数据中心空调系统节能分析

刘芳 员东照

1北京建筑工程学院北京市“供热、供燃气、通风及空调工程”重点实验室

2北京建筑工程学院科研处

3中国移动通信集团设计院有限公司

0 引言

数据中心是数据大集中而形成的集成IT应用环境，是各种数据业务的提供中心，是数据处理、存储和交换的中心。随着信息化社会的不断发展，数据中心建设被提到了至关重要的位置。金融、制造业、政府、能源、交通、教育、互联网和运营商等各个行业都在规划、建设和改造各自的数据中心。我国三年来每年新增数据中心面积在800万m2左右，新增的信息中心机房有3万个左右。2011年，我国数据中心服务市场规模达到1587.5亿元，同比增长18.6%；预计到2015年，规模将达3031.1亿元，年复合增长率为17.8%。目前，中国数据中心总数已经超过64万个[1]。此数据有力地说明了数据中心已经成为像交通、能源一样的经济基础设施。数据中心的能耗已经占到我国全社会用电的1.5%左右。

PUE[2]是目前国际国内普遍使用的数据中心能效评价指标，定义为数据中心总能耗与IT设备总能耗的比值。衡量数据中心是否节能实际上是衡量在保证设备安全稳定运行的前提下，各部分能耗的最佳比例，确保服务器和网络存储等设备能效比的最大化。PUE值越小说明数据中心用于通信设备以外的能耗越小，系统越节能。全球数据中心的平均PUE是2.0，发达国家数据中心的PUE约为1.8，日本部分数据中心的PUE可达1.5，Google的数据中心PUE可达1.2。在我国，80%以上的数据中心PUE均大于2.0，有的甚至高达3.0[3]。为了推动IT设备及相应外部设备的节能减排，工信部在《工业节能"十二五"规划》提出，“到2015年，数据中心PUE值需下降8%”的目标。

数据中心的能耗主要由IT设备、空调系统和电源系统三部分能耗构成。其中IT设备能耗约占数据中心总能耗的50%；空调系统能耗在数据中心总能耗中排第二位，约占40%，电源系统能耗占数据中心总能耗的10%。可见，提高数据中心能耗，降低PUE，最有效的方法是降低数据中心空调系统的能耗。

1 数据中心空调系统特点

数据中心是为通信设备提供的运行环境，通常数据中心的用户都希望尽可能多地安装设备及设备机架，提高建筑空间的利用率。通信设备全年24小时不间断运行而且对环境的温湿度和洁净度有较高要求，通常主机房设计温度为23±1℃，在静态条件下测试，每升空气中大于或等于0.5μm的尘埃数应小于18000粒[4]。空气中的硫化物、氮氧化物等腐蚀性气体都会腐蚀通讯设备，造成意外宕机和通讯设备寿命减短等，因此数据中心对建筑的密闭性和周围环境的空气质量有一定要求。

数据中心一个机柜的占地面积不足1m2，散热量却达到2～10kW，甚至更高。通信设备密集的区域发热量集中，为使机房内各区域温湿度均匀且控制在允许的基数及波动范围内，需要有较大的风量将热量带走。因此数据中心空调系统具有显热量大、空调风量大、焓差小，空调系统需全年供冷和空调设备、管路需备份等特点。

2 数据中心常用空调系统形式

2.1 风冷直膨式机房专用空调

风冷直膨式机房专用空调是数据中心机房普遍采用的空调形式，系统组成如图1所示。空调机组为恒温恒湿机组，配备能够满足机房使用条件要求的过滤器，机组在控制告警和信号上传等方面有强大的功能，能够满足通讯机房的相关要求。这种系统组成简单、设备维护管理方便、可分批建设、节省投资，空调室内机无漏水危险、产品技术成熟，在通信机房中普遍广泛使用。不足之处在于室外机布放需要较大的场地，多台室外机密集安装容易造成过热，室外机噪声对周围环境有影响。

图1 风冷直膨式机房专用空调系统

2.2 冷冻水机房专用空调系统

冷冻水机房专用空调系统由冷源和末端设备两部分组成。通常采用风冷或水冷冷水机组作为冷源，室内机采用冷冻水机房专用空调机。水冷冷水机组效率高，是冷冻水机房空调系统较常采用的形式，系统组成如图2所示。

图2 冷冻水机房专用空调系统

水冷冷冻水空调系统较风冷直膨系统效率高，室内机故障率低，外形尺寸和重量相对较小，室外部分占地面积小，室外机和室内机之间连接管线少，高度和长度不受限制。主要缺点是冷水机组、水泵应为冗余设计，循环水需要采用双路系统，成本较高，运维管理复杂；分批建设的灵活性差；冷冻水管路进机房，管径大，漏水的潜在威胁大，系统耗水量大。适用于规模在10000m2以上的大型数据中心。

