严寒地区数据中心降温节能空调系统探究

金洪文，孙 妍，张 炯

(1.长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012；2.吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，长春 130012；3.山西建筑职业技术学院，太原 030006)

严寒地区数据中心降温节能空调系统探究

金洪文1,2，孙 妍1,2，张 炯3

(1.长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012；2.吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，长春 130012；3.山西建筑职业技术学院，太原 030006)

随着大数据时代的到来，数据中心建设发展迅速。其特点是散热量大，空调能耗高，人工制冷作为数据中心主要室内降温方式且连续运行，耗电量仅次于IT设备用电， PUE值较高。严寒地区冬季温度≤5 ℃的天数不足170 d，夏季超过30 ℃的天数不足30 d，气候特点鲜明。故可充分利用室外空气温度变化来满足室内环境温度需求，即在数据中心空调制冷系统方案中拟采用全热交换、蒸发冷却和人工制冷系统相结合的模式，以达到节能降耗的目的。

数据中心；全热交换；蒸发冷却

0 前言

随着数据中心容量的增加、规模的扩大以及新型设备与技术的引入，数据中心机房的诸多问题随之而来。通常数据中心设备集中，且单位面积发热密度高。据资料显示，从1987年首次载入ASHRAE手册(空调冷却系统设计方法)单位冷负荷为108～162 W/m2，到如今单个机柜散热量高达3.5～10 kW，单位面积功率密度已高达500～2 000 W/m2。单位机柜发热密度的不断提高，易引起通信设备因温度过高烧毁等问题，需增大空调制冷机制冷量，以降低室内环境温度，这就增大了空调耗电比重。并且空调环境温度下调1 ℃，其对应的电耗是惊人的。在机房电能消耗中，空调耗电量约占总耗电的50%左右，这对数据中心的制冷技术提出了更高要求[1]。

目前，国内室内降温采用的方式有：空调系统降温、通风降温、黑网布吸收太阳辐射降温和地冷室内降温等[2]。数据中心主要降温方式为空调系统降温和通风降温，需要较高的投资和运行费用[3]。主要是人工制冷设备投资和运行电耗高，既要减少人工制冷设备初投资以及其运行时间，又要保证数据中心室内温度，二者是矛盾的。减少设备投入和运行时间，意味着不能保障数据中心要求的环境温度，这就需要通过其他渠道来解决这一矛盾。

1 严寒地区气候特点

严寒地区以长春市为例，年平均气温4.8 ℃，最热月为7月，最高温度39.5 ℃，平均气温23 ℃；最冷月为1月，最低温度-39.8 ℃，平均气温-16 ℃。可充分利用室外温度条件，尽可能减少人工制冷开启时间。

2 数据中心特点

据资料显示，截至2013年3月底，我国各类数据中心总量约为43×104个，容纳服务器共约500×104台[4]。到2015年，我国数据中心年用电量突破1 000亿kWh，超过三峡电站当年总发电量。相比其他类型的建筑空调系统，数据中心具有运行时间长、送风参数相对稳定、高显热比、气流组织复杂、耗电量大、全年要求制冷且负荷较大等特点[5]。并且数据中心有着严格的热环境标准，依据GB 50174《数据中心设计规范》规定,见表1所示。

数据中心主要发热设备要求进风温度约为25 ℃左右，依据规范送风温差应该在15 ℃左右，即送风温度一般应在13 ℃左右，室内最高温度不宜超过28 ℃。

3 空调设计方案

寒冷地区气候特点鲜明，在设计数据中心空调方案时，需要充分考虑地域的特点。当室内、外温度接近或温差不大的时候，可以考虑采用直接新风系统降温方式；当室外温度较高时，采用自来水进行蒸发冷却送风降温方式；当室外温度较低时，采用全热交换系统运行方式；当持续高温采用上述方式运行不能满足室内温度要求时，启动人工制冷系统运行降温。根据不同气温变化，将全新风系统、蒸发冷却系统、全热交换系统及人工制冷系统集成并发挥其各设备优势，不启动或延迟启动人工制冷设备运行时间，这样设计的空调系统将会比单一的传统人工制冷空调系统有更大的节能潜质。

表1 数据中心设计规范对室内环境要求

这需要将置换通风的新风系统、蒸发冷却系统、全热交换系统及人工制冷系统合理集成并高度智能运行，才能实现预期目的，即依据室外气温变化，进行各个系统自动切换运行，以维持室内环境温度并达到人工制冷系统启动时间最短，达到节能降耗的目的。节能降温空调设计方案原理图如1所示。

1.过滤器；2.全热交换器；3.湿膜蒸发冷却器；4.人工制冷设备；5.风机图1 拟采用空调系统运行原理图

利用温度敏感元件检测室内外空气温度并进行精确控制，防止临界温度条件下室内空气发生结露现象或室外温度过高时采用单一制冷方式满足不了室内环境温度需求。具体方案运行如图2～4所示。

图2 全新风原理图

图3 全新风处理过程图

图4 排风混入新风处理过程图

3.1 全新风运行模式

4月—6月，9月—10月室外平均温度约为10 ℃左右，满足直接利用新风降温的条件，可充分利用室外新风直接降温。开启图1中阀门F1、F2，室外新风(W点)经过滤器处理后直接送入室内，吸收余热后直接由排风口(P点)排至室外，处理原理图如图2所示，处理过程图如图3所示。此时，运行时需要注意送风温度需要高于室内设计温度的露点温度，否则会结露，如某时段室外温度低，需要混入一部分排风，通过F3开启，混入少量排风，此时处理过程图如图4所示。

