数据中心空调节能设计技术措施研究

数据中心空调节能设计技术措施研究
发布时间：2022-09-22T09:35:47.199Z 来源：《工程建设标准化》2022年第5月10期作者：江诗兵
[导读] 数据中心核心机柜的散热甚至达到2000w/m2以上，抵消此散热的能耗中空调能耗占比80%以上
江诗兵
中国电子系统工程第四建设有限公司河北石家庄 050000
摘要数据中心核心机柜的散热甚至达到2000w/m2以上，抵消此散热的能耗中空调能耗占比80%以上，很显然空调能耗降低，于国于民意义重大；这部分热量主要以显热为主，通过充分利用自然冷源、提高热交换效率，可以减少能源消耗，降低PUE值。

在数据中心的建设中地域的选择、自然冷源的利用方式、能量的输送方式、末端盘管的排列方式是降低能耗的重要技术措施，总结各种能耗的降低措施和分析方法为数据中心的设计、施工、运维提供强有力的技术保证。

关键词数据中心能耗分析节能措施
0引言
现代物联网、云计算、互联网、大数据中心等现代化信息技术已经成为国家经济的重要支柱。

信息化的基础是数据中心，可以说没有数据中心就没有信息化的发展。

决定数据中心级别的因数很多，比如容错系统、宕机时间、电源系统、区域备份等，但是数据中心的能耗PUE（新政要求小于1.3）指标无疑是需要考虑的重要因数。

而PUE的考虑因数包括：IT设备的能耗，空调的能耗、供电能耗。

其中空调能耗约占总能耗的40%以上，是本论文研究的重点方向。

1 数据中心的特点和能源消耗
1.1特点
数据中心能源消耗的技术特点
1热负荷强度高，设备散热量大，散湿量小，（甚至达到2000w/m2)
2显热比高，冷水供水7~21℃，回水可以在12~27温度之间
3循环送风采用大风量，小焓差
4全年供冷运行，负荷变动不大
5要求可靠性高
6机柜进风温度范围:18~27℃，小于60%，露点5.5~15之间
1.2 能源消耗
数据中心的能耗主要包括IT机柜的耗电、空调的耗电以及供电能耗。

图1 数据中心能源消耗结构分析
1.3 能源消耗
由图1可以看出数据中心的能源消耗包括：数据机柜、冷热源设备（冷冻机、冷却塔、风机、水泵、空调机等能量输送设备）、照明以及电气设备产生的无功功率损耗等，其中数据机柜所消耗的能源最大，这部分能源属于机柜的固定属性，能耗大小主要在于业主的选择，不在本文讨论的范围内，但是在抵消机柜散热所产生的能耗中，冷热源设备是能耗大户，占比达到能耗的40%以上。

本文重点讨论冷源设备和风机水泵空调等能量输送设备对能源消耗的影响
2自然冷源的利用
2.1 冷却塔直接供冷
措施：在室外空气湿球温度低于空调送水温度时，启动冷却塔直接供应冷冻水（冷冻机作为备用能源），减少冷冻机全年能源消耗（自由冷却时冷冻机能耗为零）。

分析方法：比较数据中心所在区域的可用湿球温度时间所产生的能源消耗和相同时间内冷冻机所产生的能源消耗，计算节能效果。

如下图所示，室外冷却塔也可以采用闭式冷却塔，但是初投资较大。

冷冻水供水温度的选取：数据中心经常考虑采用温湿度独立控制方案，由高温冷水处理显热负荷，新风进行独立的加湿或除湿。

冷水供水温度取值，直接受机柜进风温度取值的影响。

ASHARE推荐的机柜进风温度宜取20~25℃，允许范围是18~27℃。

考虑到空气-水换热器空气侧阻力降的影响，逼近度（即送风温度与冷水供水温度之差）取6℃，送风温度设定18℃，冷水供回水温度为12/18℃，当然送风温度还可进一步提高，负荷侧供水温度也随之升高，主机能效提高，在冷却塔供冷时，冷却塔出水温度相应升高，延长冷却塔供冷时限。

