摘要：介绍了某数据中心的项目概况，及节能技术措施的应用介绍，包括冷通道封闭、二次变频水泵、间接自然冷却、CFD模拟技术、新风系统、水处理系统等，并作总结。
关键词：数据中心，节能，自然冷却，变频，CFD模拟
1 引言
2014年1月，ASHRAE联合美国绿色建筑委员会、北美照明工程学会发布了新版标准ASHRAE 189.1-2014《高性能绿色建筑设计标准》，并经美国国家标准协会核准为美国国家标准。为贯彻国家技术经济政策，节约资源，保护环境，规范绿色建筑的评价，推进可持续发展，2014年4月15日住房和城乡建设部发布国家标准《绿色建筑评价标准》GB50378-2014，自2015年1月1日起实施。
“十二五”期间，信息通信业按照国家节能减排总体部署，着力推动国家绿色数据中心试点建设，新建大型数据中心的能耗效率（PUE）值普遍低于1.5，节能减排工作取得显著成效。根据工业和信息化部关于加强“十三五”信息通信业节能减排工作的指导意见，到2020年信息通信网络全面应用节能减排技术，新建大型、超大型数据中心的能耗效率（PUE）值达到1.4以下。“十三五”是建设网络强国、构建新一代信息基础设施的关键期，我们应该充分认识信息通信业节能减排的重要性。
2 概况
本文以河北省廊坊地区某运营商的数据中心机房为介绍对象。
该数据中心按照国内A级机房和国际TIA-942标准设计建设。空调系统满足TIA-942 Tier3标准，确保完全满足制冷系统安全、稳定、可靠运行的需求。核心机房区域室内环境按照ASHRAE TC9.9 CLASS A1级标准设计，配电及网络综合布线系统应满足Tier4标准。空调系统规划满足数据中心未来5到10年业务发展和运营的需求，具备7×24小时不间断运行、灾难恢复、多样化业务运营的能力。充分体现可靠性、先进性、开放性、安全性、可扩展性、规范性、人性化的原则。空气调节系统的制冷能力的成长应该与IT设备成长同步。
数据中心机房区由12个标准中密度模块机房、测试机房、电信接入机房和冷源机房组成。机房区制冷采用冷冻水集中式供冷系统，主要由数据中心机房楼一层冷源机房的五台水冷螺杆式冷水机组和位于屋面的18台闭式冷却塔承担。位于机房楼一层的冷源机房由5台带板式换热器的螺杆式冷水机组（4用1备）、5台冷冻水一次泵（4用1备）、5台冷冻水二次变频水泵（4用1备）和5台冷却水泵组成，满足N+X（X=1～N）冗余备份。事故应急15分钟供冷采用蓄冷罐放冷、冷冻水二次泵+电池室内蓄电池组供电模式运行。模块机房由精密空调间和机房区组成，下送风机房空调和独立加湿机位于空调间内，机房区采用下送风侧回风的气流组织形式，内设架高地板和可调格栅出风口。冷冻水管道设计成环路（双路设计），管道系统及部件均可实现在线维修。
3 节能技术在本项目中的应用
3.1 冷通道封闭
冷通道密闭组件用于高架地板和间接制冷环境，通过对机房地板下送风至密封的通道中，引导冷气从机柜前门进入，对设备降温后从机柜后门及时排除，形成流动气流方式，主要作用是防止冷热气流混合，及时返回空调回风口，提高冷气的使用效率，从而实现的节能减排的目的。
封闭冷通道的送风效率为95%以上，不封闭冷通道最理想的效率为75%，基本上一至两年通过节省电费即可收回封闭冷通道成本。本数据中心采用的冷通道封闭措施对模块机房内的冷风进行遏制会产生以下能效方面的收益：
3.1.1 避免局部过热点
冷通道封闭能阻止冷风在离开制冷设备到达IT 机柜前的过程中与废热的混合。这意味着在制冷装置一侧的送风温度等于IT 设备进风口温度，即统一的IT 设备进风口温度。当没有冷、热风混合，可以在不产生局部过热点的的前提下提高送风温度，从而延长空调节能冷却模式的运行时长。
3.1.2 延长节能冷却模式运行时长
