(完整版)数据机房专用空调能耗评估与分析

数据中心能耗指标
1.PUE
PUE（Power Usage Effectiveness，电能利用效率）是国内外数据中心普遍接受和采用的一种衡量数据中心基础设施能效的综合指标，其计算公式为：
PUE = P Total / P IT
其中，P Total为数据中心总耗电，P IT 为数据中心中IT设备耗电。

PUE 的实际含义，指的是计算在提供给数据中心的总电能中，有多少电能是真正应用到IT 设备上。

数据中心机房的PUE 值越大，则表示制冷和供电等数据中心配套基础设施所消耗的电能越大。

2.pPUE
pPUE(Partial Power Usage Effectiveness，局部PUE) 是数据中心PUE 概念的延伸，用于对数据中心的局部区域或设备的能效进行评估和分析。

在采用pPUE 指标进行数据中心能效评测时，首先根据需要从数据中心中划分出不同的分区。

其计算公式为：
pPUE1= (N1+I1) / I1
其中，N1+I1 为1 区的总能耗，I1 为1 区的IT 设备能耗。

局部PUE 用于反映数据中心的部分设备或区域的能效情况，其数值可能大于或小于整体PUE，要提高整个数据中心的能源效率，一般要首先提升pPUE 值较大的部分区域的能效。

3.CLF/PLF
CLF（Cooling Load Factor）称为制冷负载系数，PLF（Power Load Factor）称为供电负载系数）。

CLF 定义为数据中心中制冷设备耗电与IT 设备耗电的比值；PLF 定义为数据中心中供配电系统耗电与IT 设备耗电的比值。

CLF 和PLF 是PUE 的补充和深化，通过分别计算这两个指标，可以进一步深入分析制冷系统和供配电系统的能源效率。

4.RER
RER（Renewable Energy Ratio，可再生能源利用率）是用于衡量数据中心利用可再生能源的情况，以促进太阳能、风能、水能等可再生，无碳排放或极少碳排放的能源利用的指标。

一般情况下，RER 是指在自然界中可以循环再生的能源，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。

专用空调系统能耗评估与分析
一、冷源的效率
能耗分析：
在专用空调系统里面，冷源分为大型的冷水机组与小型的制冷压缩机空调，二者的能耗是整个空调系统能耗的最主要部分。

因此在数据中心的设计和实施过程中，如何提高冷水机组（或风冷精密空调）的运行效率，并且减少其运行时间，需要重点考虑。

对于现有的数据中心，其空调冷源普遍存在有待优化问题如下：
(1)冷冻水的供水温度（或空调送风温度）设计过低
考虑到标准工况是空调设备的产品设计和性能参数比较的基准和依据，同时标准工况的供水温度，是除湿的最高温度，因此在民用建筑空调系统，空调冷水的设计通常采用标准工况，设计供回水温度为7/12℃。

但对于专用空调系统，通常末端的显热量占了95%以上，几乎没有湿负荷，因此在相同的供回水温差下，空调供水温度完全可以高于7℃，从而提高冷水机主的蒸发温度，提高制冷循环的效率。

而对于风冷型空调，根据电子计算机机房设计规范，数据中心要求温度控制在23±1℃，而如果将机房空调的回风温度设置为此温度，则空调的出风温度通常需要小于18℃，而蒸发温度的降低必然会降低空调的制冷效率。