3.2 蒸发冷却降温运行模式

7月—8月室外日平均温度升高至20 ℃左右，仅用室外新风远远满足不了室内环境需求，蒸发冷却系统产生的高温冷水可以用来消除室内热负荷。以长春地区为例，夏季设计室外干球温度为30.5 ℃时，新风通过湿膜材料降温后出风湿球温度下可降至25 ℃，相对湿度85%。

故采用蒸发冷却系统对进入室内的空气进行降温，利用室外干燥空气和水作为制冷的驱动源，让空气与水直接接触进行传热、传质过程[6]，处理原理图如图5所示，处理过程图如图6所示，室外空气W点沿等焓线等焓加湿降温到L点，出风的干球温度即为室外空气处理后的湿球温度，其焓值与室外空气相同，L点状态空气吸收室内余热量后由排风口(P点)排至室外。

图5 蒸发冷却降温原理图

图6 蒸发冷却处理过程图

3.3 蒸发冷却与人工制冷系统协同模式

当室外温度上升到利用蒸发冷却系统不能满足室内环境温度的需要时，采用蒸发冷却与人工制冷协同降温，开启图1中的阀门F1、F2，新风由新风口(W点)经空调机组进入蒸发冷却空调降温，若仍不满足规范要求，则由人工制冷补充不足部分，冷空气进入室内降温后，室内热空气由排风口(P点)排出，此时蒸发冷却系统和人工制冷分担负荷需要分配合理，原理图如图7所示。处理过程图如图8所示，室外空气W点沿着等焓线处理到到L点后，剩余的负荷再由人工制冷减焓减湿处理到L＇点后送至室内，吸收室内余热后排到室外。

3.4 全热交换系统模式

严寒地区冬季气候寒冷，1月、2月、3月、11月、12月温度均在0 ℃以下，温度≤5 ℃的天数达145 d以上。此时利用自然温度进行降温，由于天气寒冷导致进入室内空气发生结露现象，可利用全热交换系统将室内热空气与室外冷空气进行交叉换热，室外空气W点经全热交换器处理增焓增湿至送风状态点W＇处。提升室外进入室内的空气温度，降低结露现象发生的可能性，即如图8所示：关闭图1中的阀门F1、F2，室外冷空气与室内排风换热升温后进入室内。吸收室内余热后排至室外，处理过程图如图10所示。

图7 蒸发冷却与人工制冷系统协同原理图

图8 蒸发冷却与人工制冷系统协同处理过程图

图9 全热交换系统降温原理图

采用的蒸发冷却式系统和全热交换系统相对于人工制冷具有投资费用低的特点，其中蒸发冷却系统初投资约为传统人工制冷的1/2，维护费用约为人工制冷的1/3，运行费用约为人工制冷的1/4，运行的耗电量仅为人工制冷的1/6～1/8[7]；采用湿膜蒸发冷却过程中，空气得到净化功能，大约可使室内空气中PM10可吸入颗粒物质量浓度减少40%，PM2.5质量浓度减少10%～40%[8]。

图10 全热交换系统处理过程图

4 结语

本系统主要利用严寒地区的气候特点，充分利用可再生能源及自然冷源，采用蒸发冷却、全热交换系统、自然冷却全部代替或部分代替传统制冷剂空调系统，合理运用低能耗的风、水空调系统对室内热空气进行降温处理，推迟了人工制冷设备的启动时间，解决了人工制冷空调全年运行能源浪费较大的问题。对下一步数据中心改造及新建的空调方案选择，具有一定的实际借鉴意义。

[1] 张志群,张文鋆.蒸发冷却在南方地区发电厂配电装置室的应用[J].暖通空调,2012(3):42-44.

[2] 高忠义.地冷室内降温的全新模式探究[J].上海节能,2016(2):96-99.

[3] 梁贲,韩利平.蒸发冷却冷凝器在通信机房空调节能改造中的应用[J].现代工业经济和信息化,2016,12:24-26.

[4] 秦婷,张高记.数据中心节能减排措施探讨[J].西安邮电大学学报,2013(4):95-99.

[5] 王泽青.中国大陆不同气候分区数据中心自然冷却模式的PUE分析[D].天津：天津商业大学,2015.

[6] 黄翔.国内外蒸发冷却空调技术研究进展(1)[J].暖通空调,2007,37(2):24-30.

[7] 杨铭.蒸发冷却降温技术在电厂通风空调中的应用探讨[J].供热制冷,2016(3):63-66.

[8] 黄翔,狄育攀,吴志湘,等.空调工程[M].北京：机械工业出版社,2006.

The Research on Cooling and Energy-saving Air-conditioning System in Data Exchange Center in Severe Cold Area

JIN Hong-wen，et al.

(SchoolofEnergy&Power，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

With the arrival of large data era，the construction of data center is developing rapidly.It is characterized by large heat，high energy consumption on air conditioning.Artificial refrigeration as the data center and the main indoor cooling mode to run continuously，the power consumption in it is the second to the power consumption of IT equipment，and the PUE value is higher.The time in cold winter areas with the temperature ≤5 ℃ is less than 170 days，the duration of annual days with the temperature more than 30 ℃ is less than 30 days and with distinctive climate characteristics.Therefore，the outdoor air temperature changes can be made full use to meet the need of indoor temperature.In the data exchange center of the evaporative cooling air conditioning system，it is to be adopted a total heat exchange，and combined model of evaporative cooling and artificial refrigeration system to achieve energy saving purposes.

data exchange center；total heat exchange；evaporative cooling

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.015

2016-12-09

金洪文(1970-)，男(汉)，辽宁朝阳，教授 主要研究暖通空调节能技术。

TU831.3

A

1009-8984(2017)01-0060-04