組成

冷源能耗受室外環(huán)境溫濕度、機(jī)房環(huán)境溫濕度、IT設(shè)備負(fù)載率、冷凍水供回水溫度影響較大。

輸送能耗主要取決于水冷系統(tǒng)架構(gòu)，各機(jī)房管路設(shè)計(jì)需考慮互用互通，同時(shí)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)兩端設(shè)置閥門，保證單點(diǎn)故障或單點(diǎn)維護(hù)時(shí)可以滿足整個(gè)水系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行。為了有效的提高設(shè)備能效，冷凍水泵、冷卻水泵均采用變頻技術(shù)，按照實(shí)際負(fù)載有效控制水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷時(shí)段的節(jié)能運(yùn)行。

末端能耗受機(jī)房?jī)?nèi)部氣流組織影響較大，氣流組織不合理或服務(wù)器分布不均勻會(huì)導(dǎo)致局部熱點(diǎn)的出現(xiàn)。通常，運(yùn)維人員會(huì)調(diào)低空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行溫度，整體降低機(jī)房環(huán)境溫度，當(dāng)機(jī)房空調(diào)運(yùn)行工況參數(shù)降低時(shí)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)功率也會(huì)提高。因此，機(jī)房空調(diào)溫度設(shè)定的不合理會(huì)極大地增加末端系統(tǒng)的能耗。另外，數(shù)據(jù)中心空調(diào)末端具有多元化，針對(duì)高熱密度機(jī)柜（單機(jī)柜功耗大于5 kW，甚至達(dá)到10～20 kW），采用新型空調(diào)末端（行間背板液冷等）成為數(shù)據(jù)中心空調(diào)末端發(fā)展趨勢(shì)，它不僅能解決高熱密度等大型服務(wù)器散熱問題，同時(shí)也提高了機(jī)房利用率，降低了末端系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

2 空調(diào)節(jié)能技術(shù)

2.1 合理利用自然冷源

數(shù)據(jù)中心常年需要不間斷供冷，在冬季和過渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)，自然界存在著豐富的冷源，如何利用免費(fèi)冷源進(jìn)行冷卻是數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重點(diǎn)問題。本文主要介紹在工程中運(yùn)用較多的水側(cè)自然冷卻技術(shù)、間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

2.1.1 水側(cè)自然冷卻技術(shù)

應(yīng)用水側(cè)自然冷卻技術(shù)，即采用冷水機(jī)組+板式換熱器+冷卻塔組成的集中空調(diào)系統(tǒng)形式。當(dāng)室外環(huán)境溫度較低，全部或部分使用自然界的免費(fèi)冷源進(jìn)行制冷從而減少冷水機(jī)組壓縮機(jī)的能耗。以北京某數(shù)據(jù)中心為例，如果將冷凍水供回水溫度提高到15 ℃/21 ℃，當(dāng)冷卻水供水溫度高于13.5 ℃時(shí)，冷水機(jī)組為數(shù)據(jù)中心提供全部冷負(fù)荷。當(dāng)冷卻水供水溫度低于13.5 ℃且高于8 ℃時(shí)，系統(tǒng)開始使用部分免費(fèi)制冷，此時(shí)冷卻塔和冷水機(jī)組共同承擔(dān)系統(tǒng)的冷負(fù)荷。當(dāng)冷卻水供水溫度低于8 ℃時(shí)，冷水機(jī)組停止運(yùn)行，全部由冷卻塔免費(fèi)供冷。

基于北京全年濕球溫度時(shí)長(zhǎng)分布（圖2）和不同運(yùn)行工況小時(shí)段（表1）：一年中有62.8%的時(shí)間（5502 h）可以利用自然冷源，其中48.3%的時(shí)間（4231 h）為全部自然冷卻，14.5%的時(shí)間（1271 h）為部分自然冷卻。在冬季和過渡季節(jié)，通過自然冷卻技術(shù)減少冷機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和強(qiáng)度，有效降低空調(diào)系統(tǒng)功耗。

