数据中心空调系统节能设计分析及方法探究

数据中心空调系统节能设计分析及方法探究

发表时间：2019-08-06T15:46:25.110Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年8期作者：傅永洪

[导读] 空调系统作为保证数据中心的稳定高效运转必不可少的措施，经过专业研究有着极大的节能减排的挖掘余地。

浙江新大新暖通设备有限公司浙江金华 321000

摘要：伴随着大数据时代的到来，我国的数据中心的数量与日俱增。但是数据中心的高能耗问题也成为了我国节能减排工作需要关注的一个重点问题，本文以大型数据中心空调系统作为研究对象，在分析大型数据中心空调系统的设置和特点的基础上，提出具有可实施性的节能措施，进而提高大数据中心空调系统的节能减排和能源利用率。

关键词：数据中心；空调系统；节能；分析研究

一、引言

进入大数据时代，各行各业的发展越来越离不开能够集中处理、存储和交换数据的专业数据中心，因此，各领域的数据中心建设和改造数量越来越多，规模越来越大。可以说我国的数据中心发展迅猛。但是通过系列的调查研究，可以发现我国当前的数据中心年耗电量很大，这也就意味着我国大多数的数据中心的平均电能使用效率（简称PUE=数据中心总能耗 / IT设备能耗）高，这并符合当前节能减排的发展原则。因此，我们需要通过多种形式的策略减少大数据中新的高耗能问题。其中，空调系统作为保证数据中心的稳定高效运转必不可少的措施，经过专业研究有着极大的节能减排的挖掘余地。

二、数据中心空调系统的组成

数据中心空调系统主要有制冷系统、散热系统及降温辅助系统三部分组成。

（一）制冷系统

主要是冷水机组，制冷系统的工作原理是通过转变制冷剂的高压、低压的形态，利用空气的流动性，迫使数据中心机房内部的热量流出室内。制冷系统作为保证机房温度的基础保障，是空调系统高耗能的部分之一，影响空调系统中制冷系统能源消耗的因素有机房环境温湿度、室外环境温湿度、受负载率等。

（二）散热系统

主体是风机或泵，工作原理是利用空气或水把热量从数据中心内部搬运到数据中的室外。排热系统产生足够的风量或水量以带走巨大的热量，但同时散热系统也是数据中空调系统耗能高的部分之一。影响散热能源消耗的因素是机房内部的气流组织。

（三）降温辅助

工作原理是通过冷却塔、喷头或湿式过滤器，利用水的蒸发在热量排到室外的工作过程中提供帮助。降温辅助系统可以提高换热效率，帮助空调系统把热量散发地更快。降温辅助系统的耗能比例占空调系统整体耗能比例较小。

三、数据中心空调系统高耗能解析

（一）空调系统配置不合理

由于数据中心对内部环境的恒定温湿度和空气质量都有很高的要求，但限于一些外部环境和技术升级的原因，大部分数据中心的空调系统都不引入室外新风，而采用循环风带走室内高密度的显热量。一般情况下，在室内没有湿源的条件下采用循环风的送风方式，空调系统是不用除湿的。但在数据中心空调系统的实际运行中，机房空调仍会流出冷凝水，这是因为空调在冷量输出时，冷凝水会携带冷量。因此数据中心在严格空气湿度的情况下，机房空调系统通常会一边对机房内部降温回风、冷凝除湿，另一方面又同时加湿，这种设备工作方式并不不合理，会造成大量不必要的能量浪费。

（二）机房气流组织不合理

数据中心机房内部的气流组织会对整体的散热排风效率产生极大的影响，当前的多数数据中心的气流组织都存在一些不合理的现象，主要体现在以下三方面：一是机柜排列方式不合理，把机柜面向同一个方向摆放，造成的结果就是前面服务器排出的热空气直接被后排服务器吸收，使得冷热气流混合在一起，大大拉低了空调制冷效率；二是送风通道设计不合理。一些数据中心建设规划不专业，送风管道等不符合标准，影响了空调系统的制冷能力，为了满足制冷要求会选用超出设备发热量的空调，提高了耗电量；三是地板出风口位置和空调出风口的距离设置不合理，甚至在二者之间摆放机柜，造成出风量不足、局部过热的问题。

