淺析數(shù)據(jù)機房節(jié)能技術(shù)策略

應(yīng)寅

（上海市安裝工程集團有限公司）

（Shanghai Installation Engineering Group Co.,Ltd.）

1 引言

隨著社會的發(fā)展，空調(diào)能耗在生產(chǎn)生活總能耗中一直占有相當(dāng)大的比例，而能源短缺更加重了對空調(diào)使用的各種限制。數(shù)據(jù)機房是新基建發(fā)展的基礎(chǔ)之一，能耗問題能否緩解是我國關(guān)注的焦點問題。

空調(diào)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)機房內(nèi)的環(huán)境溫度變化具有合理調(diào)控的作用，能夠有效地改善數(shù)據(jù)機房內(nèi)設(shè)備運行環(huán)境，所以用怎樣的空調(diào)冷卻方式、如何優(yōu)化控制方式對節(jié)能減排尤為關(guān)鍵[1]。

本文依托松江大數(shù)據(jù)計算中心項目（項目總建筑面積23000多㎡，容納機構(gòu)數(shù)量約4000個）探索在我國華東地區(qū)（建筑氣候劃分為“夏熱冬冷地區(qū)”）利用適合的空調(diào)制冷技術(shù)節(jié)能、節(jié)水的經(jīng)驗。

2 機房冷卻技術(shù)的比選

在自然環(huán)境條件中，室內(nèi)溫度變化主要受季節(jié)、氣候、地理位置等自然因素的影響。通過水分蒸發(fā)冷卻進行降溫是一個大家熟識的物理過程，但直接蒸發(fā)冷卻（Direct evaporative cooling，簡稱DEC）是通過空氣與水大面積的直接接觸，水的蒸發(fā)使空氣和水的溫度都降低，此過程會增加空氣中的含濕量，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，是絕熱加濕過程。在我國華東“夏熱冬冷”地區(qū)還要考慮除濕，勢必會增加整體能耗[2]。

間接蒸發(fā)冷卻（Indirect evaporative cooling，簡稱IEC）是把直接蒸發(fā)冷卻過程中降溫后的空氣和水進行非接觸式換熱處理，在室內(nèi)溫度降低的同時，含濕量不變（見圖1）。

圖1 DEC、IEC焓濕變化對比圖

間接蒸發(fā)型空調(diào)機組與傳統(tǒng)機械制冷機組相比，在耗電量、環(huán)境友好無污染、投資成本和維護難度等各方面都有優(yōu)勢。

但是，間接蒸發(fā)冷卻在水和空氣間熱質(zhì)交換過程中表現(xiàn)出來的高度時變和非線性特性，影響了控制（數(shù)學(xué)）模型的求解，以及相關(guān)物理模型的建立。

隨著工業(yè)自控技術(shù)、建筑設(shè)備環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展，利用集成了電源、制冷機組、IT微模塊和綠色環(huán)保材料的預(yù)制化數(shù)據(jù)中心物理基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，可以滿足不同需求的機房部署，并能達到節(jié)能成效。

3 預(yù)制化制冷模塊

在眾多基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的功能模塊中，與節(jié)能息息相關(guān)的就是制冷模塊，本文論述的數(shù)據(jù)機房項目就是使用了國際領(lǐng)先的快交付周期（下單到交付3個月）、易快速部署（僅需三通一平）、緊湊標(biāo)準(zhǔn)化的箱式制冷組件（見圖2），降低了全生命成本。

圖2 間接蒸發(fā)制冷模塊示意圖

該組件以間接蒸發(fā)自然冷為核心技術(shù)，通過3種工況模式：空-空節(jié)能冷卻模式、帶蒸發(fā)冷卻的空-空冷卻模式和直膨制冷模式。直膨模式是前2種節(jié)能模式的補充，目的是防止在極端條件下，由于制冷要求不符導(dǎo)致數(shù)據(jù)機房內(nèi)設(shè)備過熱宕機或損壞，在控制邏輯中定義嚴(yán)苛，能耗比不大于整個能耗量的5%。

先進的制冷模塊加上合理的模塊化布局，才能最大限度的發(fā)揮機房集約化節(jié)能效果。該系統(tǒng)除了制冷模塊之外，還有制冷接駁模塊、IT模塊、不間斷電源模塊以及自然冷卻和補水模塊。

本項目的基本模塊架構(gòu)和模塊內(nèi)計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics簡稱CFD）模擬圖（見圖3）。它能幫助設(shè)計施工人員從項目伊始，就能對氣流溫度分布有直觀了解，也能從一開始就能針對降溫不利點（熱點）進行管控，通過設(shè)置風(fēng)口，減少負(fù)荷，規(guī)劃氣流組織等有效技術(shù)手段加以規(guī)避。

圖3 模塊搭建及溫度場分布(1.6m高處)圖

該項目一共涉及圖示模塊組18組，每組包含12個IT模塊、12個不間斷電源模塊、4個制冷接駁模塊和8個制冷模塊。每個IT模塊可容納機柜216個（單個機柜平均負(fù)載6.5kW），總計3888個機柜。

4 制冷控制策略及管理平臺

本項目的制冷模塊控制策略如圖4所示。通過分布式控制單元獲取所有模塊組內(nèi)傳感信息，對設(shè)備實時狀態(tài)進行監(jiān)控，發(fā)布指令[3]。每個冷卻模塊連同電源模塊、IT模塊等所有模塊組內(nèi)子系統(tǒng)（設(shè)備），都通過高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以星型拓?fù)溥B接的方式，把每個模塊組內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至分布式控制模塊單元。數(shù)據(jù)主干網(wǎng)絡(luò)再把所有模塊組的設(shè)備信息投射至數(shù)據(jù)中心管理平臺（DCIM）上。工程師可以分別配置分控單元和中央單元的信息處理和控制權(quán)限，平衡前后端的算力，使整個項目運行在最佳狀態(tài)。

圖4 制冷模塊工藝控制流程簡圖

在數(shù)據(jù)中心管理平臺（DCIM）人機交互的界面上，既能通過庫存管理、PUE計算器、實時設(shè)備報警以及基于位置的下鉆來即時縱覽數(shù)據(jù)中心的運行情況，亦能利用云歷史數(shù)據(jù)庫進行分析比對，出具報表，通過智能型制冷控制來動態(tài)消除熱點并節(jié)省能源[4]（見圖5）。

圖5 DCIM平臺3D界面圖

5 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心的需求缺口與高耗能劣勢，迫使我們必須建設(shè)綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。2019年，上海市經(jīng)信委、發(fā)改委聯(lián)合提出了“新建互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心PUE值嚴(yán)格控制在1.3以下”。本文論及的新建項目設(shè)計要求PUE值不高于1.3，從2021年5月開始試運行，月PUE均值1.29，完全符合設(shè)計要求。

筆者將帶領(lǐng)建設(shè)與運維團隊持續(xù)關(guān)注項目運行狀態(tài)，預(yù)計通過一年的數(shù)據(jù)積累，相信會對該項目涉及的節(jié)能技術(shù)有更透徹的理解。希望通過不斷的數(shù)據(jù)分析和研究，為后續(xù)類似工程的建設(shè)積累寶貴的經(jīng)驗。