冷却塔选型：冷却塔的冷却能力是冷却塔供冷的核心，按夏季标准工况进出水温度32℃/37℃和湿球温度28℃制造的冷却塔在冬季使用时，假设冷却塔进出水温差与流量不变，冬季水分子的运动动能及扩散能力降低，水的蒸发量减少，冷却塔的冷却能力急剧下降，即在相同的冷却水供回水温差与流量条件下，冷却塔在冬季比夏季更难于散热。

若要获得与夏季相同的换热量和水温降，必须加大冷却塔出水温度与室外湿球温度的差值，靠显热交换获得冷却量。

由于数据中心基本是常年稳定的冷负荷，按夏季工况选择的冷却塔在冬季用作自然冷却时，要求其提供的冷却量要基本不变，因此，数据中心采用冷却塔供冷时，为了更好节能，应尽量延长自然冷却时间，通常按冬季完全自然冷却工况选型，并对夏季极端湿球温度进行校核，以满足数据中心可靠性的要求。

一般情况下，北方地区按冬季工况选型的冷却塔都能满足夏季工况，塔型结合夏季工况灵活配置。

数据中心能耗问题：分析了冷却塔供冷的关键因素，如热工曲线、湿球温度、工况切换点等，建议冷却塔厂家应提供冬季供冷工况下热工曲线等信息，冷却塔供冷按冬季工况选取，夏季校核，结合夏季工况灵活配置，指出冬季供冷以小于冷却塔的额定流量来获取较低出
水温度延长冷却塔供冷时间，冷却水泵应设变频，适应管网特性曲线变化等设计方法，为数据中心节能设计提供参考与依据。

2.2 采用洁净的室外新风进行自然冷却
措施：南方地区四季分明，冬季的年平均温度为2.5~4℃，适度为30%~65%之间，从11月到第二年的4月，室外温度一般在20℃以下，10月和5月上旬的夜间温度在22℃以下，这样估算每年能利用外界自然能源的时间有6到7个月。

如果将这个时间的室外新风引入数据机房直接降温，将会节省全年能耗40%以上。

分析方法：机房智能控制节能通风系统在确保机房运行环境要求的前提下，根据机房室内外的温度、湿度检测、焓值进行逻辑判断，在满足必要条件时，自动控制机房原有空调设备的启、停，引入室外洁净空气（经过静电除尘和中效过滤器）对机房进行冷却，有效降低机房空调的运行时间，延长空调使用寿命，达到利用自然能源进行降温的目的。

2.3 采用双循环的氟泵空调
措施：当室外气温高于20℃时，采用常规压缩机-蒸发器进行制冷，当室外气温低于20℃时，自动切换到采用氟泵空调进行制冷，利用氟利昂在室内外温差环境产生的相变进行制冷，此时制冷量的功耗仅为压缩机的一般不到。

2.4 热管制冷空调系统
措施及分析方法：热管是一种具有特高导热性能的传热单元，最初使用在航天领域。

热管空调的特点是安全可靠，双向空气隔离，传热介质的空气品质互相不受干扰，不改变机房的洁净度，产品多样化，在机站换热中大规模使用，并且安装方便。

2.5 乙二醇双能源的使用
措施：干冷器自然冷却主要在缺水干旱地区使用，干冷器通过散热器与室外低温空气进行换热，散热器的冷却液（一般为乙二醇）温度降低，冷却介质再与冷冻水系统通过板式换热器进行交换，满足数据机房对冷冻水温度的要求，不开启制冷机，降低能耗。

分析：规范要求机房送风温度18℃~27℃之间，湿度小于60%,取送风温度为25℃，供回水温差取6℃，板换的乙二醇供液与冷冻水供水温差取2℃，干冷器与室外干球温度差取8℃，则当室外干球温度小于等于8℃时，可进入完全自然冷却模式。

