上海某数据中心节能测试及分析

黄 璜，马荣军，郑竺凌（上海市建筑科学研究院，上海 200232)

1 数据中心概况

1.1 项目介绍

该数据机房面积 9 000 m2，是进行数据处理和支持关键业务功能继续运行的场所。由于该数据中心是 7×24 h 运行的，制冷系统运行工况的稳定性与可靠性尤其重要，外加制冷系统的能耗占数据中心总能耗的比例仅次于 IT 设备，因此，通过科学的运行测试与检测手段合理指导节能优化运行显得尤为重要。同时在 IT 设备运营的过程中制冷系统的负荷可能发生突变，引起设备工况剧烈波动导致报警或故障，还需通过对制冷系统的监测调整使得运行平稳过渡。

1.2 空调系统

该数据机房设置了独立的冷冻水制冷空调系统。采用活动地板下送风、上回风方式，未采取冷热通道隔离措施。该数据机房采用冷冻水空调系统的 A 级数据中心设置蓄冷设施，蓄冷时间应满足电子信息设备的运行要求；控制系统、末端冷冻水泵、空调末端风机应由不间断电源系统供电；冷冻水供回水管路采用环形管网方式。主机房维持正压，主机房与其他房间、走廊的压差约 5 Pa，与室外静压＜1 Pa。

该空调系统属于集中冷源+末端精密空调水盘管系统，制冷效率较高，具有明显节能降耗效果，减小空调设备的投资。正是由于这些特点，使此类空调系统在数据中心得到广泛应用。由于冷冻水空调系统中安装的设备和阀门等部件较多，所以系统故障点就多。为了达到灵活、可靠、易维护和节能的需求，冷冻水空调系统的水系统、控制系统设计比较复杂。深入调研并检测冷冻水空调系统在数据中心的实际应用，对于保障业务安全稳定高效运行意义重大。

该制冷系统采用开利 19 XR 离心式冷水机组（具体设计参数见表 1）600 ton 4 台，2010 年出厂；离心机供水温度约 8 ℃，2 台并机工作，单台负载率长期稳定在 55%～60%之间；末端空调为双供回冷冻水型与机房平衡阀控制，单个机房 9 台空调；冷机需要全年运行；制冷系统设备定期轮换运行：每半月 2 组冷机轮换，1号、5号一组，2号、6号一组；单 IT 机房末端空调 9 台配置，定期轮换。

表1 机房专用空调单台设备技术参数

2 测试仪器及分析依据

现场工作时间从 2017 年 9 月 19 日至 10 月 30 日。前期准备测试仪器以及实施方案，后期分析处理数据并提出修改意见，完善指标体系与监测方案。对实际数据机房的测试的时间为 15 d。为保证实测数据的连贯性和实效性，实际测试中不能中止。对实际测试的数据进行理论性分析，并结合测试中存在的各种影响因素对实测数据机房的现状进行节能型分析研究。

2.1 冷冻机组监测方法

对冷冻机进行性能测试来判断冷机选型是否合理，要根据冷机工作效率范围来判断是否造成浪费。测试内容涉及整个供冷季测试冷机的逐时实际冷量、耗电量，并计算冷机在各种负荷率下的 COP。表 2 为具体需要测试的物理量、测试仪器以及测试位置。

表2 冷冻机组性能测试参数

2.2 使用仪器设备

通过利用已有的测试仪器如表 3 所示。

表3 实测数据机房使用仪器设备表

2.3 分析依据

以GB/T 19412—2003《蓄冷空调系统的测试与评估》、GB/T 25858—2010《精密空调机组性能测试方法》、GB/T 26194—2010《蓄冷系统性能测试方法》等为分析依据。

3 测试数据及其分析

3.1 冷冻机组测试

2017 年 9 月 27 ～10 月 10 日期间对数据机房内冷水机组的物理参数进行采集。5-19 XR 离心式冷水机组为1-19 XR 离心式水冷机组的备用设备，因此选取 1-19 XR 和5-19XR 作为对照进行测试。图 1 为 1号冷水机组在不同时间下的温度测试，图 2 为 5号冷水机组在不同时间下的温度测试。

