數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及節(jié)能技術(shù)措施

黃志喜（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

從 “新基建”概念被提出至今互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center，IDC)產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入快速發(fā)展階段，然而 IDC 的快速發(fā)展伴隨著高能耗，給社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，甚至可以說(shuō)高能耗已成為制約 IDC 行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性因素之一。如何降低數(shù)據(jù)中心能耗，提高其能效，建設(shè)低碳、環(huán)保、綠色、高效的數(shù)據(jù)中心已成為專家學(xué)者們熱衷探討的話題。本文從數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，介紹了數(shù)據(jù)中心的分類、數(shù)據(jù)機(jī)房對(duì)環(huán)境的要求、機(jī)房冷負(fù)荷的計(jì)算方法，分析了空調(diào)送風(fēng)的氣流組織和數(shù)據(jù)中心的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)措施進(jìn)行了探討，為行業(yè)的發(fā)展提供一些參考。

1 數(shù)據(jù)中心分類

數(shù)據(jù)中心一般包括主機(jī)房、輔助我、支持我和行政管理我等，按照不同的方法又可以將其劃分為不同的類型[1]。

1.1 按數(shù)據(jù)的重要性劃分

根據(jù)使用性和數(shù)據(jù)的重要性程度，可將數(shù)據(jù)中心分為A、B、C 三級(jí)。A 級(jí)是指當(dāng)電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失或造成公共場(chǎng)所秩序嚴(yán)重混亂的情況發(fā)生；B級(jí)是指當(dāng)電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失或造成公共場(chǎng)所秩序混亂的情況發(fā)生；C 級(jí)是指除了 A 級(jí)和 B 級(jí)兩種情況外對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)中心[2]。

1.2 按規(guī)模劃分

根據(jù)機(jī)柜的數(shù)量可將數(shù)據(jù)中心劃分為微型、小型、中型、大型和超大型等，其規(guī)模劃分如表 1 所示。

表1 數(shù)據(jù)中心規(guī)模分類

1.3 按冷卻方式劃分

按機(jī)柜不同的冷卻方式可將數(shù)據(jù)中心劃分為風(fēng)冷式和液冷式兩種[3]。風(fēng)冷式是目前技術(shù)最成熟和使用最廣泛的一種方式，但缺點(diǎn)是單柜功率受限，一般只能使用在單柜功率 6 KW 及以下的數(shù)據(jù)中心。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、我塊鏈等新技術(shù)的快速發(fā)展，其對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和分析能力要求不斷提高，同時(shí)受限于機(jī)房面積和節(jié)能要求，傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)已不能滿足需求，基于此一種新型的冷卻技術(shù)-液冷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。液冷技術(shù)是指采用液體作為冷媒取代傳統(tǒng)的冷風(fēng)將服務(wù)器產(chǎn)生的熱量帶走[4]。液冷分為有相變液冷和無(wú)相變液冷，液冷技術(shù)冷卻效率更高，使單柜功率能做到更大，節(jié)約機(jī)房面積的同時(shí)提高了服務(wù)器的使用效率和穩(wěn)定性，同時(shí)液冷相比于傳統(tǒng)的風(fēng)冷更加節(jié)能，運(yùn)行噪聲更低，液冷技術(shù)使數(shù)據(jù)中心的選址不受海拔和地域的限制，液冷產(chǎn)生的余熱還可回收利用，節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1.4 按制冷方式劃分

按不同的制冷方式可以將數(shù)據(jù)中心劃分為直膨式風(fēng)冷型、直膨式水冷型、冷凍水型和雙冷源型，直膨式風(fēng)冷型是指數(shù)據(jù)機(jī)房精密空調(diào)自帶制冷壓縮機(jī)，其冷凝器采用風(fēng)冷式；直膨式水冷型是指機(jī)房精密空調(diào)自帶制冷壓縮機(jī)，內(nèi)加一個(gè)板式換熱器，其冷凝器采用水冷式（冷卻塔）；冷凍水型是指機(jī)房精密空調(diào)不帶制冷壓縮機(jī)，精密空調(diào)內(nèi)安裝有冷凍水盤(pán)管，通過(guò)冷凍水把機(jī)房?jī)?nèi)熱量帶走；雙冷源型是指機(jī)房精密空調(diào)既自帶制冷壓縮機(jī)又安裝有冷凍水盤(pán)管，二者結(jié)合，當(dāng)一種冷源出現(xiàn)故障時(shí)投入另一種冷源進(jìn)行制冷，可靠性更高。

