数据中心空调节能技术探讨及新型机械冷却+自然冷却空调技术研究

张 华 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司



数据中心空调节能技术探讨及新型机械冷却+自然冷却空调技术研究

张 华 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

对于数据中心空调设计中常用的节能措施作了粗浅的讨论，介绍了采用PUE来评价数据中心空调系统能耗的指标，介绍了国外一种较为新型的复合型数据中心空调系统，为数据中心空调系统设计提供参考。

数据中心空调；PUE；免费冷却；节能设计

近年来随着云计算产业的蓬勃发展，数据中心也处于快速发展时期，各种大型、超大型数据中心的建设与日俱增，同时数据中心内单机柜发热密度越来越高，这就对空调系统的制冷能力提出了很高的要求，如何在更节能、安全的前提下满足高密度机房的制冷需求是对当前数据中心空调系统设计提出的挑战，同时也应该是数据中心空调系统的发展方向。

1 数据中心能耗评价方法

现行数据中心能耗评价方法多采用绿格（The Green Grid）所定义的PUE（Power Usage Effectiveness能源利用效率）指标来衡量，其具体定义为

其中，Total Facility Power包括：IT设备外的供电系统损耗（例如UPS，开关柜，发电机，PDU，电池）；制冷系统耗电；网络设备及存储设施耗电；机房照明等。由于我国幅员辽阔，气候条件差异较大，所以不同地区的空调系统PUE相差较大。统计而言，国内的现行数据机房由于系统设计、运行参数、管理水平等方面因素的影响，较好的数据机房PUE大致在2.0左右。

2 现行数据中心空调系统设计的节能措施

数据中心空调系统与舒适性空调系统既有共性，也有其特性，所以其节能措施一方面可以采用同样适用于舒适性空调的措施，例如采用变频冷水机组、磁悬浮冷水机组等高效率设备的方法；另一方面也应该针对数据中心空调的特性而采用特定的节能措施。设计中常用的、可实施性较强的措施可分为三种：采用免费冷却，降低主机能耗；提高供水温度，提高主机效率；优化气流组织，避免冷热混合损失。

与舒适性空调相同的常规节能措施，本文不再赘述，下面仅对适用于数据中心空调的节能措施作作讨论：

2.1 采用免费冷却，降低主机能耗

免费冷却包括以空气为载体的免费冷却以及冷媒为载体的免费冷却。

以空气为载体的免费冷却主要是将温湿度合适的室外新风直接引入机房的冷却形式，即直流式全新风系统，系统设计简单，初投资及运行费用均较低，但是缺点也很明显，例如风管占用空间较大，室外空气条件较差会污染机房环境，影响机房运行稳定，所以其运用案例较少。

以冷媒为载体的免费冷却在现行的设计中主要包括以下几种类型：

（1）在空调机房内安装自然冷却系统所负担的空调器，在室外条件较好时，开启此系统来预冷数据机房的回风，甚至可以承担全部数据中心冷负荷，在过渡季节时，系统自然冷却制冷能力不足的部分再由采用机械冷却形式的机房空调承担［1］。

（2）分离式热管自然冷却系统［2］：利用热管原理，工质在安装于数据机房内的蒸发端吸收机房内的热量汽化，蒸汽通过压差流动至安装于室外的冷凝端，在其中被自然冷源冷却，冷凝后的液体依靠重力流回蒸发端。

（3）采用带自然冷却功能的机房空调［冷却水型］，与一般的冷却水型机房空调区别在于其内部除了配有冷媒蒸发器盘管还有个冷冻水蒸发器盘管，夏季运行工况为传统的冷却水型机房空调，过度季节时部分冷却水切换至冷冻水盘管做制冷，冬季时所有冷却水都当冷冻水来用，不和制冷剂环路地冷凝器进行换热。其原理如图1所示。

图1 自然冷却功能的机房空调不同季节的工作模式示意

（4）采用冷却塔免费供冷技术：系统由冷却塔、冷水机组、板式换热器、循环水泵以及水冷型机房空调组成。系统由两种设计形式：“冷却塔+板换”与冷水机组串联运行（图2），“冷却塔+板换”与冷水机组并联运行（图3）。前者冷冻水回水先经过板换，之后再经过冷水机组，优点是在过渡季节可实现“冷却塔+板换”与冷水机组同时运行，能够充分利用自然冷却；缺点是增加了系统阻力，需采用较高扬程的冷冻水循环泵，且系统控制较为复杂；后者系统中冷却水仅在冬季室外温度较低时经过板换，此种方式优点是能够降低循环水泵扬程，控制简单，缺点是由于在过渡季节二者不能同时运行，免费供冷时间小于前者［2］。

针对上海的气象条件，笔者假设空调机组供、回水温度分别为10/16℃，当时冷却塔供水温度低于7℃时为免费冷却，当冷却水供水温度为7～13℃时为过渡季，当冷却塔供水温度高于13℃时为机械冷却，根据上海8 760 h的干球温度统计，免费冷却时间占26.8%、过渡季时间占15.7%、机械冷却时间占57.5%。同时随着供水温度的提高，免费冷却及过渡季时间均同步提高，机械冷却时间逐步降低，如图4所示。

图2 冷却塔+板换”与冷水机组并联

图3 冷却塔+板换”与冷水机组串联

图4不同供水温度下，3种模式所占的比例

对于“冷却塔+板换”与冷水机组串联运行的系统，免费冷却时间为上图中的“自然冷却+过渡季”，而对于“冷却塔+板换”与冷水机组并联运行的系统，免费冷却时间仅为自然冷却。

