探索数据中心空调系统的节能

2014-08-06朱慧宾

智能建筑电气技术 2014年4期

朱慧宾

(中国建筑设计院有限公司(原中国建筑设计研究院)智能工程中心，北京 100044)

随着信息化程度的不断深化，人们在生产、生活以及相互交流中时刻都需要进行信息数据的获取及处理,这就对数据处理业务提出更大更多的需求。因此，数据中心的建设进入了快速增长期，能源消耗也随之快速增长。暖通空调设备肩负着数据中心数据处理设备冷却的重任，是保障数据中心正常运行必不可少的一部分。数据中心服务器能耗约占数据中心总能耗的46%，数据中心空调系统能耗约占31%。如何在保障数据中心稳定运行的前提下，减少空调系统能耗成为暖通空调设计师的首要任务。暖通空调系统节能技术多样，例如变频技术、热泵技术等，但在数据中心如何应用，应用哪些技术可行，能否满足整个数据中心系统安全要求，对相关专业水、电、自控的技术要求能否满足各自专业对数据中心设计要求等提出了诸多问题。本文就近年来工程设计中对大型数据机房建设提出的部分节能措施做简要介绍。

1 采用合理冷源系统形式

对不同的数据中心项目应根据其项目的建设地点、项目规模、市政条件、气象条件、IT规划需求、数据中心建设标准、数据中心运行维护水平等多方面因素去权衡空调系统采用何种形式。目前为止，关于数据中心的节能措施、节能概念及相关术语已经出现很多。但是，使用最广、认可度最高的一个术语是能源使用效率，即PUE。对于现有数据中心，能源节省方案在于实施相应节能措施，降低数据中心PUE。对于新建数据中心，重要的是选择最有效的系统架构和组件，在合适的条件下实现自然冷却，并结合所有最好的节能措施。不同空调系统的PUE统计数据见图1。

图1中，Air Cooled DX Plant为风冷直膨空调；Water Cooled Plant为水冷式冷冻站；Evaporative Cooled Plant Water-Side Economizer为蒸发式冷却与水侧节能器；Strict Airflow Management为严格的气流管理；Water-Cooled Racks Air-Side Economizer为水冷机柜与风侧节能器；PUE，能源使用系数=数据中心总能耗/IT总能耗。

图1 数据中心不同空调系统的PUE

在权衡数据中心PUE大致标准区间后，再针对该空调系统形式选择具体的节能措施。对于新建的数据中心常用的冷源方案有如下几种：

1)水冷冷水机组+自由冷却；

2)风冷冷水机组+自由冷却；

3)自带冷源式风冷空调机组+自由冷却；

4)全空气空调机组+风冷自由冷却。

对于第1)种冷源系统方案，其系统构架形式也是种类多样，但经过部分工程测算，其PUE值可达到1.4～1.5，本文针对该系统的部分具体节能措施做简要的概述。其余系统的具体节能措施就不再介绍了。

方案1)的部分措施如下：

1)数据中心的水冷冷水机组单独设置，与建筑内其他非关键设施所需的冷水系统分离，可以提高数据中心的冷水供水温度，从而显著提高冷水机组的运营效率。

2)为水冷冷水机组配备变频器，从而可以选择以最高效率运行。

3)采用制冷机在部分负载条件下运行的策略，可以优化制冷机效率。

4)优化冷却水管路的控制策略，可以使制冷机的效率最优化。

5)降低冷却水温度可以显著提高制冷机效率，在气候允许的情况下，在20℉～30℉(11℃～17℃)范围内，设定冷却水供水温度。这将提高制冷设备的效率并为自然冷却创造更多的机会。定速冷却器在每1℉(0.6℃)下的节能量为0.75%～1.25%，变频冷却器为1.5%～2%。另外，冷却塔的保养工作不到位会缩短其寿命，甚至产生大笔维修费用，而且产品稳定性也会受到影响。

6)为冷却塔配备变频器可以减少风机能耗。如果设备不以自然冷却形式工作，在全部设备节能10%～20%情况下，与定速冷却器相比，冷却器可达到20%～30%的节能效果。

