中小型数据中心空调系统设计及节能措施

雷明慧

（天元瑞信通信技术股份有限公司，陕西 西安 710075）

0 引 言

目前全国数据中心能效水平保持平稳，能效比不是很高。数据中心全国统筹规划和顶层设计机制未建立起来，布局没有跟应用需求、产业发展、能源结构以及气候环境等因素有效结合起来，节能水平不高，重复建设、低小散问题严重，能耗过高已经成为数据中心目前面临的巨大挑战[1]。2018年，全国数据中心总耗电量1 500亿kW·h，达到了社会总用电量的2%；2020年用电量突破2 000亿kW·h，占全社会用电总量的比重约为2.7%。预计到2025年，占比将增加一倍，达到4.05%，甚至有机构预测这一比例将达到惊人的8%[2]。数据中心单位能耗非常大，而能源的有效利用率却相对较低，节约能源、降低能耗已经成为数据中心的热点问题。现代化背景下，数据中心机房中的电能消耗主要体现在服务器、交换机等数通设备的用电和空调、照明及办公等基础设施的用电方面。基础设施中空调系统的能耗较大，节能潜力大，是数据中心节能的重点[3]。

1 空调系统比较

在空调系统选择上，要结合当地自然条件及费用比选择空调机组。目前数据中心常用的空调系统主要有风冷型精密空调系统、冷水机组+冷冻水精密空调系统、乙二醇冷却水自然冷却系以及氟泵系统等。各空调系统的优缺点对比如表1所示。

表1 几种空调系统能力对比

中小型数据中心存在场地小、维护人员不足、设备装机慢以及散热相对较慢等特点，采用冷冻机组空调不一定比风冷式空调的能效比高。如果采用大容量的冷冻水机组，初期投资高、需要人员维护，同时在北方秋季、冬季室外温度较低的情况下，可能出现室外机组利用率不高的现象，导致整体机组效率较低，间接增加了成本，而且也不能起到节能的效果。此外，水系统空调管道多、阀门类型复杂，导致空调机组出现故障的概率较高，一些单阀门、单水泵容易出现单点瓶颈现象。采用水系统空调配置的冗余量较多，不仅增加了初期的建设投资，而且还增加了后期的维护量。从投资、运维等方面综合考虑，中小型数据中心一般采用风冷型精密空调系统。

2 空调设计

2.1 空调设置

机房空调的配置是根据数据机房数据设备的散热负荷、机房内人体的热负荷、机房建筑围护结构的热负荷、机房照明装置的散热负荷以及新风系统负荷等确定，同时要结合机房内环境要求及热湿负荷选择合适的送风或回风温度等。一般中小型数据中心的服务器机柜普遍采用冷热通道隔离的方式进行布局，使进入服务器机柜的冷空气与服务器排出的热空气在机柜周围进行隔离。空调进风口处的温度降低，保证空调系统效率的提高。根据设备发热、空气流速以及冷热空气的交换，机房内单机柜的功率在5 kW以下时，机柜布置一般采用冷热通道不封闭方式，降低投资。当单机柜功率超过5 kW时，由于热空气流速慢、回风不畅，空调进风处温度高，容易导致空调制冷效果不足，因此一般采用冷热通道封闭方式[4]。

2.2 气流组织

目前，中小型数据机房一般采用地板下送风或行间水平送风方式实现制冷。机柜一般采用正面对正面、背部对背部的布置方式，正面送风，背面或顶部回风，回风方式包括空间自然回风或吊顶内风管回风等。将空调靠近设备散热区域，送风距离较短，减少了气流传递过程中压力的损耗，同时冷空气在传输中的泄露量也大大减少，提高了制冷效率，实现了节能减排[5]。

3 空调采用的节能技术

中小型数据中心风冷型空调制冷技术节能改造时，既要考虑新颖的技术方案，也要结合工程的可行性及性价比进行整体分析对比。

3.1 水帘新风技术

水帘新风节能系统能够通过检测机房内外的温湿度，自动按照预先设置的参数控制水帘新风系统及空调的开启与关闭。大量的非饱和空气通过蒸发式水帘提高其饱和度，从而使环境空气的热力学状态发生变化，近似于等焓降温过程，降低进入室内环境空气的温度。室外机组采用纤维布过滤和湿膜过滤，内机采用初效过滤和中高效过滤，同时增加混风功能，从而进一步提高新风的洁净度和机房的安全性。配置相应的排风机，提升数据机房内热量向外排出的效果，实现机房内设备高效散热[6]。通过该设备与机房空调的联动，最大限度节约电能，同时也节约了后期的运营成本。

3.2 机房换热技术

换热设备运行期间将室内外空气完全隔离开，通过室内外循环风机和换热芯体交换冷热空气，将数据机房内设备的热气交换到室外环境中，从而降低机房内部的温度。在机房外部，通过室外风机将室外冷空气送入换热设备的芯体处，然后通过换热芯体进行冷热空气交换，室外风机的排风口将交换的热空气排出至室外环境。在机房内部，机房内的风机将机房内的热空气送入换热芯体处，通过换热芯体进行热冷空气交换，再由机房内的回风管将交换后的冷空气带入机房内。在换热期间，换热设备根据室内外温差，利用温度探测的数据值判断室内外循环风机的开启工作。机房换热设备的能耗远低于机房空调的能耗，同时换热设备仅交换冷热空气，不与空气直接接触，降低了室外环境对机组的影响[7]。

3.3 水喷雾节能技术

风冷型空调室外机组集中安装会产生热岛效应，导致空调冷凝温度升高，进而影响机组制冷效果。对此可以采取喷水雾化的方式降低室外机组周边的环境温度，从而降低空调的冷凝温度，提高空调的制冷效率。根据卡诺循环的4个可逆步骤，高温时吸热做功，低温时放热做负功，将热转换为功。对于制冷机来说，当蒸发的温度不变时，如果冷凝温度升高，则制冷量减少，功耗随之增高；反之，如果冷凝温度下降，则制冷量相应增多，功耗也随之降低。基于此，在压缩机工作的区间下通过降低冷凝温度可以减少压缩机故障及停机等问题的发生，从而降低机房的电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值[8]。

4 机房空调的运维优化管理

机房的回风温度会影响空调系统的制冷效率，通过减少空调变频启动，让机房回风温度保持在一个稳定的范围内，从而节省空调系统能耗[9]。机房精密风冷空调机组的能耗主要来源于压缩机以及风机等动力设备，对此可以选用能耗较低的设备，提高设备工作效率。在控制及运行方面也要进行系统节能优化，利用动环监控系统的遥测、遥信、遥控等功能对精密空调系统的运行数据进行分析统计。根据大数据统计结果进行故障预警分析，然后制定对应的解决方案，从而避免故障问题并提升制冷系统的效率，达到高效节能的效果[10]。除此之外，日常管理中还要对机房运维人员进行培训，提高运维管理人员的技能水平，强化专业性的学习。对机房精密空调的制冷系统进行预防性观察、检修，根据设备状况及厂家技术规范书等指导文件制定好相应风险处置预案。实时监测制冷系统的运行参数，避免异常现象的发生[11]。

5 结 论

随着中小型数据中心建设规模不断扩大，机房空间既要满足制冷设备的合理安装，同时还要保证机组的不间断稳定运行。从地理环境、建设复杂程度、电力成本、维护成本、系统能效、设备生命周期、稳定性以及可运维性等维度对各种空调系统进行综合比较，通过评估后选择最佳组合方案，以此达到有效降低能耗、节约能源的目的。