数据中心空调系统节能技术分析

潘勇

摘要：随着电子信息技术的飞速发展，数据中心单机柜功率密度越来越高，从3kW、4kW、6kW，甚至发展到10kW以上，还可能更高，耗电巨大，发热量更加集中，机房局部过热现象增多，机房内单位面积空调冷负荷急剧增加，由此引来的主设备运行故障和能耗逐年上升，甚至成为了制约通信业务发展的一大瓶颈。目前国内调查数据显示：IT设备能耗约占总能耗的50%，空调能耗约占40%，供电能耗约占10%。所以空调系统的节能是数据中心的节能核心，是降低数据中心能耗的重要途径，是数据中心节能最大潜力所在。

关键词：数据中心;暖通空调;高能耗

一、数据中心空调系统特点分析

1.1供冷时间长，送风参数相对稳定。数据机房负荷主要来自IT设备发热量，IT设备需要全年运行，即使在冬季室外温度较低时，机房模块内仍有制冷需求，要求空调设备长时间供冷。数据中心围护结构散热量、人员等负荷相对较小，设备全年冷负荷变化不大，因此数据中心空调送风参数比较稳定。

1.2显热大，潜热小。大部分数据机房为无人值守，室内无散湿源，且新风比例低。空调设备主要作用为控制室内显热，除湿负荷小，热湿比趋于+∞。为满足机房室内温湿度要求，空调系统具有送风温差小、送风量大的特点。

二、数据中心空调系统组成

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组成，其能源消耗主要集中在制冷系统和散热系统。制冷系统能源消耗受负载率、机房环境温湿度、室外环境温湿度影响较大。散热能源消耗主要取决于机房内部的气流组织，具体包括以下单元。

2.1制冷系统冷水机组，系统使用制冷剂的高压和低压形态使热量“逆势”从数据中心流向室外。制冷系统是保证机房温度的基础保障。

2.2散热系统风机或泵，利用空气或水将热量从数据中心运送至室外环境。排热系统产生足够的风量或水量以带走巨大的热量。

2.3降温辅助利用冷却塔、湿式过滤器或喷头将水蒸发以帮助将热量排到室外（仅适用于湿度小的干燥地区）。降温辅助系统增加换热效率，使系统热量更快地散出去。

三、数据中心空调节能措施

3.1利用自然冷源

机房空调一年四季都需要制冷，过渡季节室外温度低于室内温度时，自然界存在着丰富的冷源，如何利用大自然的冷源进行冷却是机房空调节能减排的重点问题。根据采取的技术措施不同，可分为新风自然冷却、乙二醇双冷源系统和氟泵空调系统等。

3.1.1新风自然冷却

新风自然冷却是将低温新风通入机房内对IT设备进行散热，系统由进（排）空气风道、风机及其控制系统组成。在冬季和春秋过度季节，当室外温度较低时，新风系统启动，室外低温空气经过过滤后进入机房内对设备进行散热，吸收热量的室外空气在室内外压差的作用下，通过排风口自动排出。由于直接引入新鲜空气，虽经过过滤，难免会引入灰尘，导致机房洁净度降低，影响通信设备的安全，因此不建议用于洁净度要求较高的通信枢纽楼等大型机房，可用于普通机房、小型基站等。

3.1.2乙二醇双冷源（图1）

由于乙二醇的冰点比较低，当室外温度低的情况下，不容易结冰，乙二醇双冷源空调是在传统制冷循环的基础上额外增加一套直接利用自然冷源的双循环系统，当室外温度高于室内温度时，蒸汽制冷循环系统开启，自然冷源循环系统关闭;当室外温度低于室内温度时，蒸汽压缩式制冷循环系统关闭，自然冷源循环系统开启，此循环过程的冷媒为乙二醇，乙二醇在水泵的作用下进入室内换热器带走机房内的热量，乙二醇温度升高，高温的乙二醇在室外换热器的作用下，将热量传递到室外环境。两种循环中，水泵的功耗远低于压缩机，有很大的节能潜力。内蒙古移动公司中心机房就应用了该技术，并得到了可观的收益。

3.1.3氟泵空调

氟泵空调是一种与风冷型机房空调系统配套的节能产品。对于传统的地板下送风机房空调，在冬季室外环境较低的时候，仍需要制冷，不能充分利用室外自然冷源，节能效果较差。针对这种情况，可以针对空调系统进行改造升级，在原有的空调系统上添加氟泵机组，通过控制系统，使其在冬季外界环境较低的时候，关掉压缩机，开启氟泵系统进行制冷，制冷剂在氟泵的作用下在室内换热器与室外换热器之间循环，带走机房内热量。通过氟泵改造，充分利用室外20℃以下自然冷源，在保证制冷量的同时减少压缩机的运行时间，可实现高达40%的节能。陈海东在对吉林省一枢纽楼的氟泵节能改造中表明：氟泵制冷循环时的功耗仅为0.75kW～1.5kW，远远小于相同制冷量下压缩机的消耗功率，这是节能的主要原因。

3.2优化气流组织

数据中心气流组织形式是影响空调系统节能的重要因素，冷气流动过程中的阻力越小，冷风和热风气流隔离的越好，冷量损耗的就越小，空调主机运行效果就越高，能效比越好。但经常是因为空调气流组织设计不合理或未经过CFD软件仿真测试，造成了冷气流的利用率低，使得空调系统能耗浪费。

3.2.1安装盲板

数据中心有一部分机柜内，由于设备数量较少，在机柜内分布不均，导致很大一部分冷风未经过设备直接进入机房内，这样就导致了空调的送风短路，使空调的制冷效率大大降低。采用在机柜内安装挡板的方法截断热空气短路循环的路径，安装盲板应用于数据中心简单可行。可减少冷风的短路，提高空调的制冷效率。

3.2.2合理布置

在机柜布置方面，传统机房一般按正面同向布置，缺点是前排机柜产生的热风被后排机柜吸收，冷热气流掺混严重，冷却效果不佳。如果机柜采用“面对面，背对背”方式排列，能够形成交替的冷热通道，防止冷热气流短路，提高冷风利用。

3.2.3封闭冷通道

机柜以“面对面”成排方式布置，在冷通道上机柜的顶部和整列机柜的两端进行封闭，从而实现冷通道降耗减排的封闭，通过约束机房空调送出的制冷风量，避免冷气流在输送过程发生泄漏和混风，让冷气流直接进入数据设备，并充分冷却数据设备，并让带走数据设备热量的热气流顺利返回到机房空调。

冷通道封闭约束的是机房空调送出的冷气流，冷气流直接冷却设备，消除以往“先冷环境，再冷设备”导致混风严重的缺点，解决了机房内局部过热问题，提高了空调利用效率、降低了机房能耗。

四、结语

通过对数据中心能源消耗现状及结构的分析，得出数据中心空调系统具有很大的节能潜力，是建设绿色数据中心的節能重点。并从五个方面对数据中心空调系统的节能技术作了分析和讨论，实际工程项目中，应结合数据中心自身的特点，考虑每种节能技术的优势和局限性，选择最合适的空调节能技术，才能取得最好的节能效果。

参考文献：

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