简析数据中心空调系统节能技术的应用

程小静 刘彬

华信咨询设计研究院有限公司

随着云计算、大数据、人工智能、物联网的深入发展，信息数据呈现快速增长趋势，数据中心的能耗在能源消耗中所占的比例不断增加。通常，IT 设备能耗约占数据中心总能耗的50%，空调系统能耗约占40%，供电系统能耗约占10%[1]。空调系统能耗作为数据中心能耗的主要组成部分，是数据中心节能潜力所在，如何提高空调系统运行效率、降低空调系统能耗，从而实现数据中心高效低碳健康发展显得尤为重要。

1 数据中心能耗分析

针对大型数据中心采用集中式冷冻水空调系统，其能耗主要由冷源能耗（主机能耗）、输送能耗（水泵能耗）、末端能耗（风机能耗）三大部分组成（图1），在保证通信设备安全运行的前提下，可以从各环节入手，以达到最大限度的节能目的。

图1 集中式冷冻水空调系统能耗组成

冷源能耗受室外环境温湿度、机房环境温湿度、IT设备负载率、冷冻水供回水温度影响较大。

输送能耗主要取决于水冷系统架构，各机房管路设计需考虑互用互通，同时在每个节点两端设置阀门，保证单点故障或单点维护时可以满足整个水系统的不间断运行。为了有效的提高设备能效，冷冻水泵、冷却水泵均采用变频技术，按照实际负载有效控制水泵的转速，实现部分负荷时段的节能运行。

末端能耗受机房内部气流组织影响较大，气流组织不合理或服务器分布不均匀会导致局部热点的出现。通常，运维人员会调低空调设备的运行温度，整体降低机房环境温度，当机房空调运行工况参数降低时，对应的风机功率也会提高。因此，机房空调温度设定的不合理会极大地增加末端系统的能耗。另外，数据中心空调末端具有多元化，针对高热密度机柜（单机柜功耗大于5 kW，甚至达到10～20 kW），采用新型空调末端（行间背板液冷等）成为数据中心空调末端发展趋势，它不仅能解决高热密度等大型服务器散热问题，同时也提高了机房利用率，降低了末端系统运行能耗。

2 空调节能技术

2.1 合理利用自然冷源

数据中心常年需要不间断供冷，在冬季和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，如何利用免费冷源进行冷却是数据中心空调系统节能的重点问题。本文主要介绍在工程中运用较多的水侧自然冷却技术、间接蒸发冷却技术。

2.1.1 水侧自然冷却技术

应用水侧自然冷却技术，即采用冷水机组+板式换热器+冷却塔组成的集中空调系统形式。当室外环境温度较低，全部或部分使用自然界的免费冷源进行制冷从而减少冷水机组压缩机的能耗。以北京某数据中心为例，如果将冷冻水供回水温度提高到15 ℃/21 ℃，当冷却水供水温度高于13.5 ℃时，冷水机组为数据中心提供全部冷负荷。当冷却水供水温度低于13.5 ℃且高于8 ℃时，系统开始使用部分免费制冷，此时冷却塔和冷水机组共同承担系统的冷负荷。当冷却水供水温度低于8 ℃时，冷水机组停止运行，全部由冷却塔免费供冷。

基于北京全年湿球温度时长分布（图2）和不同运行工况小时段（表1）：一年中有62.8%的时间（5502 h）可以利用自然冷源，其中48.3%的时间（4231 h）为全部自然冷却，14.5%的时间（1271 h）为部分自然冷却。在冬季和过渡季节，通过自然冷却技术减少冷机的运行时间和强度，有效降低空调系统功耗。

图2 全年湿球温度时长分布

表1 不同运行工况小时段

2.1.2 间接蒸发冷却技术

应用间接蒸发冷却技术，即机房室内回风与室外新风通过间接接触进行显热交换，室外新风侧通过与直接蒸发冷却填料、高压喷头形成的雾化水滴、换热器表面的水膜等直接接触，进行充分的热湿交换。通过绝热喷淋、等焓加湿得到的室外侧空气温度（理论上可以将室外的干球温度冷却到和湿球温度相同）与机房内部回风温度形成温差，通过空气-空气换热器进行换热，从而达到冷却IT 设备的目的。

间接蒸发冷却系统（图3）以自然冷却为主，机械制冷作为补充，当室外环境温度较低时，机房室内回风通过空气-空气换热器被室外低温空气直接冷却，当室外环境温度较温和时，室外空气通过喷淋蒸发系统进行冷却，再通过空气-空气换热器冷却室内回风，当室外温度较高且湿球温度也高时，喷淋蒸发系统和机械制冷系列联合运行，共同满足制冷需求。

图3 间接蒸发冷却空调系统示意图

间接蒸发冷却技术可显著提高全年免费制冷的时间，与常规机械制冷相比，在炎热干燥地区可节能80%～90%，在炎热潮湿地区可节能20%～25%，在中等湿度地区可节能40%，极大降低了空调系统能耗。

