數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)研究

◎邢志慧

前言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心單個(gè)機(jī)柜的功率密度越來(lái)越高，有3kW、4kW、6kW 甚至更高，超過(guò)10kW。機(jī)房局部過(guò)熱因熱量集中而加劇，機(jī)房單位面積空調(diào)冷負(fù)荷快速增加。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的調(diào)查數(shù)據(jù)，IT 設(shè)備能耗約占總能耗的50%，空調(diào)能耗約占40%，電源能耗約占10%。因此，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的關(guān)鍵，是降低數(shù)據(jù)中心能耗的重要途徑，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能潛力是最高的。

一、數(shù)據(jù)中心環(huán)境條件

數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備是處于全年不間斷運(yùn)行中，對(duì)運(yùn)行環(huán)境（溫度、濕度、空氣潔凈度）的要求非常嚴(yán)格。一般數(shù)據(jù)中心溫度保持在24 攝氏度左右，濕度控制在40%-60%以?xún)?nèi)，清潔度比較高。根據(jù)GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，粉塵濃度，A 級(jí)和B 主機(jī)房是靜態(tài)的，以下測(cè)試要求每升空氣中大于0.5μm 的灰塵顆粒少于 18，000 個(gè)。

二、數(shù)據(jù)中心空調(diào)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)舒適型空調(diào)不同，數(shù)據(jù)中心空調(diào)主要具有熱負(fù)荷強(qiáng)度高、設(shè)備散熱能力大、發(fā)濕量小、顯熱比高、風(fēng)量大、焓差小等特點(diǎn)。溫濕度控制，常年制冷運(yùn)行，可靠性高。

三、數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能措施

1.利用自然冷源。

機(jī)房空調(diào)一年四季都需要制冷，而當(dāng)室外溫度變化的季節(jié)低于室內(nèi)溫度時(shí)，自然界的冷源非常豐富，如何利用自然冷源進(jìn)行制冷是節(jié)能的關(guān)鍵。減少機(jī)房空調(diào)的排放。根據(jù)采用的各種技術(shù)措施，可分為新風(fēng)自然冷卻、乙二醇雙冷源系統(tǒng)和氟泵空調(diào)系統(tǒng)。

（1）新風(fēng)自然冷卻。

外部空氣自然冷卻是通過(guò)向機(jī)房輸送低溫外部空氣來(lái)IT設(shè)備散熱，它由進(jìn)（出）風(fēng)管道、風(fēng)扇及其控制系統(tǒng)組成。在冬春秋季過(guò)渡期，當(dāng)室外溫度較低時(shí)，啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)，過(guò)濾室外冷空氣，然后進(jìn)入機(jī)房自動(dòng)散熱。新風(fēng)雖然是直接流入的過(guò)濾，但不建議在大型機(jī)房使用，因?yàn)榛覊m不可避免地進(jìn)入，降低機(jī)房的清潔度，影響通信設(shè)備的安全?？捎糜趯?duì)潔凈度要求較高的通信樞紐建筑、一般機(jī)房、小型基站等。

（2）乙二醇雙冷源。

圖1 乙二醇雙冷源空調(diào)系統(tǒng)示意圖

因?yàn)橐叶嫉哪厅c(diǎn)比較低，室外溫度低時(shí)不容易結(jié)冰。使用自然冷卻源。當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，蒸汽制冷循環(huán)系統(tǒng)開(kāi)啟，自然冷源循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉。當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)，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(kāi)啟，此循環(huán)過(guò)程中的制冷劑為乙二醇，在水泵的作用下，乙二醇進(jìn)入室內(nèi)熱交換器并帶走機(jī)房的熱量。乙二醇溫度升高，將其傳到外界環(huán)境中。在兩個(gè)循環(huán)中，水泵的功耗都遠(yuǎn)低于壓縮機(jī)的功耗，具有很大的節(jié)能潛力。內(nèi)蒙古某移動(dòng)公司的中央機(jī)房通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用受益匪淺。