3 数据中心空调发展趋势

在数据中心的快速扩张中，众多难题逐渐浮出水面：最突出的就是高耗能。电费成本居高不下，导致很多的数据中心建得起、用不起。2007年我国IT产品总的耗电量已经超过300亿kWh电，大概是三峡电站年发电量的一半左右。我国现有数据中心能源综合利用效能低，其中有50%以上的能源消耗在IT设备以外的配套设施上。因此，建设节能环保、低投入低运营的绿色数据中心，已经成为数据中心建设和使用方以及设备供应商的共识。

数据中心的空调节能方法可概括为利用免费自然冷源和提高空调系统效率两方面。

3.1 利用免费自然冷源

充分利用室外的冷空气、冷水等资源作为免费冷源，常采用的方法有利用风侧自然冷源和利用水侧的自然冷源。

1）直接利用室外新风。利用室外的低温，将经过过滤、除硫等方式处理过的室外冷空气直接引进数据机房内冷却通信设备，实现节能。如FACEBOOK数据中心，采用全新风供冷，夏季利用周边的湖水进行喷淋冷却降温，全年PUE仅1.07。美国甲骨文盐湖城数据中心，采用“冬季直接新风制冷+夏季冷却塔”供冷的方式，年PUE为1.3～1.5。

2）间接利用室外新风。利用转轮式换热器吸收室外冷空气的冷量，为数据机房降温，这种方式在东京的数据中心应用较多，通常被称为“京都制冷”。这种方式室外空气不直接进机房，空气洁净度好。与直接新风相比缺点是经过一次换热，热效率有所降低，热交换转轮体积大，占用空间大，如图3所示。

图3 转轮热交换方式

3）水侧间接利用免费冷源。如图4所示，采用带自然冷源模块的冷水机组，在冬季和过渡季室外温度较低的时间段不开压缩机，通过自然冷却模块与室外冷空气换热获得冷量。或者在冬季和过渡季不开压缩机，利用冷却塔来获得冷冻水。这是目前应用较多的一种自然冷源应用方案。例如北京鹏博士酒仙桥数据中心采用冷冻水机房空调系统，冬季采用开式冷却塔+板式换热器间接利用自然冷源方式，年PUE为1.8。中国移动国际信息港采用夏季水冷冷水机组+开式冷却塔，冬季采用闭式冷却塔的模式，年PUE预计为1.8。

图4 水侧自然冷源的应用

4）氟泵或乙二醇系统。对于风冷直膨式机房专用空调，冬季采用乙二醇干冷器（见图5）或氟泵系统。冬季关闭压缩机，利用室外低温供冷。冬季仅有一个泵和室内风扇的运行，有效降低空调系统的能耗。

图5 乙二醇干冷器

3.2 提高空调设备及系统效率实现节能

1）采用水冷空调系统。对风冷直膨式空调系统进行改造，在原有的每台机房空调风冷冷凝器处串联接入水冷式室外机换热装置，将原有需要通过风冷冷凝器排放的热量排至新建的循环冷却水系统中，在建筑的适当位置集中设置散热效率高的冷却塔、冷却水循环泵，最终将热量排放至大气，如图6所示。水冷却的效率比风冷高，可有效改善因空调系统室外机密集摆放造成的热岛效应和噪声问题，系统的效率大大提高。

图6 风冷改水冷

2）改善机房内的气流组织。改变以往给机房整体降温的思路，以“先冷设备、后冷环境”为指导原则，在机房内划分出相间隔的冷热通道，而且冷热通道封闭。制冷系统主要保障冷通道的温度满足通信设备的要求，热通道温度适当提高，使冷量得到充分利用。如图7所示，采用下送上回的送风方式，优化气流方向，提高气流输送效率。

图7 冷通道封闭的下送风空调系统

3）扩大温湿度适用范围

在温湿度方面，美国ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers）发布的《ASHREA Environment Guidelines For Datacom Equipment 2011》与 2004 版比较，对温、湿度的要求放宽了许多，放宽的要求在保证机房设备正常运转的前提下，减少了制冷、加热、除湿、加湿的能耗，降低了PUE值。表1所列的温、湿度是指电子信息设备的进风口参数。

表1 ASHRAE对电子信息设备进风口参数的要求

4 结语

数据中心作为一个新兴的经济基础产业为空调的发展提供了新的舞台和机遇，也使得空调成为数据中心中最受关注的焦点。探索高效节能的空调系统设计方法，开发安全可靠节能环保的空调产品，是每个空调工作者努力的方向。

[1]顾大伟.数据中心建设与管理指南[M].北京:电子工业出版社,2010

[2]Malone C,Belady C.Metrics to characterize data center ＆ IT equipment energy use[A]In:Proceedings of 2006 Digital Power Forum[C].Richardson:TX,2006

[3]钱晓栋.数据中心空调系统节能研究[J].暖通空调,2012,42(3):91-96

[4]电子信息系统机房设计规范(GB50174-2008)[S].北京:人民出版社,2008