浅谈暖通空调在数据中心建设中的节能问题
2015-10-21孟亭
孟亭
【摘要】云计算作为IT发展的集大成者和必然趋势，正在成为推动企业发展和技术创新的引擎和动力，引导企业向绿色环保和资源节约型迈进。于此同时，数据中心能耗危机压力也随之产生。空调系统的节能也越来越受到重视与关注。本文以上海宝信软件股份有限公司宝之云IDC一期工程暨上海电信定制化数据中心项目为例介绍空调系统的节能在数据中心建设中的应用。
【关键词】 冷热通道 自然冷却 空调 节能
1.前言
数据中心的电能主要被两类设备消耗了：IT设备和机房设备。从目前国内外的调查数据看，绝大多数数据中心中，机房设备的耗电要比IT设备的耗电高。在典型的数据中心中，空调系统消耗了45%的电能，UPS供配电系统消耗了24%的电能，照明系统消耗了1%的电能，IT得到的电能仅占30%。
这就要求在整个数据中心建设的设计中，选择高效节能的空调设备，优化空调系统的设计，提高能效。
2.冷源及系统管路设计
在数据中心空调系统中主要分为风冷直接蒸发式空调系统、水冷直接蒸发式空调系统、冷冻水空调系统等空调系统。
本项目建设冷源选用冷冻水空调系统。该系统与各自独立的直接蒸发式空调系统相比，制冷效率更高，设备更集中更少，运行更稳定，故障率和维护成本更低，因此国内外众多大型数据中心普遍使用冷冻水空调系统。
冷冻水空调系统主要由冷却水泵+冷水机组+冷冻水泵+机房专用空调组成。冷源选用4台高效离心式冷水机组+2台双工况螺杆式冷水机组（作为冷量调节及蓄冷工况使用）。由于使用季节的差异和IT负载的变化，多台容量不同的主机及水泵，组合多种供冷运行模式，开启或关闭主机和水泵台数有利于节能。冷冻水选用高温供水，冷冻水供回水温度为13℃/18℃，冷却水供回水温度为32℃/37℃，大温差运行，减少水泵输送能耗。冷冻水泵变速运行。冷冻水均设计为环形管网布局，保证双路由。所有管道均需保证为环网，每一节点故障均可关闭临近阀门维修，并不影响其他管道运行。
3.自然冷却系统
本项目空调系统配置自然冷却功能，当外界条件允许时可通过板式换热器及水泵将冷机旁通（可部分或全部停机），达到节能效果。
本项目空调系统可实现三种模式运行：冷水机组制冷、自然冷却、部分自然冷却，系统根据室外的气候条件来实现三种模式之间的转换。自然冷却系统由冷却塔+冷却水泵+板换+冷冻水泵组成，离心机停机，可以实现冬季利用冷却塔来免费制冷，实现此功能必须需要确切知道室外空气的湿球温度。因为板式换热器的换热温差为2℃，系统需要制取13℃的冷冻水，就需要冷却塔的出水温度为11℃，因为冷却塔的冷辐是5℃，由此可知室外的湿球温度必须≤6℃，冷却塔才才能有直接通过板式换热器通过自然冷却直接制取13℃的冷冻水的能力。冷冻水的回水温度为18℃，当6℃<室外的湿球温度<9℃时，则 11℃<冷却塔的出水温度<14℃，通过板式换热器可以实现部分自然冷却（冷却至16℃），自然冷却后的冷冻水再进入离心机进一步冷却，减少冷水机的负荷，进而实现节能的目的。
由此可见，自然冷却的实现与否与室外的湿球温度息息相关，必须要准确测量室外的湿球温度，通过系统控制来实现以上三种模式的转换，在保证主机运行稳定的前提下，尽可能多的利用自然冷却时间，保证最大限度降低PUE值。
根据近3年上海月平均气温统计表显示：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2011
1.5
6.0
9.3
16.0
21.6
24.3
30.6
28.3
24.6
19.2
16.9
6.7
2012
4.9
4.6
9.8
17.9
21.4
24.8
30.2
29.5
24.1
19.9
12.1
6.3
2013
4.2
4
11.4
15.9
21.6
24
23.5
28.4
21.6
11.4
4
3.2
距统计表显示，上海地区室外温度全年平均6度以下的时间达到约20%，此时使用冷却塔+板换的方式可以完全實现免费制冷，室外温度平均6度以上的9度以下的时间达到约10%，这段时间利用板换+冷水机组的模式可以实现部分自然冷却。根据统计，通过自然冷却功能的实现，可以有效降低离心机的能耗，实现节能环保的目的。
4.机房空调末端
机房通过合理的机柜布置，建立冷热通道。末端选用地板下送风顶回风冷冻水型精密空调，进回水温度13/18℃，全部承担显热负荷。机组选用下沉式风机箱，同时风机选用EC风机，风机随负荷动态调节风量。实现节能的目标。
EC风机的组成主要包括：换向电路、固定的定子、永磁转子、轴承等。
相较于使用异步电机的传统风机（AC技术），EC电机能实现超过90%的效率。这意味着，和AC解决方案相比，能耗可以降低50%。此外，EC风机的速度可控，这样就可以根据具体环境的不同来调整风量，与此同时也就节省了大量能源。由于电机、电子元器件和空气动力学的完美融合， EC风机令人折服之处不仅仅在于它们的高能效，同时它们在运转时也非常安静，噪声极低，这是由于换向技术的优化和叶轮的空气动力学布局。
本次工程所有机柜并不一定同时投入使用，在制冷模块开机但制冷不运行时，风机根据设置可运行于节能模式，以设定的低转速维持运行以节约电力。在控制系统的监控下，根据回风温度来控制冷冻水控制阀开度、余压来控制EC风机的运行速度，以满足机房内的需求。
5.机房冷热通道设计
合理的布置机柜对确保机柜拥有适当温度和足够的空气非常重要。
目前机房机柜摆放是正面朝向相同，所有机柜方向相同。由于大部分的设备机柜是服务器，服务器设备自身有的散热系统是冷却风从机柜正面进，散热风从机柜背面出，由于这样的散热气流引导，造成前排机柜的散热对后排机柜的进风温度造成影响，造成后排的进风温度越来越高，导致机柜局部温度过高，因此在这个项目中，通过对机房合理的布置，建立冷热通道，冷通道在静电地板上设置通风孔板送风。机柜采取"面对面、背靠背"的摆放方式，这样在两排机柜的正面面对通道中间设置通风孔板出风，形成一个"冷通道"的冷空气区，同时将冷通道进行封闭，对冷热气流通道进行隔离，减少机柜间冷热气流的相互影响，提高节能效率。
这种建立冷、热通道的送风系统采用"先冷设备，再降机房环境温度"的方式，可以充分利用冷源，减少能耗。
在本项目中，机房专用空调选用下沉式下送上回机组，送风口冷空气流经设备后形成的热空气，排放到两排机柜背面的"热通道"中，通过热通道回到机房专用空调回风口，使整个机房气流、能量流动通畅，提高了机房精密空调的利用率，进一步提高制冷效果。
结语
随着电子商务的发展，数据中心的建设越来越广泛，机房空调的节能问题也越来越受到关注，这还有待我们进一步去研究去探索，希望能有更优，更节能的暖通系统方案来为数据中心服务。
参考文献
[1]《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，中国建筑工业出版社；
[2] 《公共建筑节能设计标准》；
[3] 上海宝信软件股份有限公司宝之云IDC一期工程（上海电信定制化数据中心项目）初步设计文本。