3 冷热源设备的选择
3.1 从供电角度，高低压制冷机组的选择
措施：从能源消耗的角度，尽量采用低压变频机组。

不宜采用高压机组。

分析方法：在50%以下的负荷时，高压冷水机组的COP明显高于低压冷水机组，但是数据中心的负荷基本恒定，除了在初期运行阶段外，其余时间大部分在超过50%的负荷下运行，在50%以上的负荷状态下，低压冷冻机的COP值较高，大概能提高5%左右（厂家不同，数据不同）
3.2 提高供水温度，增加供水温差
措施：冷冻水供水温度采用13~16℃左右，供回水温差6~7℃
分析：规范要求机房送风温度18℃~27℃之间，湿度小于60%；机房的最高回风温度不超过35°即可，这样提高冷冻水温度到
13~16℃，可以提高冷冻机的COP值，增加供回水温度差不仅可以提高制冷机的COP，而且可以降低水泵的流量，减少初投资，提高整个系统的COP值。

4 机房气流组织优化
4.1 风管送风的气流组织方式
措施：数据机房内未分冷热通道，空调冷风直接送入数据机房内，先与室内空气混合后再进入机柜，冷却机柜后的热气流直接排入数据机房
本措施在数据中心初期使用较多，但由于送回风混合导致能源利用率低，目前在较大型数据机房中不太采用。

4.2 封闭冷通道的气流方式
措施：数据机房内机柜面对面、背靠背布置，机柜的进风侧隔出了冷通道，空调冷风先经过架空地板进入冷通道，然后再进入机柜，冷却机柜后的热气流直接排入数据机房内。

4.3 封闭热通道的气流方式
措施：数据机房内机柜面对面，背靠背布置，机柜的排风侧隔出封闭的热通道，空调冷风直接送入机房，然后再经过机柜，冷却后排入热通道。

如上图所示：气流通道的缺点在于如果个别机柜空置将导致气流短路（插线头也需要尽量密封处理）
5 末端盘管形式
5.1 背板制冷
措施：背板式制冷盘管直接贴在机柜出风侧，贴近末端制冷，能够布置的盘管数量可以与机柜相同，可以满足较高机柜密度的要求，但是盘管贴近机柜需要消耗机柜风扇的能耗，另外，一旦泄露，后果极其严重。

5.2 OCU制冷
措施：OCU制冷盘管直接放置在IT机柜的正上方，贴近末端制冷，可以满足较高机柜密度的要求，但是盘管贴近机柜消耗机柜风扇的能耗。

缺点也是一旦泄露，后果严重。

5.3 列间空调制冷
措施：列间空调置于IT列柜间，贴近末端制冷，可以满足较高机柜密度的要求，但是，空调贴近机柜会占用机房空间，浪费面积，此
种方式的风险也较大，一旦泄露，后果严重。

5.4 干盘管+EC风机
措施：采用类似洁净厂房FFU+干盘的形式进行制冷，气流形式为冷通道送风，干盘管可以放在吊顶上部，也可以放在送回风夹道，也可以采用高架地板形成冷通道送风。

此方式适用于较大型的数据机房
6 结语
数据中心能耗降低的设计方法直接影响该数据中心的PUE值，本论文从数据中心的选址-自然冷源的应用，机房气流组织形式，末端盘管的布置等角度对节能措施进行了总结，并对一些常用的措施进行了简洁的分析，希望通过本论文的学习、探讨，对数据中心节能设计技术措施提供一些帮助。

参考文献
[1][标准] 数据中心设计规范，北京，中国计划出版社
[2][著作] Hwaiyu Geng .Date Center Handbook[ M ] John Wiley and Sons 2015
[3][论文] 关于上海数据中心针对新政要求PUE小于1.3的节能对策，节能，2019.9。