2.2 提高供水温度，提高主机效率

国标（电子信息系统机房设计规范 GB 50174-2008）对于数据机房设计参数的规定（表5）以及ASHRAE TC 9.9 2008年中对于数据中心的设计参数规定（表6）如下。

由表5、表6可知，国内规范对于数据中心温度上限为24℃，而 ASHRAE-2008年推荐温度范围最高值可为27℃，选择合适的室内设计参数以及相应的冷冻水供、回水温度也是提高冷水机组能效的关键。供、回水温度的选择和机房内所采用的封闭冷通道还是封闭热通道也有直接的联系，这在下文中将进一步论述。

表5 国标对于机房参数的规定

表6 ASHRAE TC 9.9 2008年中对于机房参数的规定

2.3 优化气流组织，避免冷热混合损失

数据机房空调系统设计中采用的气流组织形式按照送回风形式可分为：包括顶送风侧回风、下送风侧回风、下送风顶回风；按照是否封闭冷、热通道可分为：敞开式、封闭冷通道形式、封闭热通道形式。

对于低密度、小容量机房，早期的设计将精密空调放置于机房内，不单独设置专用空调机房，采用机组侧向回风形式，送风方式也较为简单，采用顶送；随着数据机房发热量的增加，气流组织形式开始采用架空地板下送风，同时结合封闭冷通道或封闭热通道的方式而采用空调机房侧墙回风或者将吊顶空间作为热通道的吊顶回风。图5为两种典型的气流组织。

从图5、图6可以看出，对于所要控制的房间温度，按照国标要求为23℃，在图7此温度为热通道温度，在图8种此温度为冷通道温度，所以对于空调机组的送风温度而言，定然是封闭热通道会高于封闭冷通道，送风温度的提高意味着冷冻水温度的提高，一方面可提高冷水机组的效率，另一方面也意味着可以采用的免费冷却时间增加，最终都会大大的降低空调系统的能耗，所以从这方面而言，封闭热通道优于封闭冷通道，但是封闭热通道也有自身的缺点：增加了吊顶空间，提高了土建成本，在具体项目中应采用何种方式应综合考虑后确定。

3 一种新型的机械冷却+自然冷却复合型空调系统

笔者设计了一种国外新型数据中心的空调系统，系统设计时由于室内气流组织采用封闭热通道（冷、热通道温度分别为25℃及40℃），所以其冷冻水供水温度最高可达18度， 由此带来的好处是在室外干球温度低于35℃时均可以全部或者部分采用免费供冷，大大地延长了免费供冷时间，进而降低主机能耗。

系统由室外闭式冷却塔，冷却水泵，冷量分配单元（CDU）以及行间空调等部分组成，CDU以及行间空调均包含两套独立的制冷剂环路，平时运行时，一套以免费冷却运行，另一套同时以机械冷却运行（如果室外闭式冷却塔提供的水温低于18℃时，此环路也切换为免费冷却模式），当一套故障时，另一套可承担系统全部制冷量。即使在室外气温高于35℃，系统全部切换为机械冷却时，由于冷冻水温度可为18℃，所以冷水机组的COP依然远高于传统水温的冷水机组。具体详见图7、图8。

图5 封闭冷通道，房间为热空气

图6 封闭热通道，房间为冷空气

图7 系统示意图

图8 “CDU+行间空调”示意图

系统中采用的节能方式有：①闭式冷却塔免费冷却技术，冷水机组与闭式冷却塔采用串联的系统型式。②高温冷冻水制冷，在机械冷却模式下18℃的冷冻水供水较传统机房空调系统的10℃供水大大提高了冷机效率。③ 封闭热通道一方面通过提高冷冻水温度使得采用免费冷却的时间大幅延长，另一方面也最大程度的避免了机房内气流混合而造成的能源浪费。④ CDU及行间空调均采用双回路设计，保证其中一个回路持续以免费冷却模式运行，最大现的地利用免费冷却，同时双回路设计也大大地增加了系统运行的安全性，满足数据中心空调系统对系统冗余的要求。综合利用以上多种节能技术，针对上海市全年气象参数分析计算，系统综合年化PUE可降至1.3，远低于现行较优的数据中心空调系统PUE=1.5的现状。

4 结论

（1）数据中心空调设计中有多种节能措施，具体采用何种需要根据实际情况并结合技术分析确定。

（2）国标规定的参数是较高标准的要求，在实际使用中完全可以在满足设备安全运行的前提下，尽量提高机房设计温度参数以降低系统能耗。

（3）采用免费冷却是数据中心空调系统节能的重要发展方向，但是在整个系统中只有各个环节都考虑了节能措施，才能整体上最大程度的降低系统能耗。

［1］ 何钟琪，黄霞。上海地区数据中心空调系统节能措施探讨，暖通空调，2011，41（8）

［2］ 钱晓栋，李震，数据中心空调系统节能研究，暖通空调，2012，42（3）

Discussion on Air-Conditioning Energy Conservation Technology in Data Center and Study on New Type Mechanical Cooling and Free Cooling Air-Conditioning Technology

Zhang Hua Tongji University Architecture Design and Research （Group）Co.，Ltd

The article introduces common energy conservation measures during air-conditioning design in data center. It puts forward PUE as air-conditioning system energy consumption evaluation index. It also carries out study on foreign new type combined air-conditioning system in data center，which gives reference to air-conditioning design in data center.

Data Center Air-Conditioning System， PUE， Free Cooling， Energy Conservation Design

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.008