图1 1号冷水机组在不同时间下的温度测试

图2 5号冷水机组在不同时间下的温度测试

由图 1、2 所示可以看出，冷水进出口温度、冷却水进出口温度、机组蒸发冷凝温度以及油温随时间变化起伏不大，只有测试初期出现温度起伏，除此之外温度变化基本稳定。由于冷冻水进出口温度及冷却水进出口温度是在一定合理的范围内变化，因此不会对制冷需求造成影响。

图 3 为 1号和 5号 2 台冷水机组的 COP（制冷性能系数）与额定 COP 之间的对比，额定工况下的 COP 为 5.64，1号和 5号 2 台冷水机组实际运行工况下的 COP 均略低于额定工况下的 COP。5号冷水机组运行时的 COP 更接近于额定工况下的 COP，但是 1号冷水机组在实际运行过程中比 5号机组更为稳定，COP 变化幅度不大。将 COP 换算为制冷设备运行效率 kW/ton，1号冷水机组的冷凝器进水温度都在 29 ℃ 左右，制冷设备运行效率都在 0.7 kW/ton左右。1号冷水机组的单台冷机负荷率位于 55%～60% 之间，处于正常运行工况。5号冷水机组的冷凝器进水温度在 29 ℃ 左右，制冷设备运行效率在 0.64 kW/ton 左右，5号冷水机组的单台冷机负荷率位于 70%～75% 之间，处于高效运行工况。单台冷机制冷量无法满足所有 IT 发热量需求，但 2 台并机运行易造成机组卸载与喘振停机风险，因此采取冷水机组日常开 2 台并机分组交替运行的运行方法。

图3 1号、5号COP和额定COP

3.2 空调末端运行测试

2017 年 10 月 11 日和 12 日期间以一层的 8 个数据机房室内的逐时温度、湿度进行实时采集。每个机房内配有 9 台相同配置的精密空调。数据机房内温度分布见表 4，数据机房内湿度分布见表 5。

表4 数据机房内温度分布 ℃

表5 数据机房内湿度分布 %

数据机房内部室内温湿度设定值分别为 22 ℃ 和 50%。由表 4 和表 5 可以看出，数据机房内温湿度明显处于分布不均匀状态。数据机房 1-3、1-4、1-5和1-6 内温度分布较为均匀，但都低于要求温度 22 ℃，而数据机房 1-1、1-2、1-7和1-8 出现明显的温度分布不均匀，最高与最低温度相差较大，尤其是数据机房1-7，室内温度的最高值与最低值相差8.8 K，导致数据机房内部出现局部过热现象。室内湿度的分布与温度分布类似，数据机房 1-3、1-4、1-5 和 1-6的 4 个机房湿度分布较为均匀，其中 1-3 和 1-4 机房较为接近要求湿度，而 1-5 和 1-6 机房虽然湿度分布均匀却都高于 60%。机房 1-1、1-2、1-7 和 1-8内湿度分布严重不均，甚至有的测试点湿度高达 95%，湿度过高严重降低了数据机房电路的可靠性。

4 结 语

通过对数据机房空调系统室内温湿度以及冷却机组的各参数的测量，对空调系统的制冷能力进行了分析，总结出影响数据机房未达到预期设计效果的原因与改进措施如下：

（1）空调系统地板送风风口没有根据 IT 设备产生的运行负荷进行合理分布，导致部分数据机房出现局部温度较高或较低。在机房设备实际运行中，由于数据机房内设备安装不平衡，部分区域大功率设备安装集中而目前的空调系统无法提供足够的制冷量，导致数据机房内部局部过热的现象，IT设备运行安全性降低，甚至会导致个别设备因过热而停机等严重后果。同时由于部分区域湿度过大，降低了 IT 设备运行和可靠性，严重时可以导致个别设备出现短路现象。因此需要根据数据机房内 IT 设备的具体运行负荷对空调系统分配做出合理调整。由于空调 BA 自控系统未实现根据负荷变化情况，所以空调系统宜采用变频、自动控制等技术进行 IT负荷调节，以保证温湿度在合理要求范围内的同时达到节能的目的。

（2）由于数据机房内单台柜体设备采用前后通风，且该数据机房没有采取冷热通道隔离措施，热量堆积在设备内不能及时排除造成热岛效应。因此应在数据机房 IT 设备上方与吊顶之间设置隔板将冷热通道分离，防止冷空气旁通，增强散热能力。