2 機(jī)房對(duì)環(huán)境的要求

2.1 對(duì)溫、濕度的要求

主機(jī)房和輔助我內(nèi)的溫、濕度、露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度應(yīng)能滿足電子信息設(shè)備的使用要求，一般冷通道或機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)為 18～27℃，露點(diǎn)溫度宜為 5.5～15 ℃，相對(duì)濕度不宜大于60%，輔助我的溫度和相對(duì)濕度一般設(shè)為18～28℃ 和 35%～75%。表 2、表 3 為機(jī)房在開(kāi)機(jī)和停機(jī)時(shí)的溫濕度要求[1]。

表2 開(kāi)機(jī)時(shí)機(jī)房溫、濕度要求

2.2 對(duì)潔凈度的要求

為了避免電子信息設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路等故障，保障電子信息設(shè)備安全運(yùn)行，數(shù)據(jù)機(jī)房對(duì)空氣中的懸浮粒子濃度有嚴(yán)格的要求，除了要求微正壓運(yùn)行之外，還要求機(jī)房?jī)?nèi)每立方米空氣中粒徑 ≥0.5 μm 的懸浮粒子數(shù) ≤18×106 個(gè)，相當(dāng)于潔凈度等級(jí)要求為 8.7 級(jí)左右。數(shù)據(jù)中心裝修后其室內(nèi)空氣質(zhì)量還應(yīng)滿足 GB 50174—2017《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)要求[1]。

為了防止外部灰塵進(jìn)入主機(jī)房，主機(jī)房要求微正壓運(yùn)行，一般要求主機(jī)房與其他房間、走廊的壓差≥5 Pa，與室外靜壓差 ≥10 Pa。設(shè)有空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)的，其新風(fēng)量還應(yīng)按工作人員每人 40 m3/h 新風(fēng)量和維持室內(nèi)正壓所需新風(fēng)量中的較大值來(lái)取。

3 負(fù)荷計(jì)算

3.1 冷負(fù)荷的構(gòu)成

數(shù)據(jù)中心夏季冷負(fù)荷主要包括顯熱負(fù)荷、潛熱負(fù)荷（即濕負(fù)荷）和附加冷負(fù)荷，其中以顯熱負(fù)荷為主。

顯熱負(fù)荷主要包括：①電子及其他設(shè)備的散熱量；②通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入而形成負(fù)荷的熱量；③通過(guò)透明外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入的太陽(yáng)輻射熱量；④人體散熱；⑤照明設(shè)備散熱；⑥新風(fēng)負(fù)荷。濕負(fù)荷主要包括：①人體散濕；②新風(fēng)濕負(fù)荷；③空氣滲漏帶入的濕負(fù)荷；④圍護(hù)結(jié)構(gòu)散濕；⑤伴隨各種散濕過(guò)程產(chǎn)生的濕負(fù)荷。附加冷負(fù)荷主要包括以下兩方面：①空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)和管道溫升引起的附加冷負(fù)荷；②冷水通過(guò)水泵、管道、水箱溫升引起的附加冷負(fù)荷。計(jì)算時(shí)溫升可按0.5～1 ℃ 取值。

3.2 冷負(fù)荷的估算

當(dāng)項(xiàng)目處在方案或初步設(shè)計(jì)階段時(shí)，由于缺乏具體的數(shù)據(jù)，空調(diào)冷負(fù)荷還無(wú)法精確計(jì)算，這時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用面積指標(biāo)估算法進(jìn)行估算，便于對(duì)整個(gè)項(xiàng)目前期的投資估算。常采用的一些冷負(fù)荷面積指標(biāo)如表 4 所示。

表4 冷負(fù)荷面積估算指標(biāo)

