摘要：随着中国经济的迅速崛起，信息化、网络化的时代快速到来，数据中心的规模越来越大、服务器的发热密度越来越高，与之伴随的则是能源消耗的陡然升高。概述了目前数据中心工程设计时主要的暖通系统，逐一分析目前采用较多的节能措施特点、应用条件等，讨论了一些应用较少或较新的节能措施。
关键词：数据中心；发热密度；节能措施
一、引言
随着中国经济的迅速崛起，信息化、网络化的时代快速到来，作为信息化的基础设施，数据中心的规模越来越大、且服务器的发热密度越来越高，与之伴随的则是能源消耗的陡然升高，节能变得刻不容缓，从IT设备自身对周围环境的要求出发，制定一个系统的、有针对性的、安全的、节能的暖通空调系统方案成为暖通专业设计人员的主要目标。在2006年以前，单个数据中心的规模还很小，大多数均在2000m2以下，且单机柜发热密度也很小，采用的冷却方式一般为直膨式的机房专用精密空调，其特点是控制精度高，在寒冷地区能全年运行，使用寿命较一般舒适型空调长，但价格昂贵。2006年后，数据中心的规模越来越大，单个数据中心的面积达到上万平方米，如果还按照机房专用精密空调作为冷却方式，评价其节能效果的重要指标PUE(Power Usage Effectiveness)至少在2.0以上。
所以，这种冷却方式在规模较大的数据中心中会使得整个运行过程的电费大幅升高。针对这种情况，目前的普遍做法是用冷冻水系统代替直膨式精密空调，以冷冻水系统(一次泵或二次泵均可)作为基础，针对不同的气候参数、可利用场地、平面布局等条件又细分为多种形式，例如冷源可以是风冷冷水机组，也可以是水冷冷水机组；空调末端可以是精密空调也可以采用组合式空调，且组合式空调还可以采用热回收式机组等。本文主要从节能的角度出发，重点阐述可行的节能措施，针对具体工程，可根据实际情况选取合理的节能措施形成一个完整的、有针对性的空调系统。
二、数据中心机房环境要求
数据中心主要是给服务器、存储等设备提供一定的运行环境，服务器等设备均是处于全年不间断运行中，对于运行环境要求非常，涉及温度、湿度和空气洁净度。一般机房机柜区域或冷通道温度设置在24℃左右，湿度40%到65%，空气洁净度要求每立方空气中大于或等于0.5μm的悬浮粒子数少于1760000粒，如果空气中存在的硫化物、氮氧化物以及腐蚀性气体也会对于服务器等设备产生非常大的伤害。
相关统计数据显示，数据中心每年每平方英尺能源成本是普通办公室的十倍，其中暖通系统能耗最大，可见暖通系统能耗的严重性。导致数据中心暖通系统能耗高的因素有很多。首先，从新风处理角度来看。一些数据中心建设中，忽视了对自然因素的利用，不能新风处理能耗大，且处理效果不理想，导致新风处理过程中能耗问题突出。此外，一些数据中心规模扩大、设备增多，却没有合组织气流，结果造成冷风与服务器的热风混在一起，严重制约了暖通系统功能发挥，导致能耗严重，更给设备运行造成了不利影响。另一方面，一些数据中心缺乏相应管理制度，没有设置隔离门，造成数据中心与外界空气环境交换过于频繁，导致数据中心内部湿度、温度与实际需求偏差较大，就会加大暖通系统整体能耗，更会影响温度、湿度调节的效果与效率。此外，很多数据中心暖通系统控制技术存在问题，缺乏对节能问题的考虑，缺少对变频技术和智能控制技术的应用，导致整个暖通系统控制十分不灵活，导致温湿度调节效果十分不理想。
三、大型数据中心空调系统的特点
大型数据中心的空调系统的特点是由数据中心的现实情况所决定的，具有其独有的特点。大型数据中心为满足数据处理和数据储存的需要，会在有限的占地空间内安装尽可能多的设备和机架；所有的通信设备是需要全年二十四小时都处于不间断运行的状态，这导致数据中心的单位面积的散热量要达到甚至超越二至10千瓦。但是，这些设备也对数据中心内部环境的温度、湿度和洁净度有很高要求，一般符合要求的主机房设计温度是22-24℃，静态条件下的每升空气中0.5μm的尘埃数小于18000粒；并且为了防止空气中的硫化物、氮氧化物等腐蚀性气体腐蚀通讯设备，影响通信设备的正常运行和使用寿命，必须要保证数据中心的空气质量。同时，过于密集地摆放通信设备，会造成机房内部热量的集中，因此要把和控制机房内各区域温湿度和空气质量控制在合理的范围内，必然需要有较大的送风量带走热量。
