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摘要：数据中心制冷系统节能技术主要有自然冷却技术的利用、高效节能空调设备及技术的应用、机房气流组织优化等措施，其中利用室外自然冷源的自然冷却技术是最有效的制冷系统节能设计方案。
关键词：制冷系统；节能技术；自然冷源
1数据中心制冷系统的节能技术设计应用
数据中心集中式冷源系统分为集中水冷式冷源系统和风冷式冷水机组冷源系统两种，根据不同的制冷系统模式，数据中心利用自然冷源进行制冷的间接自然冷却解决方案分别是水侧板式换热器节能装置和风冷式冷水机组制冷设备(制冷系统辅助干式冷却器)。
1）水侧板式换热器节能装置的集中水冷式冷源系统
通过冷水主机、水泵、冷却塔以及水侧板式换热器组成了水侧板式换热器节能装置的集中水冷式冷源系统，夏季冷水主机开启+冷却塔，实现主动制冷；过渡季节及寒冷季节充分利用水侧的自然冷源，采用冷却塔配合节能板换，进行制冷降温，减少冷水机组的开启时间，降低空调能耗。
以某数据中心为例，冷冻水系统供水温度为10℃，冷却塔供冷时板式换热器温差取为1.5℃，则冷却塔出水温度为8.5℃。冷却塔的出水温度一般与室外湿球温度存在一定关系（其出水温度的极限值即为湿球温度），一般出水温度要略高于湿球温度3~5℃。即：，取温差为3℃，则湿球温度为5.5℃，该地区冬季空气调节室外计算相对湿度80%，则相应的空气干球温度7℃。当室外空气干球温度≤7℃，冷却塔出水温度能基本保证≤8.5℃，板式换热器二次侧冷冻水温度能保证≤10℃，此时工况下冷却塔供冷能完全满足负荷要求。
制冷系统运行模式如下：
①完全自然冷却：T≤7℃，冷却塔、板式换热器及水泵开启，冷水机组关闭。
②部分自然冷却：7℃＜T≤10℃，冷却塔、板式换热器及水泵开启，冷水机组补充不足的冷量。
③机械制冷：10℃＜T，冷却塔、冷水机组及水泵开启，板式换热器关闭。
2）风冷式冷水机组制冷设备(制冷系统辅助干式冷却器)
考虑数据中心水资源使用情况，对于水资源不多的地区，当存在较大昼夜温差时，选择风冷式冷水机组制冷设备。该系统包括风冷冷冻水机组，干冷器，一级泵变流量系统等。其中干冷器采用干式冷却器，其构成包括风扇与换热盘管，用在乙二醇溶液的散热。在罐内乙二醇溶液流动，利用风扇使得乙二醇和外界环境间的散热得到强化，从而实现冷却。
夏季冷冻水机组对冷冻水进行制取，向室内冷冻水型精密空调输送，实现了数据中心IT 设备降温；冬季室外低温空气冷却循环冷冻水，满足压缩机停机制冷的要求，使耗电量大幅度降低。
制冷系统运行模式如下：
①机械制冷：夏季开启风冷冷水机组，高温乙二醇溶液在通过冷冻水机组的蒸发器时进行热量的释放；
②完全自然冷却：在冬季，当空气温度降到设定值时，对室外低温空气冷却干冷器内乙二醇溶液进行充分利用，将冷冻水机组停机，采用无压缩机运行制冷的自然冷却的方式；
③部分自然冷却：对于过渡季节，如果外界环境温度低于冷冻水回水温度 3℃时，通过干冷器的开启实现自然冷却，利用风冷冷水机组补充不足的冷量。
2 数据中心制冷系统的设备节能技术设计应用
当前数据中心机房制冷方面存在的主要问题包括：①不断增加的设备功耗密度，存在突出的局部热点问题，直接影响数据中心 IT 设备散热可靠性；②不合理的气流组织设计，制冷利用率低。因此，在数据中心机楼制冷系统节能优化设计方面，充分考虑高效的设备节能技术的应用，如热管空调、湿膜板换节能换热系统（风冷+水冷相结合改造技术）、行（列）间制冷等等。
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1）行间制冷空调技术
行间制冷方式是结合冷冻水系统冷源，通过冷冻水型定点制冷主机进行换热，转换冷量至制冷剂载体侧，通过冷媒管路连接至空调末端，实现设备制冷。
制冷空调系统用环保冷媒做载体，杜绝水进机房的隐患，制冷末端单元通过主机控制器进行控制，避免换热器及冷媒管路表面产生冷凝水；贴近机柜送风，提高了送风效率。