4 氣流組織

當(dāng)機(jī)柜采用風(fēng)冷式時(shí)，其氣流組織常采用的形式有：①下送風(fēng)上回風(fēng)（或側(cè)回風(fēng)）；②上送風(fēng)上回風(fēng)（或側(cè)回風(fēng)）；③側(cè)送風(fēng)上回風(fēng)（或側(cè)回風(fēng)）。一般當(dāng)單臺(tái)機(jī)柜發(fā)熱量大于 4 kW 時(shí)，其氣流組織宜采用下送風(fēng)上回風(fēng)、機(jī)柜行間前送風(fēng)后回風(fēng)等方式，而且宜采用冷熱通道隔離措施，如冷通道封閉或熱通道封閉。從節(jié)能的角度來(lái)看，采用冷熱通道封閉的形式有利于提高空調(diào)和機(jī)房的利用率，使單臺(tái)機(jī)柜的功率能做到更大，而采用機(jī)柜行間前送風(fēng)后回風(fēng)的氣流組織方式可以降低風(fēng)阻，從而可以降低風(fēng)機(jī)的壓頭，提高風(fēng)機(jī)的能效和減少初投資。目前用得較多的氣流組織是下送風(fēng)上回風(fēng)，采用這種氣流組織的優(yōu)點(diǎn)是在防靜電地板下面形成一個(gè)巨大的靜壓箱，使送風(fēng)均勻，機(jī)房?jī)?nèi)的溫濕度控制較好，缺點(diǎn)是機(jī)房要求鋪設(shè)至少 500 mm 高的架空防靜電地板，且樓板需要做一層保溫隔熱層，不過(guò)這種氣流組織容易實(shí)現(xiàn)機(jī)房各專業(yè)的下走線，布置起來(lái)方便美觀，適用于層高較高的機(jī)房。

5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于數(shù)據(jù)中心，目前常采用的一些評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：①電能利用效率（PUE）；②局部電能利用效率（pPUE）；③制冷/供電負(fù)載系數(shù)（CLF/PLF）；④可再生能源利用率（RER）。

5.1 電能利用效率（PUE）

電能利用效率（PUE）是指數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有用電設(shè)備消耗的總電能與所有電子信息設(shè)備消耗的總電能的比值，用來(lái)表征數(shù)據(jù)中心電能利用系數(shù)的參數(shù)。其計(jì)算公式為：PUE=數(shù)據(jù)中心總的耗電量/IT 設(shè)備總的耗電量。PUE的取值范圍理論上是[1,＋∞），其值越接近1就說(shuō)明數(shù)據(jù)中心總的耗電量中用在 IT 設(shè)備上“有意義”的用電量越多，說(shuō)明其電能利用效率越高。PUE 定義簡(jiǎn)單、易于操作，只要分別測(cè)量或計(jì)算出數(shù)據(jù)中心總的耗電量和 IT 設(shè)備總的耗電量，就能計(jì)算出數(shù)據(jù)中心的 PUE，該評(píng)價(jià)指標(biāo)也是目前業(yè)內(nèi)普遍接受和采用的。

5.2 局部電能利用效率（pPUE）

局部電能利用效率（pPUE）是數(shù)據(jù)中心PUE概念的衍生，用于對(duì)數(shù)據(jù)中心局部我域或設(shè)備的能效進(jìn)行評(píng)估和分析，主要適用于基于集裝箱、模塊化數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)中心機(jī)房群的局部能效評(píng)價(jià)。其計(jì)算公式為：pPUE=數(shù)據(jù)中心某個(gè)分我總的耗電量/某個(gè)分我 IT 設(shè)備總的耗電量。在利用pPUE 對(duì)數(shù)據(jù)中心能效進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分我，然后分別計(jì)算每個(gè)我域的 pPUE 值。pPUE 值反映的是數(shù)據(jù)中心局部的電能利用效率，其值可能大于或小于正體的 PUE 值，所以要想提高整個(gè)數(shù)據(jù)中心的 PUE 值一般先從提升 pPUE 值較大的分我的能效開(kāi)始。

5.3 制冷/供電負(fù)載系數(shù)（CLF/PLF）

制冷負(fù)載系數(shù)（CLF）是指數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備耗電量與IT 設(shè)備耗電量的比值，即 CLF=制冷設(shè)備耗電量/IT 設(shè)備耗電量；供電負(fù)載系數(shù)（PLF）是指數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)耗電量與 IT 設(shè)備耗電量的比值，即 PLF=供配電系統(tǒng)耗電量/IT 設(shè)備耗電量。這兩個(gè)指標(biāo)是 PUE 的補(bǔ)充和深化，通過(guò)計(jì)算這兩個(gè)指標(biāo)，可以進(jìn)一步了解和分析制冷系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)的能源效率。