圖2 全年濕球溫度時(shí)長(zhǎng)分布

表1 不同運(yùn)行工況小時(shí)段

2.1.2 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，即機(jī)房室內(nèi)回風(fēng)與室外新風(fēng)通過間接接觸進(jìn)行顯熱交換，室外新風(fēng)側(cè)通過與直接蒸發(fā)冷卻填料、高壓噴頭形成的霧化水滴、換熱器表面的水膜等直接接觸，進(jìn)行充分的熱濕交換。通過絕熱噴淋、等焓加濕得到的室外側(cè)空氣溫度（理論上可以將室外的干球溫度冷卻到和濕球溫度相同）與機(jī)房?jī)?nèi)部回風(fēng)溫度形成溫差，通過空氣-空氣換熱器進(jìn)行換熱，從而達(dá)到冷卻IT 設(shè)備的目的。

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)（圖3）以自然冷卻為主，機(jī)械制冷作為補(bǔ)充，當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時(shí)，機(jī)房室內(nèi)回風(fēng)通過空氣-空氣換熱器被室外低溫空氣直接冷卻，當(dāng)室外環(huán)境溫度較溫和時(shí)，室外空氣通過噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，再通過空氣-空氣換熱器冷卻室內(nèi)回風(fēng)，當(dāng)室外溫度較高且濕球溫度也高時(shí)，噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)和機(jī)械制冷系列聯(lián)合運(yùn)行，共同滿足制冷需求。

圖3 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)示意圖

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可顯著提高全年免費(fèi)制冷的時(shí)間，與常規(guī)機(jī)械制冷相比，在炎熱干燥地區(qū)可節(jié)能80%～90%，在炎熱潮濕地區(qū)可節(jié)能20%～25%，在中等濕度地區(qū)可節(jié)能40%，極大降低了空調(diào)系統(tǒng)能耗。

2.2 氣流組織優(yōu)化

機(jī)房氣流組織是影響數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要因素，不同的氣流組織形式對(duì)機(jī)房環(huán)境溫濕度的控制及設(shè)備冷卻效果會(huì)產(chǎn)生直接的影響。在數(shù)據(jù)機(jī)房中，空調(diào)送風(fēng)方式的選擇、機(jī)柜的排列布置影響到機(jī)房?jī)?nèi)部整體的熱量分布，也是體現(xiàn)氣流組織優(yōu)化的一個(gè)重要方向。通過合理的送風(fēng)方式和機(jī)柜的優(yōu)化布置，可以有效降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，減少冷熱氣流間的相互影響，提高冷量利用率，同時(shí)使機(jī)房?jī)?nèi)部溫度分布更為均勻，避免局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

2.2.1 地板下送風(fēng)+封閉冷通道

將冷風(fēng)送至架空地板下，機(jī)房?jī)?nèi)架空地板下形成靜壓腔。在封閉冷通道內(nèi)設(shè)置通風(fēng)地板，地板下的冷空氣通過通風(fēng)地板送至服務(wù)器機(jī)柜，達(dá)到“先冷設(shè)備，再冷環(huán)境”的目的，提高空調(diào)利用效率，降低能耗。服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)的熱量從機(jī)柜后部或上部排出，經(jīng)過精密空調(diào)處理后重新形成冷空氣送至機(jī)房，完成循環(huán)過程。封閉冷通道后，空調(diào)回風(fēng)溫度可提高至33 ℃左右（傳統(tǒng)機(jī)房回風(fēng)溫度24 ℃），減少空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。冷通道示意圖如圖4 所示。

圖4 封閉冷通道示意圖

2.2.2 彌漫送風(fēng)+封閉熱通道

將冷風(fēng)直接送至機(jī)房冷通道內(nèi)（不設(shè)架空地板），帶走服務(wù)器機(jī)柜的熱量，從機(jī)柜后部排出至封閉熱通道，再通過熱回風(fēng)吊頂送至空調(diào)上部回風(fēng)口，經(jīng)冷卻處理后重新形成冷空氣送至機(jī)房，實(shí)現(xiàn)循環(huán)制冷的效果。封閉熱通道后，空調(diào)回風(fēng)溫度可提高至35 ℃左右，冷水供水溫度相應(yīng)提高，水側(cè)免費(fèi)自然冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，冷水機(jī)組COP 提高[2]。同時(shí)，供水溫度的提高對(duì)冷機(jī)效率也有影響，蒸發(fā)溫度每提高0.6 ℃，效率增加1%～3%,冷機(jī)的能耗顯著降低。熱通道示意圖如圖5所示。

圖5 封閉熱通道示意圖

2.3 采用變頻技術(shù)

