数据中心空调节能技术的应用实例

近年来，大数据、云计算、私有云等词汇不断被大家所关注，互联网数据中心（Internet Data Center，简称IDC）也逐渐被大家所认识。数据中心为互联网提供了必需的数据处理和信息存储等功能，实现海量数据的存放、处理和传输。数据中心的基础设施是为保障数据中心核心设备安全、稳定运行的必要条件，提供数据中心运行所需要的供电、制冷、安全及维护等各方面的要求。

1 数据中心空调制冷方式的发展概述

数据中心空调系统的作用是移除数据中心主要设备和配套设备运行时发出的热量，调节机房内空气的温度、湿度、洁净度等要求，保证机房内设备稳定运行。所以数据中心空调制冷方式的发展实际上是随着数据中心IT 设备的发展和数据中心规模发展而改变。

一方面，数据中心的服务器、网络交换设备的发热量很大，随着CPU运算速度的提升，服务器的功率快速攀升，在过去的几年内，其功率密度增长了数倍，这就意味着服务器的散热量提高了数倍。同时，各种计算机的集成度也在提高，在同等计算能力下，服务器的体积在变小，耗电比在增加。如果采用更高密度的服务器，如刀片式服务器，单机柜的功耗还将大幅度提高至15kW 左右。

另一方面，随着因特网的日益普及，信息化的迅猛发展，互联网、移动互联网、网络购物等新业务的需求，数据中心逐渐由分散向集中、小型向大型、自建型向托管型发展，大中型数据中心在全国大城市大量涌现。

随着机房负荷越来越大，数据中心的功率密度越来越高，机房规模也越来越大。数据中心的空调方式也在逐渐变化。国内数据中心以前比较常见的空调方式主要为直接膨胀式风冷空调系统（图1）。直接膨胀式风冷空调系统适用于小型数据中心，系统室内机和室外机组成。无需水泵、冷却塔等，初投资较低，安装极为方便。由于建筑空间的限制，常常没有足够的空间放置室外冷凝器，冷凝器排列过于紧密，造成散热效果差，空调系统效率较低（图2）。于是，数据中心的空 调方式逐渐发展为冷冻水型精密空调，由冷却设备、制冷主机、水泵、管路、精密空调和控制系统组成（图3）。 系统较为复杂，需要专门的制冷机房，初投资较高，但是机组能效比高，单台精密空调可提供的制冷量大。 冷冻水型精密空调系统适用于中大型数据中心。

图1 直接膨胀式风冷空调系统

图2 直接膨胀式风冷空调室外机

图3 冷冻水型精密空调系统

2 绿色数据中心中空调的节能措施

2.1 空调系统变频节能

空调系统中的水泵耗电量可占到空调系统耗电量的15%~30%，用变频调速的方法来减少水泵流量的节能效果十分显著（图4），当所需流量减少，水泵转速降低时，其电动机的所需功率理论上按转速的三次方下降。

如选用具有风机调速功能的机房专用空调时，也可以根据所需冷负荷的大小，调节风机的转速，从而节省机房空调消耗的电能。

一般机房精密空调按N+1 或N+2 冗余配置，若采用具有风机调速功能的精密空调时，也可以将原设计用作备份的空调也投入运行，降低精密空调风机的转速，从而减少风机的耗电。

图4  水泵变频示意图

2.2 利用冬季室外冷源

数据中心主要热源是IT 设备及附属设备的散热，建筑围护结构得热在数据中心的总冷负荷中所占的比例不到2%，因此可以认为数据中心的冷负荷在一年四季中是基本稳定的。数据中心需要全年制冷，而冬季大部分时间室外的环境温度都是比数据中心要求的24℃要低，那么，如何能够把室外的冷源利用起来为数据中心制冷，而关闭常规的制冷机或精密空调系统，将会取得可观的能耗和运行效率。目前数据中心可以通过以下方式利用冬季室外冷源：水冷自然冷却和风冷自然冷却（图5）。

水冷自然冷却节能技术是目前大型数据中心常用的节能技术。它是在室外温度较低时，冷却塔可提供较低温度的冷却水，此时关闭冷水机组，而使用板式换热器换热提供所需冷冻水，供精密空调使用。这期间称为完全自然冷却阶段；在过渡季节，用较低温度的冷却水先进板式换热器，与冷冻水回水换热，先降低冷冻水温度1~2℃，再进冷水机组，将冷冻水降低到设计供水温度，此时冷水机组处于部分负荷运行，运行能耗较低。这期间称为部分自然冷却阶段。

