数据中心自然冷源新风系统的“降碳”应用

徐 燊

（中国铁塔股份有限公司湖州市分公司，浙江 湖州 313000）

0 引 言

随着互联网信息技术的高速发展，计算规模和计算密度日趋增加，造成机房热负荷居高不下，数据中心的机房空调成为了不可或缺的安全保障。然而，数据机房空调运行电费高、能耗大，与当前国家“双碳”战略大力倡导的降低碳排放，发展绿色技术创新思路相差甚远。为了降低机房能耗，需要引入更加经济、“绿色”的冷却技术，由于数据中心机房一般不开设窗户，并且保温性能良好，正常情况下华东地区即使在冬季数据中心的空调也需要制冷。根据以上情况，实施机房改造引入室外自然新风，通过新风与空调联动工作，不仅可以节约电能同时也延长了机房空调运行寿命，这一思路正好也与国家“降碳”战略不谋而合。

自然冷源新风系统是利用室外自然冷源为机房提供降温的设备，当室内外焓差满足一定程度时，自然冷源新风系统将室外冷空气引入室内，并带走热量。华东地区自然冷源新风系统平均可投入时间长，从10月起至次年6月，春、秋、冬3个季节均可以部分或全部替代专用空调为机房提供冷源。由于其成本低在数据中心得到了广泛的应用。实际在我国不同省份区域实施，需根据本地气象条件和机房热负荷特点，制定详细的新风节能改造方案，通过空调联动控制，确保温度控制在合理范围，保障数据中心空气环境要求。

1 机房运行状况

本文涉及的研究对象位于华东地区浙江湖州市某数据中心，布局如图1所示。该机房实际使用面积为324 m2，送风方式采用下送风上回风方式，利用机房静电地板形成静压箱和冷风通道，将冷空气经地板通风口送到设备区域，在设备机柜上方吊顶处回风。该数据机房发热量约为75 kW，机房内设备365天不间断工作，机房散热量中95%以上为显热，热湿比近似无穷大。改造前机房配置有3台佳力图机房专用空调，每台最大功率为42.7 kW，制冷功率为18.7 kW，最大显冷量67.5 kW，在夏季高温季节需要3台机房空调全部运行，过渡季节也需要二台空调同时运行。机房空调运行能耗很大，约占数据中心总能耗的42.3%，数据中心年平均PUE值约为1.78，属于高能耗场景。通过改造，新增4套新风机组与机房原有的3套机房空调以联动方式运行，从而降低机房运行能耗。

图1 数据机房平面布置图

2 新风系统原理及联动控制

根据现场勘察的情况和机房负载运行分析制定了本地化新风改造方案，结合运营商对数据机房实际节能指标要求，对该机房实施安装4套新风系统，系统配置如表1所示。

表1 机房新风系统配置

2.1 新风系统构造原理

新风系统由设备箱体、进风单元、排风单元和控制系统组成。系统的进风单元和排风单元需要在墙体开孔后安装，因此在机房内需要预先选择合适的安装位置，如机房现场条件允许进、排风单元应尽量分别安装于机房的两端，避免冷风短路，进、排风单元结构如图2、图3所示。新风系统进风和回风管道内的防火风门有手动和自动两种控制模式，在自动模式下可根据现场情况由控制系统动态调节风门开度。控制系统通过对比新风和机房两份温、湿度数据，经计算后调节进风管防火风门和回风管防火风门开度大小控制进风量。新风引入时首先利用灰尘颗粒传感器探测灰尘颗粒度直径，设计滤网灰尘颗粒满足5 μm初级过滤后通过率低于15%；通过5 μm中级过滤后通过率低于1%；灰尘颗粒直径在0.5 μm的过滤通过率可低于4%。当室外灰尘颗粒直径超标且浓度较大时，控制系统会自动关闭新风，同时启动机房空调。当室外灰尘颗粒满足洁净度要求，此时温湿度传感器检测到室外环境温度低于23 ℃时（设定值可设置），自动启动新风系统运行，打开进风门、关闭回风门，同时关闭机房空调。利用送风风机将机房外灰尘浓度较低的冷空气吸入新风主机，经过系统过滤装置（初效、中效、高效）的处理，使引入的空气洁净度在满足相关环境要求后送入数据机房。冷、热空气在机房内经过热交换以后控制系统会开启排风装置的风门，将机房内的热空气排出。考虑到室外空气温度波动较大，为满足室内的环境温度要求，通过设定室内温度下限来控制新风开停状态，无论室外气温如何变化，使室内温度始终保持在合理的范围之内。另外，新风系统具有湿膜加湿及混合除湿功能，在室外空气湿度低于机房环境要求时，开启加湿功能进行加湿，在室外空气湿度超过机房环境要求时，通过与回风的混合进行降湿。

