数据中心园区空调温控系统节能降碳措施探讨

王 强，黄俊敏

（中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510623）

0 引 言

在数字经济时代和“双碳”背景下，如何做好数据中心能耗管控是关键，数据中心电源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是评价数据中心能耗指标重要标准之一，PUE=数据中心总的能耗/IT设备的能耗，越接近 1 表明数据中心的能效水平越好，在“东数西算”工程对数据中心 PUE 水平的要求高于当前水平（如 1.2 左右）[1]。数据中心总能耗与 IT设备能耗之间的差值主要为空调制冷系统用电，空调制冷系统作为保证数据中心安全运行的基础设施，其能耗制约着数据中心PUE值的压降，空调制冷温控系统节能是数据中心的低碳核心[2]。积极探索数据中心空调制冷温控系统的节能措施可有效助力运营商实现“碳达峰”和“碳中和”目标，本文将从空调冷源优化、冷量传输优化、末端设备优化3个方面探索存量数据中心空调制冷温控系统的节能降碳改造措施。

1 节能降碳改造措施

1.1 空调冷源优化措施

数据中心根据当地气候条件，充分利用自然冷源，适宜地选择板式换热器+冷却塔、氟泵、热管、引入新风等方式[3]。同时，提升机柜进风温度、机房环境温度、冷冻水进回水温度来增加利用自然冷源的时间。

对于数据中心园区内有条件建设集中冷源设施的，可采用整楼的风冷系统更改为水冷系统（如冷水机组+冷却塔）。对于相应的机房内空调末端，可逐步更换。冷却塔供冷的应用通常在原有空调温控系统增设一个板式热交换器和冷水机组并联，从冷却塔过来的冷却水通过封闭的冷冻水循环和板式换热器进行热交换，冷冻水循环和冷却水循环成两个相互独立循环系统，冷冻水系统与冷却水系统是完成隔离的，并不直接接触。夏季可以按常规空调水系统运行，转入冷却塔供冷时，将冷水机组进行关闭，切换到冷却塔运行模式[4-6]。

冬季和过渡季节当室外温度降低时，关闭冷水机组，停止压缩机启动，直接利用冷却塔为空调末端提供冷水，达到利用自然冷源，节约能源的目的。

当空调室外机平台自然冷源条件较好、空调室外机具备良好的通风条件时，可采用氟泵空调或对现有空调进行氟泵改造。风冷机房空调和自然冷源应用相结合的技术，温度越低、持续时间越长，节能效果越好。在北方地区的新建机房可直接应用，避免了对现有系统再进行其他自然冷源的节能改造。中央空调主机由定频改造为变频机组，可以显著提升综合能效比，优化喘振防护特性，避免启动电流冲击，降低机组运行噪声。

1.2 冷量传输优化

主设备布放采用“面对面、背对背”散热方式时（气流组织正常），可进行封闭冷/热通道改造，提升制冷效率。如主设备列均为同向摆放“面对背”（气流组织混乱），可采用精确送风，将冷风直接送至机柜导风门内。

按照不同设备的发热需求量，对冷通道进行封闭，实现制冷量按照机架的发热量按需分配进行精确送风，如图1所示，避免机房局部高温隐患的同时又实现机房制冷量分配合理，从而提高空调系统利用率，达到节能降碳的目的[7-9]。

图1 精确送风示意图

当采用风帽上送风时，如远端送风距离过长（从空调机组至远端设备距离大于10 m）可改造为风管+静压箱上送风，延长冷风输送距离；当采用地板下送风时，也可同时采用精确送风，将冷风通过通道/管道直接送至机柜。

对有源设备配备通风地板，其他设备进行盲板封闭，根据通信设备发热量选择通风率合适的通风地板。

机房内设备未装满时，在无源设备位置和无机柜位置采用防静电地板进行封堵，实现冷风的有效隔离。通风地板应布放在冷通道上面，下送风空调回风口应对齐热通道。

1.3 末端设备优化

对送回风设置的合理性进行排查，关闭或封堵设于无设备区或热通道内的送风口，对大发热量设备进风口附近加强送风。设备局部散热量较大而无法顺利回风时，应通过挡风面板、挡风玻璃等措施对设备排风进行疏导。应对空调回风的通畅性进行必要排查，设备排布对空调回风造成严重影响时，应考虑对设备或空调安装位置进行调整，甚至改用行间制冷空调、吊装风柜等特殊形式的空调，确保送回风通畅。

空调依靠自然回风，回风点过于集中、空调回风口与远端机柜排风口距离大于15 m时，宜根据现场条件将空调适当拆分为多台小冷量机组、分散布置，提高回风通畅性。空调设备难以分散布置时，可采用局部设置回风管、设置导流风机等方式增强回风效果。对于设备发热密度较大或发热密度不均匀性强的机房，宜根据机房具体安装条件，考虑采用精确送风、冷池、行间制冷等技术进行改造。高热设备的排风对周边设备的空调效果造成影响时，宜采用挡风隔断等措施形成冷热通道分离。冷通道温度宜按设备降温需求控制，热通道温度不作为机房温度控制依据。

2 典型案例

某数据中心配置了4台定频低压离心式冷水机组（19XR550RT×2+19XR1100RT×2），总制冷量11 606 kW，标准工况下出水温度7/30 ℃，空调系统需要全年不间断供冷，平均负荷大约80%，提供机架数量3 000个，单机架设计功耗5 kW，实际IT负荷约12 000 kW，平均PUE为1.6左右。

将9台定频低压离心式冷水机组改造为变频低压离心式冷水机组，并在现有的空调温控系统中增加板式热交换器与冷水机组进行并联，如图2所示。从冷却塔过来的冷却水经过封闭的冷冻水循环和板式换热器进行热量交换，当室外温度降低时，关闭冷水机组，停止压缩机启动，直接利用冷却塔为空调末端提供冷水，达到利用自然冷源的目的。将8个存在冷量损失时未完全封闭的机房进行冷通道封闭，并在无机架设备的位置全面加装挡风盲板，从而避免冷量流失。机房封闭冷通道前后示意如图3所示。

图2 中央空调系统增设板式热交换器示意

图3 机房封闭冷通道前后示意

年节电量1 200万kW·h，年节省840万元，减少1 200万kg二氧化碳，同时降低污染物排放量320万kg碳粉尘、36万kg二氧化硫、18万kg氮氧化物，PUE值降为1.49。

3 结 论

数据中心PUE 是评价数据中心能耗指标重要标准之一，空调制冷温控系统节能是数据中心的低碳核心，能耗制约着数据中心PUE值的压降。从空调冷源优化、冷量传输优化、末端设备优化3个方面探讨空调制冷温控系统节能降碳，并结合案例通过引用自然冷源、主机变频改造，优化气流组织和设备排风疏导等措施，可有效降低数据中心能耗PUE值和二氧化碳、碳尘及氮氧化物的排放，从而达到绿色节能降碳的效果。