（3）氟泵空調(diào)（圖2）。

圖2 氟泵空調(diào)系統(tǒng)示意圖

氟泵空調(diào)是一種與風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)配套的節(jié)能產(chǎn)品。傳統(tǒng)落地式空調(diào)在冬季室外環(huán)境較低時(shí)，仍需制冷，室外自然冷源沒(méi)有得到充分利用，節(jié)能效果較差?？照{(diào)系統(tǒng)可根據(jù)這些情況進(jìn)行改造升級(jí)，可在現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)中加裝氟泵機(jī)組，控制系統(tǒng)在冬季外部環(huán)境低時(shí)關(guān)閉壓縮機(jī)，開(kāi)啟氟泵制冷泵系統(tǒng)損耗。制冷劑在氟泵的作用下在室內(nèi)外換熱器之間循環(huán)，帶走機(jī)房的熱量。通過(guò)對(duì)氟泵的改造，充分利用20 攝氏度以下的外部自然冷源，在保證制冷量的同時(shí)，減少壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，最大可節(jié)能40%。一次氟泵制冷循環(huán)的耗電量?jī)H為0.75-1.5kW，遠(yuǎn)低于同等制冷量的壓縮機(jī)的耗電量，是節(jié)能的主要來(lái)源。

2.優(yōu)化氣流組織。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)氣流組織的形狀是影響空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要因素，空調(diào)過(guò)程中阻力越低，冷熱空氣隔離越好，越小損失。制冷、空調(diào)主機(jī)運(yùn)行效果越高，能效比越好。然而，往往空調(diào)設(shè)計(jì)不合理或沒(méi)有進(jìn)行CFD 軟件模擬測(cè)試，導(dǎo)致冷氣流利用率低，造成空調(diào)系統(tǒng)能耗浪費(fèi)。

（1）安裝盲板。

數(shù)據(jù)中心有幾個(gè)機(jī)柜，但是由于設(shè)備數(shù)量少，機(jī)柜分布不均，大部分冷空氣沒(méi)有經(jīng)過(guò)設(shè)備直接進(jìn)入機(jī)房，造成空氣短缺?？照{(diào)的制冷效率因?yàn)榭照{(diào)供應(yīng)不暢而大大降低。如何在機(jī)柜內(nèi)安裝擋板和在數(shù)據(jù)中心安裝盲板來(lái)阻擋熱空氣短路循環(huán)的路徑，簡(jiǎn)單可行?？蓽p少冷風(fēng)短路，提高空調(diào)制冷效率（圖3）。

圖3 安裝盲板前后氣流示意圖

（2）合理布置。

在機(jī)柜布局方面，常規(guī)機(jī)房通常與正面同向布置，缺點(diǎn)是前排機(jī)柜產(chǎn)生的熱空氣被后排機(jī)柜吸收，熱氣流和冷風(fēng)混入嚴(yán)重，降低了制冷效果不好。當(dāng)機(jī)柜以“面對(duì)面、背靠背”的方式布置時(shí)（圖4），可以形成冷熱通道交替，防止冷冷氣流短路，提高利用率。的冷空氣。

圖4 機(jī)房“面對(duì)面，背對(duì)背”排列示意圖

（3）封閉冷通道（圖5）。

圖5 封閉冷通道示意圖

櫥柜以“面對(duì)面”的方式排列。冷通道機(jī)柜頂部與整排機(jī)柜兩端封閉，實(shí)現(xiàn)冷通道密封，降耗減排。使冷空氣直接流入數(shù)據(jù)設(shè)備，使數(shù)據(jù)設(shè)備完全冷卻，并使從數(shù)據(jù)設(shè)備帶走熱量的熱氣流返回機(jī)房空氣。輕輕調(diào)理。冷通道密封件限制來(lái)自機(jī)房空調(diào)的冷氣流。冷氣流通過(guò)直接冷卻設(shè)備解決了這個(gè)問(wèn)題，消除了以前“先冷卻環(huán)境，后冷卻設(shè)備”導(dǎo)致空氣混合嚴(yán)重的缺點(diǎn)。機(jī)房局部過(guò)熱問(wèn)題，提高空調(diào)效率，降低機(jī)房能耗。

3.采用新型空調(diào)末端。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心將精密空調(diào)主機(jī)放置在機(jī)房的兩端，通過(guò)地板下送風(fēng)或風(fēng)罩送風(fēng)對(duì)整個(gè)機(jī)房進(jìn)行散熱，然后對(duì)機(jī)柜進(jìn)行散熱?？照{(diào)趨于局部化，同時(shí)冷空氣長(zhǎng)距離輸送到熱點(diǎn)，不得不依靠大功率離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行輸送，大功率風(fēng)機(jī)的功耗最終轉(zhuǎn)化為熱量，其中一些熱量必須由冷卻系統(tǒng)承擔(dān)。采用新型熱管背板、排對(duì)排熱管、吸頂熱管等空調(diào)終端，可實(shí)現(xiàn)按需制冷，消除局部熱點(diǎn)，防止進(jìn)水。消除機(jī)房，消除機(jī)房安全隱患。