当室外温度低于室内温度时，就可以不通过制冷系统的压缩机工作来向室外排热。通过提高制冷系统的工作温度区间设定点可以大幅的延长制冷系统中停用压缩机的时间，达到节能。
3.1.3 降低加湿/除湿成本
通过消除冷、热风混合，设定较高的制冷系统送风温度，可以使制冷系统在高于露点温度的工况下运行。当送风温度高于露点温度，空气中的湿度就不会降低。就不需要加湿，减少了加湿机的运行，并以此节约了电能和水。
3.2 采用一次泵定频、二次泵变频系统
冷冻水采用一、二次泵系统，一次泵定流量、二次泵变流量运行。
数据中心的服务器功耗一般会随着业务量的变动呈现一定规律的变化，因此数据中心信息设备的发热量也会呈现周期性的变化。为了满足数据中心蓄冷罐蓄冷需求，及末端负荷变化的非线性特点，造成的用户侧与冷水机组侧水量控制不同的问题，冷冻水系统二次循环泵采用可变频率驱动器运行，通过变频调节用户侧循环水流量更好地适应负荷变化并降低能耗。
二次泵变流量系统的最大特点在于冷源侧一次泵流量不变，二次泵则能根据末端负荷侧水系统最不利点的压差信号调节流量。对于适应负荷变化能力较弱的冷水机组来说，保证蒸发器的流量不变是很重要的，只有这样才能防止蒸发器发生结冰事故，保证冷水机组水温度稳定。由于二次泵能根据末端负荷需求调节流量，与一次泵定流量系统相比，能节约相当一部分水泵耗能。二次泵变流量系统中一次泵的位置与一次泵定流量系统相同，采用一机对一泵的形式，水泵与机组联动控制。在空调系统末端，冷却盘管回水管路上安装两通调节阀，使二次水系统在负荷变化时能进行变流量调节。通常，二次泵宜根据系统的最不利环路的末端压差变化为依据，通过变频调速来保持设定的压差值。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当系统流量减少一半时，普通定流量系统的水泵能耗仅减少20％～30％，而采用变频技术时，可减少能耗70％～80％，极大地降低了设备能耗。
3.3 Free Cooling间接自然冷却
根据国标GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》中有如下条文：
5.4.13 对冬季或过渡季节存在一定量供冷需求的建筑，经技术经济分析合理时应利用冷却塔提供空气调节冷水。
在条文说明中又有如下解释：
5.4.13 一些冬季或过渡季需要供冷的建筑，当室外条件许可时，采用冷却塔直接提供空调冷水的方式，减少了全年运行冷水机组的时间，是一种值得推广的节能措施。
数据中心冷源运行工况分三种模式：
夏季供冷，由冷水机组+闭式冷却塔供冷；
春、秋过渡季供冷，当室外温度在10～17℃之间时，采用闭式冷却塔+冷水机组+板式换热器的部分自然冷却方式供冷。每台冷水机组串联一台与冷水机组制冷量（换热量）相匹配的板式换热器，换热器承担30%～70%负荷；
冬季供冷，当室外温度低于10℃，冷却塔出水温度接近冷水机组冷凝侧最低进水温度时，冷水机组停机，采用闭式冷却塔+板式换热器的间接自然冷却方式，冷却水和冷冻水通过板式换热器进行热交换，为末端负荷提供全部冷量。
3.4 采用带有“下沉式”EC风机的机房空调
EC技术为电子整流技术，目的是将输入的交流电转化为直流电驱动直流电机，以达到更好的节能、调速的目的。EC技术（或者说EC电机）做成外转子电机，就可以把电机置于风轮内，减小传动损失，更好散热；EC外转子电机配合离心风扇（通常使用后倾叶片），可以达到更高的送风效率。EC FAN= EC技术+直流外转子电机+风扇（可以不同形式）。
EC风机具有效率高、节能、可调速、节省空间、低噪音等优点，比传统风机节能20%，并可以根据机房负荷调整风机转速，满足机房制冷量需求，降低低负载下的能耗；下送风机房空调采用“下沉式”设计，将风机单元降到空调间地板以下送风，进一步提高送风效率20%。