2.3 利用室外新风制冷

当室外干球温度小于等于空调送风温度时，可以使用新风制冷。直接引入室外的新风，或通过电动阀控制新风与回风的混合比，经过中效过滤、加湿后送入数据机房（图6）。这种利用室外自然冷源代替压缩机制冷的方式，也能节约大量电力能源。

图6 室外新风利用示意图

图7  Kyoto 转轮

Kyoto 转轮也是一种热回收式新风冷却装置（图7），这种装置是将数据中心的热量送到由马达转动的轮子一侧，与室外新风在高表面积的波纹铝装置处进行热传导，使空气得到冷却，再将冷却后的空调送入机房内。

Facebook 在俄勒冈州建造了一座采用新风制冷的数据中心，这座数据中心充分利用当地的自然环境，一年内大部分时间只需引入室外新风就足以降低数据中心的温度，制冷原理图见图8。Facebook 数据中心内部照片见图9、10、11。

图8  Facebook数据中心制冷系统原理图

图9  Facebook 数据中心空气过滤室

图10  Facebook 数据中心喷雾室

目前利用室外新风的设备和形式多种多样，文中不一一列举。

利用室外新风的制冷方式不仅与空调方案有关，与数据中心的建筑也有关。建筑的格局需要根据新风制冷设备的布置进行规划，需要占据一定的空间，对层高和外立面也有一定要求。国外有较多的应用案例，但国内很多数据中心都是在既有建筑的基础上改造而成，在设计之初，没有充分考虑数据中心节能需求，因此新风制冷并没有得到广泛应用。

图11   Facebook 数据中心风扇墙

3 数据中心节能技术应用分析

下面以北京某数据中心为例，从能效和运行费用等方面看水冷自然冷却技术对数据中心的影响。经计算，该数据中心的机柜区面积8000m ² ，IT 负荷为10506kW，冷负荷为13573kW。项目采用了水冷自然冷却节能技术。为简化计算，以下对比中未考虑加湿部分对制冷性能的影响。

3.1 水冷自然冷却技术对初投资和运行费用的影响项目所用的制冷系统设备配置如表1。

表1 项目所用的制冷系统设备配置表

采用水冷自然冷却技术的项目需要多投资的设备是板式换热器，此项目板式换热器及相关工程的初投资约100 万。

根据北京典型年逐时气象参数统计数据，可知，北京市满足各运行模式的小时数如表2：

表2 北京市满足各运行模式的小时数

假定数据中心达到满负荷，如未采用水冷自然冷却技术，则制冷系统全年耗电量为8760×（2193+396+330+270+769.5）=3467.65 万度， 按北京市一般工商业峰谷分时电价计算的全年平均电价0.9141元/度计算，全年电费3169.78万元。

采用水冷自然冷却技术后，假定部分自然冷却时冷机处于80%负载率下运行，冷水机组此时耗电功率为551.4kW，则制冷系统全年耗电量为4078×（2193+396+330+270+769.5）+1260×（551.4+396+330+270+769.5）+3422×（396+330+270+769.5）=2510.36万度，全年电费为2294.72万元。耗电量比未采用自然冷却时减少27.6%，节省电费875.06万元。

在完全自然冷却阶段，每天可节省4.6 万元电费，冬天一个月就能收回自然冷却部分增加的投资。

3.2 水冷自然冷却技术对系统能效的影响

PUE （Power Usage  Effectiveness）是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT 负载使用的能源之比。PUE= 数据中心总能耗/IT设备能耗，PUE 是一个比值，一般处于1~2 之间，越接近1 表明能效越低。

如未采用自然冷却节能技术，项目的PUE=[IT设备功率×（1+UPS 损耗+ 其他损耗）+ 冷水机组功耗+ 冷却塔、水泵、精密空调的功耗]×（1+变压器损耗+ 低压配电损耗）/IT 设备的功率=[10506×（1+6%+3%）+2193+396+330+270+769.5]×（1+1%+1%）/10506=1.496。

采用自然冷却节能技术，项目的PUE=[IT 设备功率×（1 +UPS 损耗+ 其他损耗）+ 冷水机组功耗+ 冷却塔、水泵、精密空调的功耗]×（1+变压器损耗+ 低压配电损耗）/IT设备的功率=[10506×（1+6%+3%）+2193×4078/8760+1654.2×1260/8760+1765.5]×（1+1%+1%）/10506=1.405。

由以上计算可知，采用自然冷却节能技术比未采用自然冷却节能技术的PUE 降低0.091。

3.3 数据中心空调节能方式的选择

通过以上两个方面比较可以看出，采用水冷自然冷却技术的数据中心不论是运行费用还是运行能效都具有显著节能效果。在北京地区不到一个冬季就可收回自然冷却部分增加的投资。如果配合其他节能技术，更符合数据中心节能环保的趋势。