图2 新风系统进风单元剖面图

图3 新风系统排风单元剖面图

2.2 新风系统与空调联动控制

系统具有与空调联动功能，新风运行时可通过继电器方式或串口控制方式自动关断机房空调运行，实现温度的联动控制，系统电气联动控制如图4所示。根据机房环境要求，新风系统与空调联动参数设置如下。

图4 新风系统电气联动控制

新风启动温度设定为室内温度23 ℃，停止运行温度设定为26 ℃；空调启动温度设定为26 ℃；当室内温度低于23 ℃以下时新风系统停止工作。系统在实际应用中可根据不同地域情况、不同气象条件、不同节能指标的要求，对联动运行温度参数进行修正，从而尽量增加新风系统在联动方式下的运行时长，提高新风系统运行效率，降低机房综合能耗。

3 自然冷源新风技术的使用优势

浙江地理位置优越气候总的特点是冬夏季风交替显著，年温适中四季分明，年平均气温在15～18 ℃。据气象部门资料显示：浙江湖州平均年度气温低于18 ℃的天数为170～200天，保守估计至少可使用180天，系统全年投入使用效率实际可达80%，并且由于华东地区相对环境湿度适中、空气质量好，适合将室外新风直接引入室内使用，无需通过换热器与室内空气间接换热后再被利用，故转换效率高，经济效益显著。如果在我国北方地区或南方地区应用则因环境温度、湿度和空气质量差异大，在改造应用前需要详细评估当地气象条件后实施，应用中需对新风系统联动控制参数进行相应调整以适应当地实际情况。

4 启用新风系统节能对比

通过提取该数据中心2021年1～6月半年的运行数据进行对比分析，方式一为：关闭新风只开启空调，方式二为：启用新风与空调联动。通过两种运行方式对比，联动方式下节电效果更明显，统计数据如表2，新风系统和空调系统联动运行曲线见图5、图6。

图5 新风系统1～6月运行曲线

图6 空调系统1～6月运行曲线

表2 新风系统关闭和联动两种方式下能耗对比

根据上表数据对比，新风与空调联动时机房总用电量比关闭新风启用空调时总用电量可节约22%～30%，适合小面积、高能耗数据中心使用。1～6月节约用电量124 160 kW·h，按电价0.94元/kW·h实际节电产生效益116 710.3元。与改造前该数据中心节能评估（按机房发热量为75 kW，机房空调正常运行两台开启，一台备用时计算，新风系统按使用180天），推算得出可节约电费116 138.8元，节电经济效益显著。

5 结 论

由于数据中心普遍发热量大、空调设备运行能耗高，在满足当地气象条件的基础上可通过实施机房改造引入自然冷源新风，作为机房单一空调降温方式的补充，既满足了数据中心节能减排要求，同时也符合国家“降碳”应用的要求，应用前景非常广泛。数据中心在当今信息化社会中扮演着不可缺少的角色，实施数据中心节能减排技术对于控制成本、提高运行效率具有非常关键的意义。自然冷源新风系统能够为高能耗数据中心落实节能降耗提供一种改造思路，通过合理配置结构，结合优化运行策略可降低数据中心运营成本。在国家“碳达峰、碳中和”整体战略下，自然冷源新风系统将会走入更多数据中心。