2.2 气流组织优化

机房气流组织是影响数据中心空调系统节能的重要因素，不同的气流组织形式对机房环境温湿度的控制及设备冷却效果会产生直接的影响。在数据机房中，空调送风方式的选择、机柜的排列布置影响到机房内部整体的热量分布，也是体现气流组织优化的一个重要方向。通过合理的送风方式和机柜的优化布置，可以有效降低空调系统能耗，减少冷热气流间的相互影响，提高冷量利用率，同时使机房内部温度分布更为均匀，避免局部热点的产生。

2.2.1 地板下送风+封闭冷通道

将冷风送至架空地板下，机房内架空地板下形成静压腔。在封闭冷通道内设置通风地板，地板下的冷空气通过通风地板送至服务器机柜，达到“先冷设备，再冷环境”的目的，提高空调利用效率，降低能耗。服务器机柜内的热量从机柜后部或上部排出，经过精密空调处理后重新形成冷空气送至机房，完成循环过程。封闭冷通道后，空调回风温度可提高至33 ℃左右（传统机房回风温度24 ℃），减少空调系统运行能耗。冷通道示意图如图4 所示。

图4 封闭冷通道示意图

2.2.2 弥漫送风+封闭热通道

将冷风直接送至机房冷通道内（不设架空地板），带走服务器机柜的热量，从机柜后部排出至封闭热通道，再通过热回风吊顶送至空调上部回风口，经冷却处理后重新形成冷空气送至机房，实现循环制冷的效果。封闭热通道后，空调回风温度可提高至35 ℃左右，冷水供水温度相应提高，水侧免费自然冷却时间延长，冷水机组COP 提高[2]。同时，供水温度的提高对冷机效率也有影响，蒸发温度每提高0.6 ℃，效率增加1%～3%,冷机的能耗显著降低。热通道示意图如图5所示。

图5 封闭热通道示意图

2.3 采用变频技术

数据中心的服务器功耗与承载业务量和运行状态有关，每天24 h 都在变化[3]，因此数据中心的能耗也会呈现周期性的变化，空调系统大部分时间在部分负荷下运行，采用变频压缩机、水泵、风机等设备可有效提高空调系统制冷效率[4-5]。冷水主机根据末端负载的不同变频调节，使机组保持较高的运行效率，同时避免了运行工况的剧烈变化，如压缩机的频繁启停等，提高了设备工作的稳定性，延长了使用寿命。在数据中心负荷和机房室内外温度发生变化时，可以通过调节转速改变冷却塔风机和水泵的性能曲线，使系统保持较高的运行效率。当流量减少50%，普通空调系统的风机或水泵能耗减少20%～30%，采用变频技术可减少70%～80%[1]，节能效果明显。

2.4 采用液冷技术

应用液冷技术，即使用液体取代空气作为冷媒，为发热部件进行换热，带走热量。根据制冷液体与设备之间的接触方式，分为冷板式（间接接触）和浸没式（直接接触）。冷板式液冷，是在发热芯片处加装液冷板，液体在通过冷板的时候将设备的热量带走，达到散热的目的，机柜内部由于不能接触到液体，依然需要风扇来散热。浸没式液冷的特点在于将服务器等需要散热的IT 设备完全浸没在冷却液中，依靠液体的循环流动带走热量。由于冷却液和IT 设备充分接触，再加上没有风扇，散热效率更高，噪音更低。

液冷系统由液冷终端、热交换单元（CDU）、冷源设备组成（图6）。CDU 为整个室内系统冷媒提供循环动力，保证冷媒持续循环，源源不断地带走负载热量。通过综合分析系统运行状态，根据预定策略，调节系统中冷媒的流量、流速。室内侧与室外侧通过CDU 进行热交换，最终将负载产生的、由冷媒携带的热量高效传递到室外侧。

图6 液冷系统运行原理图

液冷技术的高效制冷可以有效提升服务器的使用效率，液体导热能力更好，是空气的25 倍，温度传递效果更快、更优，实现IT 设备高效制冷。液冷数据中心虽然增加了泵和冷却液系统，但省却了空调系统和相应基础设施的建设，节省了大量空间，有助于提高数据中心单位空间的服务器密度。同时液冷技术对于高功率密度服务器的冷却能力优良，可以得到更高的运算效率。与传统风冷系统相比，液冷数据中心能有效降低能源消耗（如表2 所示），很多浸没式液冷数据中心的PUE（数据中心电力使用效率指标）甚至可以降到1.05，满足绿色数据中心的要求。

表2 机柜不同冷却方式对比分析

3 结束语

本文对数据中心冷源能耗（主机能耗）、输送能耗（水泵能耗）、末端能耗（风机能耗）进行了研究分析，最大限度利用自然冷源，对数据中心气流组织进行优化，采用变频技术和新型液冷技术，在保证可靠和安全的前提下，实现数据中心空调系统节能最大化，为实现数据中心高效低碳健康发展提供参考和依据。