但是随着芯片技术的发展和提高，其温度耐受范围正在不断扩大，IT设备的正常运行温度也不断提高。

因此，在最新的ASHRAE推荐的环境温度范围，设计温度最高可到27℃，甚至更高。

相关工程经验与厂家资料表明，采用中温冷冻水系统，提高冷冻水供回水温度至12/18℃，水冷机组COP值可从5.5提高至7.0，预计节能15～20%。

因此，正确选用或合理设定冷冻水的供水温度，提高能效比，是空调系统节能的有效措施。

而相关研究表明，制冷环境温度增加1℃，可能产生5%~10%的能耗变化。

此外，提高精密空调的送风温度和提高冷冻水的出水温度，可以有效的延长节能经济器的使用时间，大大降低冷源压缩机的运转时间，取得良好的节能效果。

(2)没有充分利用自然冷源。

对于很多中小型数据机房，通常采用风冷直膨式空调进行制冷，室内压缩机全年24h、不间断运转，使得机房产生持续、巨大的耗电量。

因此，专用空调系统在设计时，必须要考虑空调系统全年制冷的运行模式，合理地利用天然的冷源，从而大量减少机械制冷的能耗。

对于采用风冷直膨式空调的机房，可以设计风侧经济器，当室外环境干球温度低于室内设计温度时直接引室外新风进行制冷或者通过设置中间换热器对室内间接冷却；对于有条件采
用冷却塔或者干式冷却器进行供冷的，可利用室外的低温空气产生低温冷冻水，直接给空调的末端设备提高冷量。

(3)制冷设备的部分负荷运行，运行效率低
由于冷水机组（或者风冷型精密空调）的设计选型中，往往需要留有余量，或者考虑后期的扩容选择了容量较大的机组，其运行最高效率点一般在60%～80%负荷左右。

而数据中心冷水机组（或精密空调）绝大部分时间都运行在部分负荷工况下，使得运行效率将显著降低，从而增加空调系统的能耗。

优化措施：
1.提高冷冻水的出水（空调的送风）设计温度
对于专用空调系统，通过提高冷冻水的出水或空调的送风温度，一方面可以提高冷机（空调）的制冷循环效率，另一方面可以有效地延长经济器的运行时间，从而极大地提高整个空调系统的运行效率。

同时使得末端的冷冻水空调运行在干工况，避免空调机组对空气进行除湿和再热，极大地减少了能量的损失。

2.降低冷却塔的冬季设计逼近温度值
由于专用空调系统的冷却塔在设计选型时，需要充分考虑夏季极端湿球温度与冬季自由冷却的运行工况，而降低冷却塔的冬季设计逼近温度值，即冬季湿球温度设定越高，可以有效延长专用空调系统的自由冷却时间，对节约能耗越有利。

3.减少机械制冷时间，利用水侧（风侧）经济器进行自然冷却
由于数据中心的全年制冷需求，因此当室外空气的干球温度或湿球温度较低时，设置水侧经济器（风侧经济器）直接利用室外冷量直接产生冷水，部分或全部满足机房的制冷需要，从而实现自然冷却，减少冷机（空调）的开机时间。

4.冷机（或空调）的变频调节和蓄冷技术的应用
冷水机组（或风冷型精密空调）运用变频控制技术，根据末端供冷量的需求，自动调整机组压缩机的功率输出，使机组经济运行，自动控制，达到安全节能的目的。

对于大型的离心式冷水机组采用变频调速装置后，控制系统能够同步调节导流叶片开关度和电机转速，使冷水机组的运行效率大大增加，并且小负荷运行时避免“喘振”现象的发生。

在初期运行时，由于机房设备负荷很小，可以停止冷水机组工作，利用蓄冷罐对末端空调设备进行供冷，从而保护冷水机组，提高其运行效率。

此外，充分利用备用的冷水机组与应急蓄冷系统，夜间利用低谷电对蓄冷罐进行充冷，白天利用蓄冷罐进行供冷，对于有分时峰、谷电差价的地区，还可以显著降低空调系统的运行费用，有效平衡电网负荷。

二、数据机房的气流组织
能耗分析：
在现有的数据中心机房的气流组织存在较多问题，特别是早期建设的数据机房，气流组织较为混乱，机房的降温效果不理想，具体问题归纳如下：
(1)机柜的同向摆放，导致前排机柜出风的热空气直接排至后排机柜的进风口，使得冷热
气流混合非常明显，严重浪费空调的冷量；
(2)送回风通道的设计不合理，特别是部分通过办公建筑直接改建的机房，受限于建筑层
高，架空地板送风通道高度较小，导致机房的送风不均匀；而对于很多采用上送风的机房，受制于机柜设备的阻挡，气流组织较为混乱，常出现局部热点区域
(3)在机房的布局方面，地板出风口距离空调出风口较近或者太远，导致局部的出风量不
足，造成局部过热。

另外由于机房的管线众多，而采用地板下走线形式导致风道的送风受阻，制冷效果急剧下降
(4)在机房运行初期，由于只加载部分的负载，出现大量闲置机柜与空余空间，这些区域
一方面使得冷热风大量地混合，另一方面也加大了整个机房的制冷负荷。

