浅谈上海地区数据中心空调系统节能技术

陈 恒 林维莉 马书萍

1.上海市能效中心（上海市节能服务中心）

2.上海电信工程有限公司

3.上海市信息投资股份有限公司

0 引言

数据中心是耗能较大的建筑，其内部布置的大量服务器、配套的高低压配电系统、冷却空调系统以及其他辅助系统，全年365天24小时不间断运行，能耗巨大。以一个布置约1 000个机架的数据中心为例，其年用电总量折合标煤约5 000 tce，相当于一个工业重点用能单位的年综合能源消耗量。数据中心电耗呈逐年快速增长的态势，对全市的能效水平影响很大。

上海市最新出台的相关政策对本市互联网数据中心能效水平提出了更高的要求[1-3]。因此，数据中心的节能工作迫在眉睫。

1 数据中心能耗组成

数据中心能源消耗主要分为IT设备（服务器、存储设备、网络设备）能耗和基础设施能耗两个部分，其中基础设施能耗又包括供配电系统能耗、制冷空调系统能耗、照明系统能耗以及其他辅助设施能耗。基于目前的数据中心能效水平，其能耗构成如图1所示[4-7]。

图1 数据中心能耗分布

由图1可知，数据中心能耗中占比最大的是制冷系统，从制冷系统节能入手将有利于促进数据中心的能效提升。但是，从气候特点而言，上海市的地理位置决定了其气候特点并不利于数据中心制冷系统的能耗控制。因此，探讨适用于上海地区的数据中心制冷系统节能技术成为上海地区数据中心节能关注的话题。

2 制冷空调系统节能技术

数据中心的制冷系统可分为风冷型和水冷型。风冷型是单体的直膨式机房专用空调，室外机数量众多，统一安装在数据中心楼房外立面或布置在楼顶；而水冷型一般采用冷水机组集中制取冷冻水外供，若干台冷水机组，多放置在地下室。

数据中心制冷系统节能技术主要是针对风冷型和水冷型。本文针对上海地区数据中心制冷空调系统，主要介绍图2所示的节能技术，

图2 数据中心制冷系统节能技术

2.1 室外机雾化喷淋技术

室外机雾化喷淋技术由雾化器、水处理器和智能监控配合实现，该技术主要应用在风冷直膨式空调机组上[8-10]。

风冷型空调机组室外机一般数量众多，由于空间限制，极易出现由于冷凝器出风口距离太近，实际运行中存在后排冷凝器的热风直接吹到前排冷凝器上的现象。在夏季极端高温天气情况下，空调室外机长期处于高压工况，压缩机过压保护可能会频繁发生，影响数据机房的安全运行。

当受夏季高温天气影响导致风冷空调室外机不能正常运行时，室外机雾化喷淋技术可以通过水雾的蒸发冷却降低冷凝器进风侧空气的温度，增强冷却侧的散热效果，有利于减少空调压缩机的负载，保证数据机房制冷系统的稳定运行。

采用此技术需注意喷淋水的水质管理以及冷凝管道的腐蚀问题。

2.2 加装氟泵技术

加装氟泵技术主要应用在风冷直膨式空调机组上，系统由氟泵、蒸发器、冷凝器以及管路阀门等组成，与原专用空调配套使用，组合成两套不同的制冷循环模式：压缩机制冷模式和氟泵制冷模式[11-13]，其系统流程见图3。

图3 氟泵空调系统流程示意图

如图3所示，虚线框内为氟泵制冷模式。在夏季或室外温度较高的过渡季节，空调机组运行在压缩机制冷模式，制冷剂吸收机房的热量蒸发，在压缩机内加压后排入冷凝器冷凝液化，此时压缩机开启；在冬季或室外温度较低的过渡季节，空调机组运行在氟泵制冷模式，蒸发器中吸收机房热量后的制冷剂，直接进入风冷冷凝器与室外冷源换热，冷凝成液态后，在氟泵的作用下克服管道阻力回到蒸发器，此时压缩机关停，从而达到节能效果。

一般而言，采用氟泵技术，改造制冷量大的空调节能效果更明显。此外，对使用时间较长的空调不拟进行氟泵改造。

2.3 自然冷源利用技术

自然冷源利用技术[14-16]是利用室外环境的自然冷源为数据机房提供冷量的技术，在室外环境温度低于室内温度时，通过相应的技术手段将室外的冷源引入机房，带走服务器产生的热量为机房降温。该技术可以减少机房空调的使用时间，从而达到节约电能，降低PUE的目的。

本文介绍目前上海市大中型数据中心应用较多的自然冷源利用技术——冷水机组+冷却水水冷的空调系统。该系统主要由冷却塔、一次侧循环泵、板式换热器、二次侧循环泵以及冷水机组组成，自然冷源利用技术系统流程见图4。