7)冷水泵使用变频器，以减少水泵能耗。

8)自然冷却设计可以充分利用室外天然冷源，以节省冷水机组运行费用。自然冷却系统由冷却塔、板式换热器、冷却水泵及所需配件组成。设计冷水供回水温度为12℃/18℃，当冷却水供水温度低于16℃时，转换至自然供冷模式，此时为部分自然冷却模式；当冷却水供水温度低于10℃时，制冷机停机，为全部自然冷却模式。

9)为冷凝器设置在线清洗装置，通过电气控制器控制清洗频率，保证冷凝器的清洁度，降低污垢热阻，提高传热系数，降低制冷机能耗。

因此，合理选择冷源方案，直接影响到数据中心的PUE值和运维成本，对整个数据中心的节能有着十分重要的意义。

2 数据中心的环境标准是节能的核心

2.1 温湿度要求

数据中心通常包括主机房、设备机房、辅助机房和管理用房。各类房间根据使用性质的不同，对室内温度、相对湿度和空气洁净度的要求也不同。目前国内暖通空调设计中，数据中心主机房和设备机房环境温度、相对湿度值遵循的是《电子信息系统机房设计规范》(GB 50174-2008)中的规定值，有的也参考美国ASHRAE(美国暖通制冷空调工程师协会)发布的《ASHRAE Environmental Guidelines for Datacom Equipment2011》中推荐的温度、相对湿度值，见表1。2011年12月中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组推出的《数据中心机房空调系统技术白皮书》推荐使用表1中的温湿度设置标准。对于耗能大户的数据中心，主机房设置的环境温度越高，空调制冷量可相对减少，空调耗能也就相对降低了。

表1 主机房的环境要求

2.2 新风要求

机房新风主要作用为：提供足够的新鲜空气，为工作人员创造良好的工作环境；维持机房正压，避免灰尘进入，保证机房有更好的洁净度。新风系统的节能需要从以下几方面入手：

1)新风量的计算，需采用不同的计算方法，如换气次数法、压差法、风速法等，对比计算结果，合理选定新风量。

2)机房设备安装完毕后，管线穿墙缝隙的封堵要严密，做到机房漏风量最小，减少新风的供给。

3)夏季新风除去室内含湿量等即可送入机房，无需深度除湿，达到防结露要求即可。冬季新风送风加热也是达到防结露要求就行。

4)数据中心选址时要做好室外空气质量调研，提前确定腐蚀气体类型，对比选择化学过滤方法，尽量降低风阻，减少新风机组风机能耗。

3 气流组织设计的节能手段

3.1 主机房内的细节处理

在设计中经常会产生以下几个方面的问题，从而使空调制冷无法充分发挥作用，导致机房热点的产生。

1)保证来自地板栅格的气流风速不会过高以及超越机柜的高度。

2)减少来自地板下方限制气流向服务器流动的各种阻碍，努力最小化各种阻塞的因素。

3)密接好线缆穿出地板的部分并密封好任何其他开口处。

4)将CRAC/CRAH单元与热风通道保持垂直。

5)应让多孔砖与CRAC/CRAH单元之间的距离在6′以上。

6)考虑采用物理办法来隔离进风(冷)和回风(热)。

7)考虑在回风气流低于天花板时，安装一个吊顶回风压力通风系统。

8)将热风回路置于热风通道并尽可能靠近IT设备的排气口。

9)合理化的布局，比如冷风通道/热风通道的布置。

10)机架到天花板之间的距离。

11)活动地板的高度应通过计算确定，风速不宜过大。

12)选择穿孔地板类型时，应综合考虑布置位置和透风率，并且选择带风阀的穿孔地板以便日后进行风量平衡调试；根据机柜的冷量计算所需风量，以2 m/s的速度计算穿孔板所需的截面积，从而确定穿孔板的数量。吊顶回风格栅的设置遵循同样原则。

3.2 CFD模拟

借助计算机CFD气流模拟软件，建立主机房模型，可对精密空调台数、设置位置、风口开孔率、架空地板高度及3.1中的问题进行计算分析，找到最合理、最节能的处理方案。以某工程项目主机房模拟结果为例，利用CFD模拟帮助暖通设计人员在设计阶段分析方案的合理性，避免气流组织设计的错误发生。