综上所述，由于末端的气流组织的不合理，为了满足机房设备的冷却要求，运行过程中，需要降低机房的设计温度，增加制冷量，这必然极大地增加数据机房的能耗。

优化措施：
1.优化机房的整体布局
采用机柜面对面或者背对背的布置方式，形成冷热通道将冷气流与热气流隔开，可以有效抑制冷热气流的残魂，降低机柜的进风温度，提高冷却效率。

对于楼层高度较高机房，可以设置双层吊顶，避免冷量的偏移和浪费，增加机房的制冷负载。

2.选择合理的送回风方式
对于上送风的气流组织方式，虽然结构简单，节省空间，但是送风不均匀，送风距离短，且容易出现冷热风短路的现象，因此只适用于小型的机房。

而架空地板下送风方式，送风均匀，且送风距离较长，可以有效避免冷热空气的掺混，提高冷却效率，因此在中大型的数据机房建议采用该送风方式。

此外，设计中还可以考虑行间空调，水平送风的方式，有效缩短送风距离，减少送风阻力，从而减少风机的运行能耗，实现机房的按需和精确制冷。

3.避免冷热风的混合与冷风短路
采用冷通道或者热通道封闭的形式，可以有效地解决空调出风的短路以及机房内的冷热风混合，从而减少冷量的损失。

同时也可以消除局部热点产生，提高机房的整体冷却水平。

此
外对于没有安装服务器的机柜需要设置盲板，初期闲置区与设备区有条件应进行有效隔离，防止出现热点区域，减少冷量的浪费。

三、机器设备的能耗评估与分析
能耗分析：
(1)水泵、风机的满负荷运行
风机、水泵等输送流体的设备，其能耗在空调系统中占有较大的比例，尤其当系统在部分负荷下使用时，输送能耗所占比例更大。

而既有的数据中心空调系统，末端设备的风机与水泵的很多都是定频、满负载运行，当数据中心运行在部分负荷时，使得末端过度供冷，造成极大地冷量浪费。

因此风机、水泵等输送流体的设备，采用变流量调节措施，以适应末端负荷的变化，可以有效节约输送能耗。

(2)精密空调运行在加湿或除湿工况
数据中心内湿负荷通常很小，而显热负荷一般在95%以上，湿负荷的主要源于为维持房间正压而设置的独立新风系统。

而为了消除新风带进的湿负荷，控制室内的相对湿度在40%~55%范围，末端的精密空调必然会运行在除湿模式，从而增加机组的运行能耗。

因此，一方面需要尽量减少机房的新风量，另一方面需要对新风进行预处理至室内空气的露点温度之下，使得末端精密空调不承担新风湿负荷。

此外，现有精密空调普遍采用电极或者红外加湿，这是通过电加热使水分蒸发的等温加湿方式，相关的厂家设备参数表明，电极加湿与红外加湿加热蒸发1kg水分别需要750W和100W电能。

而湿膜加湿是利用空气中的热量，将湿膜表面的水自然蒸发的一种绝热加湿方式，加湿的过程同时也降低空气的温度，为机房提供额外冷量，其自身的耗电量也较小。

因此，对于数据中心带内热源场所，有较大的节能意义。

(3)精密空调机组之间的竞争运行
对于现有数据机房，由于精密空调受安装位置、负责区域、运行状态、气流组织等因素影响，普遍存在着竞争运行的情况。

各台空调可能会发生相反的动作，如有的空调在制冷，而有的空调在加热，有的在加湿，有的空调在除湿，这将导致空调能耗增加。

优化措施：
1.水泵、风机的变频驱动
水泵或风机安装有变频调速控制装置，当需要的流量减少时，不是通过关小阀门出口，而是利用变频调速控制装置改变泵或风机电动机的转速。

在减少系统流量的同时降低了系统阻力，就可以达到既减少流量，又可以极大地减少电动机的轴功率，达到节能的效果。

2.精密空调的干工况运行与新风节能
将新风冷却到机房内环境的露点温度以下，使得机房内的精密空调就可以在干工况下运行，避免既进行冷却又进行除湿的低效率情况。

此外，在保持正压的前提下，需尽量减小新风量。

可以在进入机房的新风管道末端均设置变风量末端，以机房与走廊或室外的压差来控制送入的新风量，并且新风处理机组的风机采用变频控制，依据需要调整运行频率，达到节能目的。