3.5 新风集中预处理
数据机房新风系统有三方面要求：满足机房区工作人员每人不少于40m3/h新风量；维持机房内正压，机房区与走廊为5Pa,与室外10Pa；粗效、中效、亚高效过滤，维持机房区内洁净度。采用组合式新风机组包括过路段、冷热交换段、加湿段及送风段。
室外新风经过新风机组的过滤段，对空气进行净化处理。净化后的空气夏季经过冷盘管进行冷却除湿，当除湿效果达不到设计要求时，启动新风机组自带制冷系统，再起对空气进行降温除湿。达到设计要求的空气经由送风机加压送至机房区。冬季需要对新风进行预热，开启制热盘管。
预处理新风可大大减少进入机房区内的热湿负荷，降低机房空调负担，从而降低能耗。
3.6 采用高效水处理设备
民用建筑空调水系统的水质处理，尚未引起一些设计人员的重视。长时间循环使用的冷冻水和冷却水往往由于重碳酸盐、细菌和藻类杂物等因素，使冷水机组中的蒸发器和冷凝器等热交换设备结垢或腐蚀，从而增大设备热阻、降低制冷量和机组寿命。数据中心7×24小时运行，要求安全等级高，必须保证水质安全可靠，所以应采用高效的软水设备。
软水器原理有两种，一种是通过离子交换树脂去除水中的钙、镁离子，降低水质硬度；另外一种是纳米晶TAC技术（模块辅助结晶），利用纳米晶产生的高能量，把水中游离的钙、镁、碳酸氢根离子打包成纳米级的晶体，从而阻止游离离子生成水垢。
同样水系统中溶解的氧气和滋生的藻类对管道的腐蚀同样不容小觑。故采用真空脱气机祛除水中溶解的氧气，同时自动加药设备定时投药抑制藻类滋生繁殖。
3.7 运用CFD软件优化气流组织
空调系统的气流组织优化是数据中心室内气流循环的综合优化过程，其优化设计包括送风方式的选择、机柜与空调的布局、建筑结构及参数的选择等等。
通过优化机房气流组织及布局，可以避免因机柜排列不合理，冷热气流混合导致空调制冷效率的降低，从而有效地降低空调系统的能耗。一方面可使机房气流循环更加畅通，减少冷热气流间的相互影响，大幅提高冷空气的利用效率，降低空调的循环风量；另一方面可通过合理的气流和机柜布局使机房内温度更加均匀，消除局部热点，适当提高空调的运行温度。
经过多年的实践和理论证明，在一个设计不合理的数据中心内，60%的空调机冷送风由于气流组织的不合理而被浪费了。我们可以利用CFD仿真技术合理布局气流组织，避免局部热点。
4 总结
由于数据中心属于高耗能、大耗水量基础设施，所以在设计、建设阶段必须应用最新节能降耗技术措施，最大程度降低运行能耗。合理利用季节更替免费取冷；采用闭式系统减少冷却蒸发水量；运用变频设备和二次水系统的流量、压差传感器数据，结合数据中心智能化自控系统，精确调节系统运行工况；运用CFD模拟技术，结合空调送回风温度、机房区温湿度传感设备数据，避免局部热点发生；定期抽取水质样本化验，检测藻类种群、离子浓度、含氧量等数据，降低管道腐蚀风险；定期更换新风系统过滤网、水系统过滤器，减小风机、水泵运行阻力。
参考文献
[1] 国标 GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》
[2] 空调变频水泵节能问题探讨（暖通空调2004年第6期）姚国栋
[3] 数据中心空调系统节能研究（暖通空调2012年第3期）钱晓栋、李晨
[4] CFD热仿真在数据中心设计阶段的应用探讨 许泉明 维諦技术有限公司
论文作者:张承宣
论文发表刊物:《新材料.新装饰》2018年5月上
论文发表时间:2018/10/8
标签：机房论文; 数据中心论文; 气流论文; 温度论文; 系统论文; 节能论文; 流量论文; 《新材料.新装饰》2018年5月上论文;