四、数据中心空调系统的节能措施

（一）采用自然冷却技术

传统的常规制冷系统，需要制冷系统全年不间断地制冷，冷水机组全年运行运行，占据了空调系统的极大的耗电量。因此，采用自然冷却技术，可以在低温环境下，优先利用低温的自然水或风做冷源，免除了冷水机组的耗电成本。目前的自然冷却技术，主要有水侧自然冷却技术和风侧自然冷却技术两种。

（1）水侧自然冷却技术

水侧自然冷却技术，顾名思义就是在符合标准的情况下利用自然水做冷源供水。采用水侧自然冷却技术，一般需要把冷水和冷却水系统串联在板式换热器中，并把冷水的供回水温度设置成三段式：当冷却水供水温度≥16℃时，冷水机组和平时一样常规制冷，单独承担数据中心的全部冷负荷；当冷却水供水温度降到10—16℃，系统可以开始使用部分的冷水作为免费冷源，由冷水机组和免费冷源共同为空调系统提供冷负荷；当冷却水供水温度＜10℃以下时，冷水机组可以在技术设置后自动停止运行，空调系统的全部冷负荷由免费冷源提供。通过自然冷却技术，在过渡季和冬季减少了压缩机工作，这种技术十分适合在我国北方沿海范围内的寒冷湿润性气候里使用，可以大大降低数据中心空调系统的PUE值。

（2）风侧自然冷却技术

风侧自然冷却技术包括和间接利用室外新风两种方式。直接利用室外新风，是指把室外低温冷空气运用过滤、除硫等方式净化处理后，直接引进数据机房内，作为冷源冷却设备，实现节能。如全年PUE仅1.07的FACEBOOK数据中心，采用的就是直接利用新风供冷。间接利用室外新风，又称“京都制冷”，东京很多的数据中心都采用这种方式，具体是指室外低温空气不直接进机房，而是通过转轮式换热器吸

收室外冷空气的冷量，达到为数据机房降温的目的，这种方式具有制冷空气洁净度高的优点，但与直接新风相比，要经过一次换热，既降低一定的热效率，又增加了热交换转轮的耗电功率，但与传统的制冷技术相比，仍属于节能技术。（二）优化气流组织技术

对机房气流组织进行合理的优化设计，同样可以作为数据中心空调系统节能减排的一项关键举措。有效的排风方式能促进数据中心内部环境的气流通畅、提高散热速度，同时又能避免出现局部过热的问题。一般情况下，传统的给机房整体降温的思路已经满足不了数据中心的大型化发展，这样会大大增加空调系统的耗电率，因此需要采用适宜的“先冷设备、后冷环境”的思路。可以改变空调的布置形式，根据设备的平行安装，在机房内划分出距离适当、相互间隔的冷热通道，并封闭冷热通道。使制冷系统主要保障冷通道的温度，满足通信设备的要求，热通道温度适当提高，这就利用出气流稳定及冷量高效的特性，使冷量得到充分利用。采用下送上回的送风方式，在机房的地板下合理地构造一个中空区域，空调冷风通过中空部分和地板送到机房内部，并最终上升到机房顶部空间，进行热量的散发，达到数据中心空调系统的循环制冷。这种方式，可以优化气流方向，提高冷热气流输送效率。（三）数据中心空调系统变频技术

一般来说，专业生产者设计大型数据中心空调系统的制冷量都是按照最差环境下的运行状态来的确定的，因此，大数据中心的空调系统也不是全年每时每刻都在在全负荷运行。数据中心的IT 负载的能耗和它的网络访问量或运行状态是紧密联系的，根据数据中心的涉及领域的不同，它地网络访问量势必有高低峰谷的时间变化，所承担的能耗也在时刻变化。一般说来，对于日夜负荷变化较大的大型数据中心，所在空调系统就可以采用变频技术。变频技术的原理是，在不影响管路系统的阻力特性的前提下，根据数据中心机房室内外不同的温度，以调节转速的方式改变泵和风机的性能曲线，使系统依然能以较高的效率运行。目前的变频技术主要是对数据中心空调水泵系统、离心机组主机、压缩机风柜这三各系统部件采用变频技术，依然能够保证可以空调设备制冷效率的提高。

五、结束语

总而言之，在实际的大型数据中心空调系统的节能减排实践中，采用自然冷却技术、优化气流组织技术和数据中心空调系统变频技术是行之有效的。这也说明了，重视大型数据中心空调系统的节能减排是符合大型数据中心的发展趋势的，也是符合绿色发展的原则的。参考文献：

[1]申沛.数据中心空调系统节能技术分析[J].上海节能,2015,(10):555-558.