谢春辉
广东申菱环境系统股份有限公司 广东 佛山 528313
【摘 要】随着全球经济一体化的进程不断深化，节能减排已成为我国可持续经济发展的重要课题。本文结合笔者多年的工作经验，以当前中央空调节能技术的应用背景作为基础，对数据中心机房的自然冷却技术的应用进行分析，以说明数据中心机房自然冷却技术的可行性，并且将会为社会带来较好的经济效益。
【关键词】数据中心；自然冷却；节能减排；发展现状
一、引言
随着我国IT事业的快速发展，合理采取有效措施，降低数据中心机房空调运行能耗，减少企业运营成本，是实现节能减排的重要技术手段，符合我国可持续发展的战略要求。利用室外自然冷源，能够有效降低机房空调运行能耗，具有良好的经济和社会效益。目前发展现状的研究表明，利用自然冷源实现数据中心空调节能越来越引起了广泛的关注，并已经陆陆续续应用在数据中心机房。利用自然界天然冷源来降低数据中心温度的方式已经受到高度重视。例如布莱恩特州，它位于美国罗德岛，就利用该地区出现的冰雪天气来将数据中心的能耗降低，如果气温降低到寒冷的时候，该大学数据中心制冷系统就会自动利用室外的冷空气来降低冷却剂温度，而这种将室外天然冷源等免费资源加以利用是一种经济节能的方式。该大学称，这种方式制冷的数据中心机房，所消耗的电能比之前降低了20%～30%。因此，提高制冷效率、降低制冷系统能耗，使用外部自然冷源等方式制冷将成为今后机房制冷的主流。
二、数据中心节能技术应用背景及现状
2.1数据中心节能技术应用背景
对于数据中心这类几乎全年都需要向外排热的特殊场所，全年运行空调能耗很大，目前国内存在以下几种节能手段：（1）变频技术；（2）机房空调机组自适应控制技术；（3）自然冷却技术；（4）合理设计及组织机房制冷的送回风系统、防止跑冒滴漏等节能措施。采用正确、合理的综合解决方案可以有效的减少空调的运行时间，在节约空调用电的同时延长空调的使用寿命，提高能源的利用率。保护环境，更大的减轻国家能源的供需压力。众所周知，评价数据中心节能最重要的指标是PUE值公式如下：PUE=机房总能耗/IT设备总能耗。目前，国外数据中心PUE值通常在1.2～1.8范围内，最先进的已达1.06，而国内机房PUE值多在2.0以上。而国外数据中心的PUE值之所非常低，和大量采用先进的节能技术有关，其中自然冷源冷却技术是重要的节能措施。自然冷源冷却技术可以直接利用或间接利用，通过利用自然低温空气或自然低温水，或者热管、转轮、板翅式热交换器等间接利用。自然低温空气自然冷却是将室外的自然环境作为冷源，当室外空气温度低于室内空气温度且达到一定程度时，通过通风将机房内的热量带走，达到降低机房内部温度的目的。
2.2数据中心节能降耗现状
在我国经济的快速发展的推动下，建设节能环保型社会成为发展进步的新方向，越来越多的企业也逐步承担起节能环保的社会责任。节能环保是各行各业必须要达到的目标。工业和信息化部门发布的我国工业节能在“十二五”阶段的四大约束性指标如下：单位工业增加值能耗、二氧化碳排放量和用水量分别要比“十一五”末降低18％、18％以上和30％，工业固体废物综合利用率要提高到72％左右。所以企业想要节能减排或者降低运营成本的重中之重就是数据中心要怎么节能降耗。当前，数据中心的规模不断扩大，其设备运行的耗电量已经成为不断增加的重要成本。据调查，数据中心中空调、送风系统等机房环境调节设备的耗电量占总用电量的45%以上；IT设备耗电量第二，基本占据了数据中心的30%的用电总量；UPS供电设备耗电量是18%，是第三位。而这三类数据把机房制冷或者送风作为机房节能减排的主要方面，而辅助部分则是IT设备、UPS供电系统节能。
三、数据中心节能降耗的可行性