对于典型的内热环境，可以尽量采用湿膜加湿代替精密空调的电极加湿与红外加湿，有效降低空调的运行耗电，并且产生部分的冷量降低空气的温度，从而减少空调的运行负载。

3.精密空调的群控
机房空调的群控系统根据冷负荷的变化，对空调运行台数进行动态调节，控制空调的冷量输出，使空调机组运行在高效区，达到节能的目的。

并且可以避免机房内空调的反向动作，避免竞争运行。

此外群控系统还可以对空调机组进行动态轮循，平均分配各台空调的实际运行时间，延长空调使用寿命。

工程实践表明，良好的控制系统可以节约15%的能耗。

洁净空调系统能耗评估与分析
能耗分析：
洁净空调系统的能耗比普通建筑的能耗通常要高，其主要原因有：室内各环境参数标准高、新风量大、空气处理要求高，运行时间较长，各房间功能要求不同，管理复杂。

1）洁净室的温湿度要求较高。

洁净空调系统最大负荷在于新风系统，通常占比在80%以上，而新风的预处理过程往往还需要严格控制湿度，对于采用露点送风系统，较大的新风量必然会增大空调系统的能耗。

2）对于洁净度有较高的要求。

在增大新风量的同时，必须依据不同要求装设高效、亚高效过滤器等设备，极大地增加了空调的送风阻力，与动力能耗。

此外，为了保证相应等级的洁净度，洁净空调系统往往要求较大的换气次数，以满足室内空气品质的要求，这必然显著增加风机的运行能耗。

3）由于洁净空调系统较复杂，各类房间空气洁净度的等级也不尽相同，管理上容易出现疏漏，导致部分额外负荷，同时设计过程中较少考虑能源回收利用，使得能耗浪费较严重。

优化措施：
1.适当提高温、湿度设计参数值
由于洁净室内空气温湿度设定值直接影响洁净空调系统的负荷与能耗，而洁净室对于环境的洁净度要求高，但对温湿度的精度要求通常不高。

因此，当冬季供暖时，室内的环境温度设定越低，夏季供冷时，室内环境温度设定越高，对于空调系统的节能越有利。

夏季制冷时可以采用设计规范要求的温湿度上限值，从而提高净化空调系统的送风露点温度,。

如果室内环境的设计参数为温度22℃和湿度50%，提高到温度23℃和湿度60%，此时空调系统的送风机器露点温度由12℃提高到15.7℃，处理风量按10000m3/h计算，节省的冷量为26.7KW。

对于冬季供暖时，采用规范要求的下限值有利于空调系统的节能，相关实验测试表明，冬季没提高一度设计温度，节能效果可以在10%以上。

2.净化系统送排风能耗
1）严格控制系统新、排风量
由于洁净空调系统对室内的洁净度要求较高，需要设置独立的新风与排风系统，在设计过程中由于考虑人的舒适度，新风量取参考值的上限，但实际运行过程中的人数却不多，新风量越大，对新风进行预处理所消耗的冷热量就越多，同时排风能耗也越大。

因此，在设计过程中新、排风量需要控制在合理范围，并且洁净室内的新、排风量应根据室内的工作情况进行调节，适应不同的工作情况，改变新、排风量的大小。

2）减少送风阻力
在满足换气次数与风速要求的情况下，采用低速送风，并选择合理的风速，以减少送风的阻力和能耗。

在管路设计中，尽可能避免长距离送风，缩短风管的长度，并减少弯头、三通等阻力构件。

此外，有余在洁净空调应选择低阻力的过滤器，并且定期清洁和更换过滤器。

3.设置热回收装置
排风量较大的空调系统，可以考虑设置转轮热交换器或热管式热交换器，利用排风的能量对新风进行预处理，以减少新风负荷。

对于需要避免交叉污染的洁净室，可以采用热管或其他显热回收装置，而对于非关键区域，采用转轮能量回收装置或其他全热回收装置，通过热交换对新风进行预处理，减少室外新风的冷热负荷。