5.4 可再生能源利用率（RER）

可再生能源利用率（RER）是指數(shù)據(jù)中心總的耗電量中可再生能源供電量的占比，即 RER=可再生能源供電量/數(shù)據(jù)中心總耗電量。我國(guó)電能形式多樣，這使得數(shù)據(jù)中心的電源有多種選擇，可再生能源的利用使數(shù)據(jù)中心更符合低碳、環(huán)保、綠色的發(fā)展理念，因此用可再生能源利用率（RER）來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心的顯得很有必要，將使數(shù)據(jù)中心行業(yè)不斷朝著可持續(xù)的方向發(fā)展，有助于國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。

6 節(jié)能技術(shù)措施

目前數(shù)據(jù)中心常采用的節(jié)能技術(shù)措施主要有：①冷（熱）通道封閉技術(shù)；②自然冷卻技術(shù)；③蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

機(jī)柜的氣流組織采用冷（熱）通道封閉技術(shù)，可以防止氣流短路，使冷風(fēng)對(duì)設(shè)備的冷卻更有針對(duì)性和高效，使單機(jī)柜的功率做得更大，從而減少機(jī)房面積和提高空調(diào)系統(tǒng)利用率，同時(shí)采用冷（熱）通道封閉技術(shù)還可以減少氣流阻力，從而減少風(fēng)機(jī)壓頭，提高風(fēng)機(jī)的能效和減少初投資，具有一定的節(jié)能效果。自然冷卻技術(shù)是指利用天然冷源，把數(shù)據(jù)中心建在常年氣候較干燥和較低的地方，尤其是濕球溫度＜ 18℃ 的時(shí)間在一年中占比較大的地方，這樣可以增加采用風(fēng)冷或水冷技術(shù)給機(jī)柜冷卻的時(shí)間，減少電制冷運(yùn)行的時(shí)間，從而降低能耗，同時(shí)電制冷設(shè)備在這些地方的運(yùn)行效率也會(huì)更高，因此自然冷卻技術(shù)具有很可觀的節(jié)能效果。蒸發(fā)冷卻技術(shù)包括直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻，直接蒸發(fā)冷卻是空氣與水直接接觸，通過(guò)水自身的蒸發(fā)吸熱帶走自身熱量的一種冷卻技術(shù)，是等焓過(guò)程，如開(kāi)式冷卻塔；間接蒸發(fā)冷卻是通過(guò)水蒸發(fā)產(chǎn)生的冷量去冷卻空氣，水和空氣不直接接觸，如目前各廠家都在推的一些間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組[6]。如果說(shuō)自然冷卻技術(shù)的應(yīng)用受地域的影響而局限性較大，那么蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用地域范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)就較廣，因?yàn)閺睦碚搧?lái)講直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的極限冷卻溫度是可以達(dá)到空氣濕球溫度的，間接蒸發(fā)冷卻的極限冷卻溫度是可以達(dá)到空氣露點(diǎn)溫度和濕球溫度之間的，它們所能提供的冷卻介質(zhì)溫度都較低，機(jī)柜的送風(fēng)溫度一般在 18℃～27℃ 之間，所以蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生的這些冷卻介質(zhì)可以直接被機(jī)房所利用[7]。一般來(lái)說(shuō)，夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度較低且水資源允許的地方宜采用直接蒸發(fā)冷卻，露點(diǎn)溫度較低的地方宜采用間接蒸發(fā)冷卻[8]。有研究表明，間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)相比傳統(tǒng)的電制冷技術(shù)一般可以節(jié)約 45% 的能耗，因此間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)節(jié)能潛力巨大[9]。

7 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心能耗大，目前該行業(yè)還存在很大的節(jié)能潛力，相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能潛力一定會(huì)得到深挖，同時(shí)我們?cè)诮窈蟮墓こ淘O(shè)計(jì)中也應(yīng)因地制宜，根據(jù)項(xiàng)目的不同特點(diǎn)采用合適的制冷方式和節(jié)能技術(shù)措施，共同推進(jìn)數(shù)據(jù)中心行業(yè)朝著節(jié)能、高效、綠色、環(huán)保、低碳的可持續(xù)方向發(fā)展。