3.1数据中心运行环境要求
随着计算机技术的快速发展，数据中心的建设越来越多，其运行环境的要求比较严格，主要体现在对温度、湿度和洁净度的控制，这些因素直接影响IT设备的运行可靠性和使用寿命。通常数据中心的环境温度范围是21℃～27℃，湿度范围40%～60%，洁净度的要求为空气中的含尘小于50μg/m3。为保证数据中心环境的温湿度和清洁度要求，需要合理的配备机房专用空调的设备，以保证机房设备安全可靠的运行。
3.2数据中心应用新风降温的可行性
数据中心机房内IT设备的发热量非常大，就需要精密空调产生冷气为其降温，精密空调的耗电量比较大，而在北方地区冬季室外却有丰富的自然冷源——冷空气。一方面，空调压缩机通过消耗能源制冷；另一方面，有效利用室外的自然冷源。如果能充分利用自然冷源给机房降温，将有效的降低能耗，节约能源。例如我国某市2012全年约有6个月的时间月平均最高温度低于15℃。假如可以使用自然冷却源来降低机房温度，将会缩短空调压缩机6个月的运行时间。这样的话不仅可以达到降低电能耗损的目的，还能延长空调寿命的，降低空调机的维修耗损，进而大大减少了空调的维护成本。由此可见，可利用室外冷源来冷却数据中心机房温度。
3.3数据中心空调节能自然冷却方式
应用室外冷源进行机房降温，在技术实现上主要有直接引入新风式节能系统和隔离式空气换热器系统。隔离式又包括热管式换热器和板式换热器。三种不同新风冷却方式的性能比较（见表1）。
表 1 三种新风冷却方式的性能比较
直接引入新风式节能系统是直接将室外新风送入机房内，当室外空气温度较低时，可以直接将室外低温空气送至室内，通过冷空气为室内降温。当室外温度低于室内温度，不足以带走室内热量时，则仍然需要开启空调工作。我国某市地区的大气污染比较严重，可吸入颗粒物PM2.5严重超标，当送风温度低于机房空气的露点温度，需对室外空气经行加热；冬季我国某市地区的空气比较干燥，需对室外空气进行加湿；这将需要一定的设备投资，而加热和加湿都要消耗电能，就会抵消因自然冷却而得到的成本节约。因此，建议不选用直接引入新风式节能系统。根据以上功能分析比较，板式换热器应为首要考虑的设备。热交换器在完全隔离内部、外部空气的前提下，利用外界冷源，对内部环境进行冷却，达到减少空调运行时间以实现节能的目的。两组风机分别抽吸外部的冷空气（外循环）和内部的热空气（内循环），冷、热空气在热交换芯体中进行热量交换，通过热交换芯体膜片，内部热空气放出热量，温度降低。由于机房保持密闭，还能保证室内空气洁净度不下降。热管式通风换热器目前应用也很广泛，由数根热管构成，室内的污浊空气由换热器的排风段排出；同时，室外新鲜空气由新风段进入，通过热管式通风换热器，一方面向室内置换新鲜空气，另一方面，排出的气体和引进的新风之间进行着热交换，采暖时可降低空调的采暖负荷。
四、结论
数据中心机房发热量较大，为了保证机房环境，空调设备需全年运行，耗电量大。通过气象数据可行性分析表明，应用室外新风实现机房空调节能在技术上是可行的，而且节能效果也较显著，可采用的新风节能方案包括直接引入新风式节能系统、热管换热器节能系统和板式换热器节能系统3种方式，自然冷却方式不仅绿色节能，而且经济方便，在不同程度上减少了企业成本。
参考文献：
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[4] 韩旭.浅谈数据中心制冷系统的节能冷却模式[J].科学中国人.2016（09）
论文作者:谢春辉
论文发表刊物:《低碳地产》2016年第10期
论文发表时间:2016/8/30
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