數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器功耗與承載業(yè)務(wù)量和運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，每天24 h 都在變化[3]，因此數(shù)據(jù)中心的能耗也會(huì)呈現(xiàn)周期性的變化，空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間在部分負(fù)荷下運(yùn)行，采用變頻壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備可有效提高空調(diào)系統(tǒng)制冷效率[4-5]。冷水主機(jī)根據(jù)末端負(fù)載的不同變頻調(diào)節(jié)，使機(jī)組保持較高的運(yùn)行效率，同時(shí)避免了運(yùn)行工況的劇烈變化，如壓縮機(jī)的頻繁啟停等，提高了設(shè)備工作的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了使用壽命。在數(shù)據(jù)中心負(fù)荷和機(jī)房室內(nèi)外溫度發(fā)生變化時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速改變冷卻塔風(fēng)機(jī)和水泵的性能曲線，使系統(tǒng)保持較高的運(yùn)行效率。當(dāng)流量減少50%，普通空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)或水泵能耗減少20%～30%，采用變頻技術(shù)可減少70%～80%[1]，節(jié)能效果明顯。

2.4 采用液冷技術(shù)

應(yīng)用液冷技術(shù)，即使用液體取代空氣作為冷媒，為發(fā)熱部件進(jìn)行換熱，帶走熱量。根據(jù)制冷液體與設(shè)備之間的接觸方式，分為冷板式（間接接觸）和浸沒式（直接接觸）。冷板式液冷，是在發(fā)熱芯片處加裝液冷板，液體在通過冷板的時(shí)候?qū)⒃O(shè)備的熱量帶走，達(dá)到散熱的目的，機(jī)柜內(nèi)部由于不能接觸到液體，依然需要風(fēng)扇來散熱。浸沒式液冷的特點(diǎn)在于將服務(wù)器等需要散熱的IT 設(shè)備完全浸沒在冷卻液中，依靠液體的循環(huán)流動(dòng)帶走熱量。由于冷卻液和IT 設(shè)備充分接觸，再加上沒有風(fēng)扇，散熱效率更高，噪音更低。

液冷系統(tǒng)由液冷終端、熱交換單元（CDU）、冷源設(shè)備組成（圖6）。CDU 為整個(gè)室內(nèi)系統(tǒng)冷媒提供循環(huán)動(dòng)力，保證冷媒持續(xù)循環(huán)，源源不斷地帶走負(fù)載熱量。通過綜合分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)預(yù)定策略，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中冷媒的流量、流速。室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)通過CDU 進(jìn)行熱交換，最終將負(fù)載產(chǎn)生的、由冷媒攜帶的熱量高效傳遞到室外側(cè)。

圖6 液冷系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

液冷技術(shù)的高效制冷可以有效提升服務(wù)器的使用效率，液體導(dǎo)熱能力更好，是空氣的25 倍，溫度傳遞效果更快、更優(yōu)，實(shí)現(xiàn)IT 設(shè)備高效制冷。液冷數(shù)據(jù)中心雖然增加了泵和冷卻液系統(tǒng)，但省卻了空調(diào)系統(tǒng)和相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，節(jié)省了大量空間，有助于提高數(shù)據(jù)中心單位空間的服務(wù)器密度。同時(shí)液冷技術(shù)對(duì)于高功率密度服務(wù)器的冷卻能力優(yōu)良，可以得到更高的運(yùn)算效率。與傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)相比，液冷數(shù)據(jù)中心能有效降低能源消耗（如表2 所示），很多浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心的PUE（數(shù)據(jù)中心電力使用效率指標(biāo)）甚至可以降到1.05，滿足綠色數(shù)據(jù)中心的要求。

表2 機(jī)柜不同冷卻方式對(duì)比分析

3 結(jié)束語

本文對(duì)數(shù)據(jù)中心冷源能耗（主機(jī)能耗）、輸送能耗（水泵能耗）、末端能耗（風(fēng)機(jī)能耗）進(jìn)行了研究分析，最大限度利用自然冷源，對(duì)數(shù)據(jù)中心氣流組織進(jìn)行優(yōu)化，采用變頻技術(shù)和新型液冷技術(shù)，在保證可靠和安全的前提下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能最大化，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高效低碳健康發(fā)展提供參考和依據(jù)。