图4 自然冷源利用技术流程示意图

在夏季等室外气温较高的季节，空调系统运行在制冷机模式，数据机房产生的热量由冷媒水送至冷水机组，通过冷水机组的制冷效果，再经冷却水输送至冷却塔散失；当冬季或室外气温满足自然冷却条件时，空调系统运行在节能模式，数据机房产生的热量由冷媒水送至板式换热器，通过与冷却塔送来的冷却水换热后将热量散失，此时冷水机组停机，数据中心空调系统实现节能运行。

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根据上海市最新出台的《上海市互联网数据中心建设导则（2019）》，要求本市互联网数据中心在节能措施上[2]，“宜充分利用自然冷源，全年自然冷源使用时间不宜低于3 000小时”，换算成天数，即《导则》建议全年自然冷源使用天数不低于125天。但根据本市数据中心调研情况，目前本市采用了冷水机组+冷却水水冷模式的数据中心，全年自然冷源使用时间约80-90天。即使节能效果显著，但考虑数据机房的安全稳定运行，数据中心依然会采取最保险的策略，只有在室外环境充分满足条件时，才会切换至自然冷源利用模式。

2.4 气流组织优化技术

数据机房在实际使用过程中，受各种因素的影响，造成机房的气流组织不合理、不通畅，无法及时带走服务器的热量，极易出现局部热点，机房空调系统为了保证整个机房合适的环境温湿度，不得不加大制冷负荷，这些措施都将使数据机房运行费用增加，PUE增大。

气流组织优化技术[17-21]是对机房不通畅不合理的气流组织进行规范、优化，防止气流回流、掺混、紊乱，确保机房内的气流有序、有组织地从服务器带走热量，提高空调系统送风的有效使用效果，从而降低机房空调的运行费用，降低PUE。数据中心的气流组织优化，无论是风冷空调机组或水冷冷水机组供冷，都需要重点关注。本文主要介绍冷热通道隔离技术，该措施来源于TIA942《数据中心通信基础架构标准》中要求机房内计算机设备及机架采用“冷热通道”的安装方式，用以合理规划数据中心气流组织，保证最大效率地利用空调冷气。

冷热通道隔离改变了以往传统数据机房冷却整个机房环境的思路，以“先冷设备，后冷环境”为指导原则，将机房内的机柜背靠背或面对面布置，间隔出冷热通道，并将冷通道或热通道封闭，从而保证机房内气流冷、热分区，整个机房气流组织有序、通畅，提高空调系统的制冷效率，有利于降低PUE。其气流组织示意图见5图。

图5 冷热通道隔离技术气流组织示意图

根据本市数据中心调研情况，大多数数据中心采用的是冷通道封闭的方式，即机柜长排列，面对面布置形成冷通道，如采用地板静压箱送风方式，送风口在冷通道地板上。同时机柜上部至天花板安装钢化玻璃进行完全封闭，封闭通道入口根据现场外走道宽度，选择推拉门或左右平移门。制冷系统工作时主要是确保冷通道的温湿度符合通信设备的要求，而热通道的温度可适当提高。

采用冷热通道隔离，确保冷热通道的隔离效果，还需要注意：（1）机柜没有安装服务器的空U位上一定要加装盲板，防止冷气流入热通道，导致冷热气流混合；（2）尽可能地采用上走线的网格桥架，便于散热及气流组织；（3）隔离冷通道后，服务器上架时应合理布局，尽可能将发热量大的服务器布置在机柜下端，发热量小的布置在中上端，最大限度合理利用冷气资源，有利于节能；（4）为了加快机架内冷热气流的畅快流动，可适当考虑增加机柜门的开孔尺寸。

2.5 其他技术

（1）微模块机房。微模块数据机房把供电、制冷及智能化管理系统都区域化、标准化、模块化，非常适合高密度机房。微模块机房的制冷空调系统采用水平送风行间精密空调，属于机柜级冷却技术，近端制冷，缩短了送风距离，得到更高效的换热效果，有利于节能。微模块机房在近几年投运的数据中心应用比较普遍，但投资成本大约会比传统数据机房高10%～15%。

（2）浸没式液冷技术。属于芯片级的冷却技术，服务器芯片浸泡在绝缘冷却液中，芯片运算产生的热量由绝缘冷却液吸收后送至外循环冷却，大幅提高了芯片的散热能力，节能效果显著，适合几十千瓦功率密度的数据机房，当然目前造价也不菲，除了极其特殊场合，该技术并未在数据中心中大规模应用。

3 结论

本文结合前两轮本市数据中心能效水平调研的成果，重点介绍了上海地区数据中心在制冷空调系统方面的节能技术，包括室外机雾化喷淋技术、加装氟泵技术、自然冷源利用技术（冷水机组+冷却水供冷）、气流组织优化技术（冷热通道隔离）以及适合更高功率密度的微模块机房和浸没式液冷技术，浅谈了各技术的原理、特点，应用场合等，以期为上海地区数据中心的节能减排工作提供技术参考。