熱管背板空調(diào)由熱管背板冷卻終端、冷量分配單元（CDU）和冷源設(shè)備組成（圖6）。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，服務(wù)器排出的熱空氣間接與安裝在機(jī)柜后部的制冷終端中的工作流體進(jìn)行熱交換，變成冷空氣排放到室內(nèi)環(huán)境中。在冷卻終端內(nèi)循環(huán)的工作流體通過(guò)相變傳遞熱量，熱量由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，熱量通過(guò)氣體管道輸送到CDU。與CDU 內(nèi)的冷水進(jìn)行熱交換，循環(huán)工質(zhì)提供的循環(huán)工質(zhì)和室外系統(tǒng)的冷源設(shè)備由氣態(tài)冷卻為液態(tài)，然后依靠自身重力回流至冷源設(shè)備。冷卻終端沿制冷劑液體管道完成完整的熱循環(huán)。以這種順序向室外連續(xù)進(jìn)行熱傳遞。

圖6 熱管背板運(yùn)行原理示意圖

熱管背板靠近熱源安裝，換熱效率非常高，系統(tǒng)依靠重力循環(huán)，無(wú)功耗，采用平行流換熱器，比傳統(tǒng)銅管效率提高30%以上管鋁翅片。

4.采用變頻設(shè)備。

數(shù)據(jù)中心的能耗因室外環(huán)境溫度和室內(nèi)IT 負(fù)載而異。冷水機(jī)組大多在部分負(fù)載下運(yùn)行。變頻冷水機(jī)可以提高部分負(fù)荷的能效和整體能效。降低冷卻水溫度下運(yùn)行顯著改善，同時(shí)冷卻水泵、冷卻水泵和末端空調(diào)EC 風(fēng)機(jī)每年可節(jié)約20%左右的能耗水冷系統(tǒng)均采用變頻設(shè)備，可根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)到IT 負(fù)載，而且還可以大量保存。

5.智能化群控管理。

數(shù)據(jù)中心的空調(diào)設(shè)備一般設(shè)計(jì)為安全的N+X 模式運(yùn)行，由于機(jī)房IT 設(shè)備負(fù)載設(shè)備的功耗每時(shí)每刻都在變化，機(jī)房?jī)?nèi)的熱量不受控制，所有風(fēng)扇都在最大運(yùn)行速度?？照{(diào)的壓縮機(jī)是根據(jù)自己的需要來(lái)控制的，這種方法不節(jié)能。當(dāng)冗余設(shè)備關(guān)閉時(shí)，很難了解機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織和溫度變化規(guī)律，如果不及時(shí)進(jìn)行人工控制，很容易造成安全問(wèn)題。因此，數(shù)據(jù)中心的智能群控管理對(duì)機(jī)房節(jié)能起到了重要的作用。

數(shù)據(jù)中心智能管理系統(tǒng)基于良好的控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅為機(jī)房的運(yùn)行帶來(lái)顯著的節(jié)能效果，而且有助于機(jī)房的安全運(yùn)行?？梢源蟠笱娱L(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，成為綠色機(jī)房的重要舉措。智能群控管理的思路是在保證機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，減少雙空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，降低整個(gè)機(jī)房的能耗。循環(huán)功能可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)功能，避免競(jìng)爭(zhēng)運(yùn)行功能，延時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)功能。通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng)，可以在保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的精準(zhǔn)節(jié)能。

結(jié)語(yǔ)：

本文從上述角度對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能問(wèn)題進(jìn)行研究分析，根據(jù)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)域情況分析出最合適的節(jié)能方案。可維護(hù)、可靠和可靠在安全前提下最大化數(shù)據(jù)中心技術(shù)。最大限度地利用自然冷源，利用CFD 模擬氣流實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)送風(fēng)，采用芯片級(jí)散熱，將是未來(lái)數(shù)據(jù)中心空調(diào)的發(fā)展方向。