摘要：随着全国数据中心建设数量急速增加，数据中心的用电量占全社会用电量的1.5%以上，已经引起人们关注，国家也业已提出绿色数据中心建设试点工作的要求，推动我国数据中心行业节能减排，降低能耗。空调系统作为数据中心第二大能耗系统，不管方案设计还是日常维护中，做好空调系统节能工作，能够有效降低数据中心的能耗，减少数据中心的运营成本，使其可持续绿色运营。
关键词：数据中心；空调系统；节能
前言：在数据机房运行中，会对其运行造成影响的因素主要有运行环境的温湿度及洁净度等，而要想保证运行环境的稳定性，需要依靠空调系统来实现。这也充分体现了在数据中心建立空调系统的重要性。从能耗总量上来看，空调系统的能耗占数据中心总能耗的1/3左右，是能源消耗的主要系统。在此基础上，对空调系统的节能降耗进行研究，并对节能降耗技术进行创新，以求达到节能降耗的目的，确保数据中心的运营成本能够得到降低。
1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。
（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）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。
（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。
2数据中心空调的节能措施分析
2.1提高供回水设计温度
对于大型数据中心而言，相对于风冷空调，采用中央空调水系统仍然是比较节能的一种方式。以往数据中心冷冻水供水设计温度为7℃—12℃，末端空调不但担负着设备热负荷，也担负着房间湿负荷。随着温湿度独立控制技术的广泛应用，以及新国标GB50174-2017中IT设备的进口温度值范围的放宽也为提高设计水温提供了基础条件。提高空调冷冻水供水温度，一方面能提升冷水机组的COP值（温度每提升1℃，冷机能效提高3%~4%），如图1曲线是在冷冻水温差及冷却水温度恒定的情况下，某台冷水机组的冷冻水供水温度对冷水机组效率的影响。另一方面也使得某些情况下，空调系统利用自然冷源的时间加长，从而降低冷水机组的运行费用，达到节能的目的。
图1 冷水机组效率与冷冻水供水温度的关系
2.2提高送风温度
国标GB50174-2017《数据中心设计规范》明确了冷通道或机柜进风区域的温度值为18-27度，在设备允许的情况下，提高数据中心环境温度，空调系统越节能。空调的蒸发温度相应提高，制冷系数提高，机房回风温度每提高1℃，机房空调的耗电量能节约2%~5%。因此有条件时，尽量提高送风温度。但需要指出的是，机房送风温度升高将导致服务器功耗增加，数据中心的总能耗并不一定降低，因此需要做整体评估后才能决定送风温度是否提高，提高至多少。
2.3良好的空调气流组织形式
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。
数据中心常见的空调气流组织形式有三种，分别为房间级气流组织，行级气流组织，机柜级气流组织。房间级气流组织一般采用架空地板，下送风，冷通道封闭，上回风方式。架空地板起到静压箱的作用，通过冷通道里的开孔地板进入机柜前面板，穿过机柜从后面板出风，再通过回风百叶窗回到空调间，进入末端空调，形成风路。采用此方式能够获得可靠和均匀的冷却气流分布，隔离了冷热气流，能够有效回风，提高了空调系统的制冷效率，降低了空调系统的能耗。
2.4末端空调的选择
冷冻水机房专用空调是房间级气流组织中最常见的一种空调形式，房间级机房专用空调末端的连续耗能运转部件为风机，出于节能考虑，主流厂家均配置具有内置控制器后倾式电子控制换向电动机的风机，即EC风机。一般冷冻水机房专用空调的制冷能效系数为0.1左右，（注：制冷能效系数=制冷设备耗电/ⅠT设备耗电）。
目前数据中心里常见的空调末端形式还有冷冻水列间空调，列间空调是一种把空调机放置于机架间的一种空调机。其气流组织为前水平送风，将冷风送至冷通道内，冷风进入机架的前门，与ⅠT设备换热后经过热通道回风至列间空调。由于这种方式的气体输送距离短，风机功率小，且配合冷通道封闭能够有效减少冷热风混合，提高冷却效率，故越来越被广泛应用。冷冻水列间空调的制冷能效系数为0.04左右，较冷冻水机房专用空调而言，其相对节能。
2.5自然冷却技术
数据中心的运营是从不间断的，这也代表着对其的供冷也不能出现间断。一般情况下，即便是室外温度远低于制冷系统内循环冷冻的水温，制冷系统的冷水机组仍然能够正常工作。自然冷却技术作为一种重要的节能降耗技术，其的工作原理是在过渡季节内，对数据中心的制冷优先使用免费冷源，且制冷过程不需要依靠压缩机来实现，可以使制冷系统的运行省去压缩机的能耗，从而达到节能降耗的目的。自然冷却技术主要分为两种：一种是水侧自然冷却技术，一种是风侧自然冷却技术。水侧自然冷却技术的工作原理是在冷水与冷却水系统内，对板式换热器进行串联，以便保证冷水的供回水温能够稳定在12℃/18℃。同时，在冷水供水温度超过16℃后，制冷系统的冷水机组将全面开启冷负荷，对数据中心进行制冷；而若是冷水供水温度高于10℃但低于16℃，则制冷系统将会用免费冷源替代冷水机组的部分功效，通过利用免费冷源和冷水机组共同对数据中心进行制冷。当冷水供水温度低于10℃后，制冷系统的冷水机组会被关闭，只依靠免费冷源对数据中心进行制冷，以便降低能源消耗。风侧自然冷却技术的工作原理是将室外空气输送至混风室与数据机房内的回风进行混合，并利用过滤与加湿等环节对机房内的混合风进行处理，利用AHU风扇将机房内的混合风输送至蒸发盘管，利用盘管对室内风进行冷却，最后利用送风管道将经过处理的空气输送回数据机房。这种技术的应用不仅能够有效降低数据机房的回风温度，也能够降低精密空调的耗冷量。
2.6采用变频设备
数据中心的冷水机组能耗是跟随末端IT负载和室外环境温度的变化，特别是大中型数据中心，业务上架也不是一步到位，需要经过几年的过程，冷水机组大部分时间运行在非工况情况下，通过使用变频冷水机组，每年可节省20%左右的能耗，同时水冷系统中冷冻水泵、冷却水泵、机房里的末端空调EC风机均使用变频设备，可以实时根据IT负载的情况自动调整，能够节约大量的冷量。
3结语
综上所述，本文从以上几个方面对空调系统节能性进行了研究分析，通过各项节能措施，使数据中心达到节能减排和低碳环保的效果，最后达成可持续绿色运营的目的。
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论文作者:贝展林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/22
标签：数据中心论文; 空调系统论文; 空调论文; 气流论文; 温度论文; 机房论文; 节能论文; 《基层建设》2019年第24期论文;