2）湿膜板换节能换热系统
湿膜板换节能换热系统对风冷室外机进行辅助散热，避免空调机组出现高温报警，同时通过提高换热性能，降低空调系统能耗。
该方案在不改变制冷剂工况的情况下，制冷剂高温、高压气体由压缩机排气口流入风冷冷凝器后再流入湿膜板换节能换热装置，与湿膜板换节能换热装置进行热量交换后温度降低，然后通过节流、蒸发后流入压缩机完成制冷循环。安装湿膜板换节能换热系统后可解决在炎热的夏季机房高温、高压报警及停机故障。
该系统的主要优势如下：
A. 该系统安全性较高，湿膜板换安装在室外，完全与室内机房隔离，水不进机房及系统；双循环管道泵，一主一备，交替运行。
B. 湿膜板换装置与风冷冷凝器串联，辅助风冷冷凝器散热，不改变原有制冷系统工况，灵活方便，实用性强；部分时段冷凝风机可停止运行，运行节能；可减轻压缩机及冷凝风机的运行负荷，延长其使用寿命及减少空调的故障发生率。
C. 可彻底解决室外冷凝器由于散热效率不好而引起的空调设备高温、高压报警及停机故障；
3）微功耗热管散热机柜
热管是利用温差实现热量转移的无能耗构件。微功耗热管散热机柜正是利用热管原理，结合通信机房设备发热量大，需全年不间断制冷的热环境特点，当室外温度低于机房温度时，热管中的液态工质在室内的蒸发端吸收热量后蒸发变为气态，上升至室外的冷凝端，气体工质经冷凝后将热量释放至室外环境变为液态，并在重力作用下流回室内，完成室内热量转移至室外环境的制冷循环。
同时，该产品充分考虑机房机柜的背板排风温度最高，设备的热量都由背板处排至机房环境的工艺特点，将热管蒸发端布置在热管背板处，直接吸收设备散发的热量，提高热管换热温差与热管的换热效率。
该产品可利用室外自然冷源直接或间接冷却的水进行制冷，大幅降低机房能耗。该系统的主要优势体现在以下几方面：
A. 可解决单机架功率在8~10kW以上的高密高热机房制冷问题，避免局部过热。
B. 利用自然冷源的温差驱动制冷，并将热管蒸发端布置在机柜背板处，最大限度提高热管的换热温差，并提升热管的全年使用时间，节能效果非常显著。
C. 与传统的空调制冷方式相比，减少了机房的空调区域的使用面积，提高机房利用率。
3 数据机房设备布局的优化
①优化数据中心的布局。基于数据中心布局的优化，对合理的送风、回风空间进行设计，使数据中心气流组织得到改善，制冷利用效率提高。
②优化设备布置。对数据中心设备布局进行优化，通过冷热通道布置的形式，对气流组织进行改善，使冷热气流混合尽可能的减少，有效避免局部过热问题。
③优化空调的布置。基于数据中心空调布局的优化，把空调的回风口在热通道布置，从而使得热气流回流的阻力减少，使得空调送风效率提高。
④优化机柜配置。基于不同功耗优化设计机柜布置，使集中布置大功耗设备的问题得到避免；增加机柜内回流盲板的配置，尽量的降低机柜内热风回流，使机柜内冷气流与热气流混合减少，对数据中心 IT 设备散热可靠性进行改善，从而提高冷气流利用效率。
结语：
当前IT机柜集成化越来越高，单个机柜功率从3kw 提高到 5kw 甚至以上，其中刀片式服务器单机柜功率能够到达 30kw。这就不断提高数据中心制冷系统的可用性与可靠性要求，制冷系统节能技术的应用对整个数据中心的建设、数据中心的能耗有着极大的影响，因此，数据中心制冷系统进行合理的设计，对数据中心的稳定、安全运行、绿色节能意义重大。
参考文献：
[1]郭宏伟.云计算数据中心节能关键技术分析[J].电信技术.2013.1（1）
[2]李永宁，潘洪涛，刘苗青.数据中心节能技术应用方案研究[J].电信技术.2016（11）
论文作者:郭聪
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/5
标签：数据中心论文; 机柜论文; 温度论文; 冷却塔论文; 节能论文; 室外论文; 机房论文; 《建筑学研究前沿》2017年第31期论文;