因此数据中心空调系统具有送风量大、焓差小等特点。具体来说，送风量大就能够保证空调系统可以及时地排走数据中心内部设备运行时散发的大量热量，送风焓差小则能有效防止设备产生结露情况。
四、数据中心空调系统的组成
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三部分组成。
（一）制冷系统
主要是冷水机组，制冷系统的工作原理是通过转变制冷剂的高压、低压的形态，利用空气的流动性，迫使数据中心机房内部的热量流出室内。制冷系统作为保证机房温度的基础保障，是空调系统高耗能的部分之一，影响空调系统中制冷系统能源消耗的因素有机房环境温湿度、室外环境温湿度、受负载率等。
（二）散热系统
主体是风机或泵，工作原理是利用空气或水把热量从数据中心内部搬运到数据中的室外。排热系统产生足够的风量或水量以带走巨大的热量，但同时散热系统也是数据中空调系统耗能高的部分之一。影响散热能源消耗的因素是机房内部的气流组织。
（三）降温辅助
工作原理是通过冷却塔、喷头或湿式过滤器，利用水的蒸发在热量排到室外的工作过程中提供帮助。降温辅助系统可以提高换热效率，帮助空调系统把热量散发地更快。降温辅助系统的耗能比例占空调系统整体耗能比例较小。
五、数据中心空调的节能措施分析
（一）充分利用室外气候条件
由于数据中心的运行时间为全年不间断运行，所以要求空调系统全年运行，但是在北方地区，过渡季及冬季室外空气可以作为天然冷源加以利用，从而极大地降低机械制冷系统的运行时间及费用。可利用的部分自然冷却和完全自然冷却的时间越长，全年平均的PUE值就越低，意味着越节能。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于采用冷却塔供冷的系统来说，当室外湿球温度降低到某一值时，使得冷却水供水温度低于冷冻水回水温度2℃时，便开始启动部分自然冷却模式，冷冻水回水经板换另一侧的冷却水冷却降温后再进入制冷机组，相当于降低了冷机的负载率，从而降低了冷机的压缩机功率，达到节能的目的；当室外湿球温度持续降低，使得冷冻水回水经板换另一侧的冷却水冷却降温后温度达到设计供水温度，此时，进入完全自然冷却模式，停止冷机，完全由冷却塔承担所有负荷。对于采用换热机组等风侧自然冷却的系统来说，我们主要利用室外干球温度，当室外干球温度低于室内设计送风温度2℃时，便可以启动风侧自然冷却的功能，而对于一些干热地区(西北地区气候条件)，可通过在室外空气进入换热机组前加喷淋装置，使得室外空气的换热温度尽可能的接近湿球温度，从而延长自然冷却的时间。
（二）设备的变频
(1)制冷空调系统中，耗电最大的设备应该是制冷机组，采用变频冷机不仅可以在部分负荷时降低压缩机功率，而且随着室外湿球温度的降低，进入制冷机组的冷却水温度降低，可大大提高冷机的COP值，另外，在数据中心的空调系统中冷机的启动时间直接影响蓄冷罐的选型，而冷机变频可大大缩减启动时间，从而减小蓄冷罐的配备容量；(2)水泵建议设置为变频泵，其频率由末端最不利环路的压差控制，当末端负荷减小时，水泵频率相应减小，从而节省水泵耗电；(3)末端空调的风机设置为EC风机，风机频率根据架空地板内静压或回风温度控制，从而节省大量风机耗电；(4)冷却塔风机采用变频风机，风机频率根据室外湿球温度控制，从而节省大量风机耗电。
（三）合理的气流组织
数据中心主机房的气流组织设计尤为关键，其目的是防止冷热风的混合，对于单机柜热密度在5kW以下的情况，可考虑按照冷热通道的设计原则；对于单机柜热密度在5kW以上的情况，可考虑按照封闭冷热通道的设计原则，对于究竟是封闭冷通道还是封闭热通道，目前国内封闭冷通道的占多数，但是随着室内设计送风温度不断的提高，建议封闭热通道，一方面考虑人所处的环境舒适性，另一方面封闭热通道可以降低由机柜自身而造成的漏风率。而对于传统的架空地板送风模式，由于开孔地板有一定的阻力损失，需要风机更大的压头，从而增大风机的功耗，且对于高密度机柜来说，架空地板的承重受到限制，所以建议取消架空地板，采用侧送风的方式与封闭热通道配合使用，可最大程度的优化气流组织。
