机房空调如何突破能耗困局？

        

    作为数据中心能耗的"巨无霸",机房空调系统备受关注。精密空调以其高稳定性和高可靠性著称,但同时也面临能耗高、运行成本高的困局。本文从机房空调能耗的"病灶"出发,透过制冷系统、末端系统等能耗"脉络",系统剖析了能耗居高不下的根源。             

         

 

一、机房精密空调高能耗的症结所在      

         

机房精密空调之所以能耗居高不下,其症结主要有以下几点：

1、散热密度大,制冷需求高:

数据中心机柜散热密度高达8~12kW/m2,是普通建筑的30倍以上。空调系统为了满足高热负荷,其装机容量和能耗往往"水涨船高"。

2、全年连续运行,能耗积累多:

不同于普通建筑,数据中心需要7×24小时不间断运行。空调系统长期满负荷"奔跑",能耗累积效应十分显著。

3、环境要求苛刻,调控精度高:

机房温度控制精度高达±1℃,相对湿度控制在45%~55%,对空调的调节质量和频率提出了极高要求。频繁启停和超前滞后现象,加剧了能源浪费。

4、冗余配置高,能效整体低:

为确保机房安全可靠运行,精密空调普遍采用N+1或2N冗余设计。大量设备长期处于待机或低效运行状态,拉低了系统整体能效水平。

5、气流组织差,局部过冷过热   :

机柜布置密集,气流组织不合理会导致局部热点或冷风短路现象。为消除过热风险,不得不采取"大水漫灌"式的过度制冷,能源利用效率低下。

可见,机房空调能耗问题绝非单一因素所致,而是散热特点、运行工况、环境要求、设计理念等多重因素交织的结果。这就需要我们透过表象看本质,从系统的高度分析其能耗"之殇",方能对症施策。

 

二、机房制冷系统能耗解剖      

         

制冷系统是机房空调能耗的"主战场",其能效高低直接影响数据中心的PUE(电能利用效率)。以下从冷源、输配、末端三个层面剖析其能耗特点。

1、冷源侧:

制冷压缩机是机房空调的"心脏",其能耗约占空调总能耗的60%。传统的定速压缩机在部分负荷下效率骤降,年平均COP仅为2.5左右。而数据中心负荷变化频繁,定速机组难以适应,能源浪费十分显著。

2、输配侧:

冷冻水泵和冷却水泵是输配系统的耗能大户。传统的定流量输配方式下,频繁的阀门调节和管路阻力,导致泵功率居高不下。二次泵的设置更是雪上加霜,加剧了能源消耗。

3、末端侧:

风机是末端空调的主要能耗设备。定速风机在满足洁净度要求的同时,往往采用"一刀切"的高风量设计,忽视了局部负荷的差异性。大流量供风也加剧了气流短路,造成显热能源浪费。
综上,机房制冷系统能耗高的根源在于负荷"变"与运行"不变"之间的矛盾。冷热源、输配、末端缺乏协同优化,未能根据负荷"因势利导",是导致能源利用低效的症结所在。

 

三、空调末端系统能耗诊断      

         

末端空调系统是制冷量传递和室内环境品质控制的关键。风机、加湿器等设备耗能占比不容小觑。下面重点分析其能耗特点。

1、风机能耗高,气流利用低:

机房空调通常采用下送风方式,风机静压大,耗电量高。定速风机无法适应负荷波动,送风量过剩时会加剧气流掺混损失,增大显热耗能。

2、加湿能耗大,控制精度低:

机房需要严格控制相对湿度,通常采用蒸汽加湿或喷雾加湿。电加热蒸汽锅炉能耗大,控制滞后;喷雾加湿水质要求高,运行费用不菲。

3、气流组织差,局部环境恶化:

机柜布置复杂,电缆密布,气流容易形成死角。送回风不当会导致局部过热或结露,影响设备安全。为消除热点,往往采取过度制冷的低效举措。

4、末端测控粗放,能耗反馈迟滞:

传统的机房监控缺乏末端环境参数的采集,如柜内温度、气流速度等。能耗反馈滞后,无法实时指导空调调控,造成盲目制冷和不必要浪费。

综上,末端空调能耗高的症结在于缺乏精细化管理手段。风机、加湿等设备运行方式粗放,控制目标与实际负荷"两张皮"。气流组织混乱,监测不到位,是导致局部过冷过热、能源浪费的重要原因。

 

四、机房空调节能优化之道      

         

破解机房空调的能耗困局,需要从设计理念、运行策略、关键部件、测控体系等方面系统施策。以下提出若干行之有效的节能优化路径。

1、冷源系统优化    

采用高效冷水机组,如磁悬浮离心机,IPLV可达8以上。

合理配置冷源台数,根据负荷调整运行台数,避免低效率运行。

优化冷源控制策略,如冷冻水温度浮动控制,缩小室外机压缩比,提高部分负荷能效。

2、非传统水系统革新    

采用一次变流量系统,泵随负荷调速,避免阀门节流损失。

优化冷冻水温度,适当提高供水温度,减小输配能耗。

分区设置二次泵,减少管路阻力和搬运功。

3、自然冷源利用    

在气候条件允许地区,采用自然冷却、蒸发冷却等"免费"制冷。

液冷服务器+冷板技术,通过液体直接换热,减少冷量传递损失,PUE可低至1.1以下。

采用冰蓄冷系统,利用夜间谷电蓄冷,白天释放,实现电网削峰填谷。

4、末端空调柔性控制    

采用变风量控制,通过温度、CO2等参数反馈,实现风机精准调速。

优化送风方式,如列间送风、局部送风等,减少气流掺混。

细化温湿度分区控制,不同区域设定差异化目标,因地制宜调控。

5、智能化群控策略    

构建机房环境参数监测系统,对机柜级温湿度、气流速度等进行实时采集。

基于Intelligent Algorithm优化空调群控策略,协同冷热源、输配、末端的高效运行。

针对典型工况,设定最优控制序列,减少人为干预和盲目调节。

6、前沿技术展望    

液冷技术:相变制冷、浸没制冷、喷淋制冷等新型液冷方式值得关注。

AI智能控制:通过历史数据挖掘负荷规律,利用机器学习算法优化控制参数。

数字孪生:构建机房数字孪生模型,在虚拟空间模拟优化空调运行,指导工程实践。

参考文献：
[1] Capozzoli A, Primiceri G. Cooling systems in data centers: state of art andemerging technologies[J]. Energy Procedia, 2015, 83: 484-493.
[2] 刘晨,陈琦,周昊天,等.数据中心暖通空调系统节能途径探讨[J].暖通空调,2017,47(10):44-49.
[3] 赵炎,郑茂,谢华荣.数据中心精密空调节能改造分析[J].制冷与空调,2019,33(4):347-353.
[4] 蒋云翔,李祥,徐伟,等.数据中心冷源系统能效提升途径[J].制冷,2018,37(4):1-5.
[5] Zhang H, Shao S, Xu H, et al. Free cooling of data centers: A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 35: 171-182.
[6] 徐伟,李祥,赵子龙,等.数据中心机房空调节能优化控制策略研究[J].暖通空调,2019,49(8):36-41.    

    

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