机房空调机组的选择有两种方式，机组的基本信息对比如表2所示。

表2 空调机组信息

设计工况下，两种方案各台空调的负荷率如图2和图3所示，150kW机组方案总额定制冷量为750kW，各空调的负荷率为90.6%～94.2%；120kW机组总额定制冷量为840kW，各空调的负荷率为82.0%～85.7%，在现有机组布置情况下，120kW机组制冷量余量较大，可以满足进一步增设服务器的需求。

图2 150kW空调机组使用率图

图3 120kW空调机组使用率图

沿高度方向各机柜最大进风温度如图4和图5所示，可以看出，120kW机组方案沿机柜高度方向，整体都基本处在一个较低的送风温度范围内。

图4 150kW空调机组地板送风温度分布图

图5 120kW空调机组地板送风温度分布图

房间温度分布如图6和图7所示。

图6 150kW空调机组地板上方1m处温度截面图

图7 120kW空调机组地板上方1m处温度截面图

各送风孔板出口送风量如图8和图9所示，靠近精密空调的孔板处，由于风速较大，此处送风气流动压大，静压小，静压小于环境压力时，孔板处不易出风，会造成该处位置机柜热量难以排走，局部温度过高。120kW机组方案送风量过低的孔板数目要小于150kW机组方案，同时，在相同送风温度(17℃)下，120kW机组方案送风量较大，故而回风温度较低，机房整体温度较低。最终根据对比选用第二种方案。

图8 150kW空调机组地板送风口风速图

图9 120kW空调机组地板送风口风速图

4 空调系统的控制对节能意义重大

典型的数据中心冷源站房中制冷机、水泵及冷却塔是能耗最大的设备，他们通常是全年7×24h，(共8 760h)运行。这就为控制策略提供了最大的节能潜力。设计一个能做出快速反应和高可靠性运行的控制系统，使各能耗设备均能在高效点运行，协调工作成为暖通设计师与自控设计师共同的目标。空调系统节能控制中主要包括：部分负荷运行、冷源工况切换、主机房精密空调集中节能控制等。

4.1 部分负荷运行

数据中心节能的最有效方法是减少机房精密空调压缩机或冷源站房冷机压缩机运行的台数或运行时间。在数据中心初期IT业务发展阶段，机房负荷没有达到设计工况时，规划好空调的运行，减

作者简介

朱慧宾

2003年毕业于太原理工大学建筑环境与设备工程专业，高级工程师，暖通空调专业注册公用设备工程师。现供职于中国建筑设计院有限公司(原中国建筑设计研究院)智能工程中心，目前主要从事数据中心项目暖通专业的设计工作。社会兼职：中国勘察设计协会建筑环境与设备分会北京市委员会副秘书长；《暖通空调》特邀通讯员。完成的主要大、中规模工程有广东东莞日月星城、合肥机场航站楼、大连星海国际酒店等。获奖项目：东莞新世纪星城一期(2009年东莞市优秀工程设计二等奖)，中国民生银行总部基地数据中心(中国计算机用户协会机房设备应用分会2011年度数据中心优秀设计方案奖)，中国建设银行北京生产基地数据中心(中国计算机用户协会机房设备应用分会2013年度数据中心优秀设计方案奖)。

少耗能大的设备的运行时间，使所有设备均能在高效点运行是行之有效的办法。例如：

1)在低负荷工况下减少压缩机开启时间，利用蓄冷罐超大容量(与初期蓄水量相对比)的冷水储存，为系统尽可能长时间提供所需冷量。但前提是要保证系统的可靠及稳定运行。这种方法需对比初期负荷量与冷机设置量、初期持续制冷量需求与蓄冷罐储冷量、冷机开停机时间等方面的问题，综合考虑判断后才可以使用。

2)所有风机和水泵应考虑有变速装置。通常，风机和水泵的输入功率与转速的立方成正比。风机转速降低10%，能耗降低27%；若转速降低20%，能耗就降低49%。