（四）合理的送风温湿度参数
数据中心的主机房送风温湿度参数主要与IT设备对环境的要求有关，我国数据中心的设计规范GB50174《电子信息系统机房设计规范》对主机房的温湿度要求见表1。但并未明确具体指哪里的温度，对于冷热通道封闭的情况，则不适用，此时，我们可参照美国ASHRAE标准，其规定IT机房内的送风温度范围18～27℃，露点温度范围5.5～15℃，在确定送风温湿度时，在推荐范围内，可尽可能地提高温度，从而可相应地提高冷冻水供水温度，不仅可以大幅提高冷机的COP值，还可以提高自然冷却的室外温度设定点，延长自然冷却的时间，达到节能的目的。而湿度的设置由于冷热通道的相对湿度不同，所以，可通过露点温度控制，一般可设定露点温度在11.5℃左右。
（五）最优化新风处理
数据中心主机房由于对环境的洁净度有一定的要求，所以主机房一般保持5～10Pa的正压，折换成新风的换气次数约1次/h，对于新风的处理，夏季比较简单，为简单的除湿过程；但在冬季，由于室外空气的干球温度均低于室内设定的露点温度，且含湿量低于室内空气的含湿量，所以冬季室外空气的处理过程为加热加湿，对于加热，目前的设计现状为热水加热主用，电加热备用，这显然造成了不合理的能源利用。对于新风的加热，可考虑采用换热机组，新风机房近IT机房旁边，利用IT机房内的回风加热新风，不仅可大大降低新风加热的耗热量，还可以减小末端空调的负荷，从而减小末端空调的风机功耗；对于加湿，一般采用等温加湿(电热式或电极式)和等焓加湿(湿膜加湿)，电热或电极式加湿虽然控制精度高，但耗电量大，对于一些没有专用空调机房的情况可以采用，但假如IT机房面积较大，新风加湿量大，且有专门的空调机房，建议在回风处设置湿膜加湿器，以大幅度节约电能(见图1)。
（六）BMS系统的应用
对于数据中心工程的暖通系统来讲，为全年不间断运行，且中间存在机械制冷与自然冷却的切换、冷机的加载与减载等，这些依靠运营人员进行操作是不现实的，一套完整的自动控制系统不仅可以减少运维人员的操作量，而且可以根据控制条件进行精确的模式切换、加减载，使节能达到最大化。
（七）暖通设备的总装机容量
尽管暖通设备的总装机容量与暖通设备的节能并无关系，但却会影响电气设备的配置情况，例如可能会增大变压器、UPS的容量，增大通过电缆的电流，而这些变化均会造成电气设备的损耗增加，同时增加了空调需要承担的负荷，所以，对于暖通设备的选型，应尽可能地按照详细的负荷计算进行，使得设备选型准确，不应随意增大安全系数。
（八）水冷背板和干冷盘管
水冷背板和干冷盘管的共同点是冷冻水直接进入IT设备后部或上部的冷却盘管，相当于省去了末端空调的风机，这对于整个系统的PUE影响甚大，节能效果非常明显。在国外，一些著名的IT公司自营的数据机房有相当一部分采用了这些技术。但是，目前国内运营商多数不能接受水管进入IT机房内，所以此项技术在中国并没有大面积推广，相信随着人们认识的改变，技术的不断成熟，运行费用的显著差异，这些技术会逐渐在中国推广开来。
六、结束语
以上主要从节能的角度对数据中心工程中暖通空调系统的节能点进行了一些分析与总结，每一种节能措施有其对应的应用条件，针对具体的设计项目，我们可以从不同的角度分析其特点，灵活应用各种节能技术，包括技术的分拆、组合，最终制定一个适合于特定项目的最佳方案。作为IT设备的基础设施，必须适应IT技术的更新，随着技术的不断发展，相信我们的空调制冷系统还会有巨大的变化，作为一个数据中心的暖通空调设计人员，应该实时了解IT设备的更新情况，从而调整我们的设计思路，使得空调系统更具有针对性、先进性。
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论文作者:喻乾金,哀丰华,钱剑侠
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/2
标签：数据中心论文; 温度论文; 机房论文; 空调系统论文; 节能论文; 室外论文; 暖通论文; 《建筑学研究前沿》2018年第18期论文;