数据中心水冷空调系统节能性研究

孙付龙 王洪梅

【摘要】    本文结合山东大学青岛校区现有数据中心制冷系统和图书馆冬季供暖系统的运行原理，从实际角度触发，根据数据中心制冷机房和图书馆地源热泵机房所处位置的优越性，介绍了如何利用数据中心IT设备运行过程中所产生余热的构想。希望在冬季通过给图书馆供暖的地源热泵系统对数据中心IT设备运行过程中产生的热量进行回收，从而降低图书馆地源热泵系统的能源消耗;同时停用数据中心制冷系统的冷却侧室外散热设备，从而减少冬季对数据中心制冷系统的维护成本，延长室外冷却塔等相关设施的使用寿命，达到双赢的目的。

【关键词】    数据中心    地源热泵    余热利用    节能减排

引言：

随着信息技术的快速发展，校园的信息化和智慧化建设成为国内双一流建设高校率先实现一流的重点建设内容，一流的信息化建设不仅对学校的教学和科研起到有利的支撑作用，还为在校师生的工作和生活提供了极大的便利。为落实山东大学“两不出”的政策要求，山东大学青岛校区的信息化建设要求率先实现一流。

山东大学青岛校区数据中心位于图书馆一层，是青岛校区信息化建设和智慧校园建设的核心组成部分;是校区的校园网核心、高性能计算中心、虚拟化和云服务中心;并托管了各科研单位的服务器。数据中心在承载上述功能的背后配备了完善的供配电和制冷空调等基础设施系统，为IT设备7×24小时不间断的运行提供良好的基础设施支撑，保障了校园内各个业务系统的连续性、可用性。随着数据中心相关业务系统的部署，各类设备不断的增加，数据中心也成为了一个巨大的能源消耗中心。

数据中心内部的IT设备所消耗的电能最终绝大部分转化为热能散发到机房内，为了维持设备正常运转时所需要的环境温度。机房的制冷空调系统通过热交换的方式将这部分热能散发到外界环境中，在寒冷的冬季无疑造成了热能的浪费。然而近年来随着数据中心数量不断增加、规模不断增大，数据中心高能耗问题越来越受到关注，因此数据中心的热能回收越来越受到重视，被作为数据中心节能的重要措施。

山东大学青岛校区图书馆是目前国内单体建筑面积最大的图书馆，冬季图书馆的供热系统所使用的热量是由图书馆负一层的地源热泵系统通过热泵机组消耗电能做工从地下水中抽取的热量来提供;数据中心制冷系统则采用水冷机组、板式换热器、室外开放式冷却塔和冷却水循环系统将来自机房IT设备所产生的热量散发到大气中。

实际环境中图书馆的地源热泵机房与数据中心的制冷机房系统紧邻，只有一墙之隔。在此考虑在冬季将数据中心IT设备运行产生的热量，通过图书馆的地源热泵系统来进行回收，以提供图书馆冬季供热的辅助热量，减少地源热泵系统的能源消耗;同时停用数据中心制冷系统的冷却侧室外散热设备（冷却循环泵、板式换热器、室外冷却塔、室外冷却塔管路伴热系统），以减少冬季对数据中心制冷系统冷却循环泵、室外开放式冷却塔、板式换热器、室外冷却管道加热系统的维护成本，延长室外冷却塔等相关设施的使用寿命，达到双赢的目的。

二、系统介绍

山东大学青岛校区数据中心占地3600平方米，规划建设443个标准服务器机柜，72台机房精密空调;制冷机房设置在图书馆负一层，采用集中式水冷空调系统进行制冷，目前配备3台螺杆式冷水机组、3台冷却循环泵、3台冷冻循环泵、4台室外开式冷却塔，冷冻水供回水温度为12/18℃，具体设备参数如表1所示。

冬季，数据中心制冷系统工作在全自然模式下，依靠自然的低温环境对机房服务器进行降温。机房内部服务器运行所产生的热量，通过机房内精密空调的气流组织与冷冻水循环系统进行热交换将热量传递给冷冻水循环系统，冷冻水循环系统通过板式换热器与冷却水循环系统进行热交换将热量传递给冷却水循环系统（夏季则通过制冷机组做工的方式进行这个环节的热量交换），冷却水系统将这部分热量带到室外开放式冷却塔进行散热，以维持冷却水系统正常的回水温度。通过上述热交换过程，数据中心机房内部服务器所产生的热量最终被释放到大气中，使数据中心机房始终保持在适合服务器运行的环境温度下。冬季数据中心制冷系统热交换原理如图1所示。

山东大学青岛校区图书馆热泵机房设置在图书馆负一层，与数据中心制冷机房仅一墙之隔，采用地源热泵空调系统进行制热，目前配备3台595.6kW的离心式热泵机组、4台55kW用户侧循环水泵、4台55kW地源侧循环水泵。

冬季，图书馆办公区域由图书馆热泵机房通过从地源的水中获取热量来供暖。在热泵机组的蒸发器中，通过将制冷剂由高压液态转变为低压气态状态的过程来吸收自地源水中的热量，通过热泵机组做工的形式把携带热量的低压气态制冷剂循环到冷凝器中，在冷凝器中则通过把制冷剂由低压气态转变为高压液态的过程释放所携带的热量给办公区域循环水系统，办公区域的循环水系统吸收热量后，随着水的循环将热量散发到办公区域进行供热。冬季，图书馆空调系统热交换原理如图2所示：

三、数据中心余热利用构想

在寒冷的冬季，数据中心服务器消耗电能所产生的热量最终被排放到了大气中不能得到有效利用，同时数据中心制冷系统面临着冷却塔结冰，开启室外冷却水管路电伴热系统以防止冷却水管路结冰的情况。这增加了数据中心冷却水系统冬季的维护成本和电能消耗，减少了冷卻水循环管路和冷却塔的使用寿命。白白浪费了大量热源。在此考虑冬季能否将数据中心服务器所产生的热源进行有效利用，以响应国家建设绿色数据中心的运行要求，到达节能减排的目的。在冬季将数据中心的冷冻水循环系统与图书馆热泵机房的地源水循环系统进行结合，将图书馆热泵机房的离心热泵机组的蒸发器与数据中心冷冻水回水管路相连接，将来自数据中心机房18℃的冷冻水输送至热泵机房的热泵机组进行热交换，将热交换后的冷冻水再输送到机房精密空调给IT设备降温。此过程在冬季将数据中心服务器所产生的热量用来供给图书馆办公区域取暖使用，并停用数据中心冷却水循环系统、板式换热器，冷却循环泵、冷却塔和冷却管路电伴热系统，减少了冬季冷却水循环系统和冷却塔冬季的维护费用，延长了相关设施的使用寿命。数据中心制冷系统余热回收系统如图3所示。

四、结束语

本文对目前针对数据中心制冷系统和图书馆地源热泵系统的工作原理进行了分析，并结合两个系统所处的地理位置优势进行了数据中心余热利用的构想，初始阶段数据中心的负载量较小，所产生的余热不足以支撑整个图书馆冬季供暖的热量需求，此时数据中心服务器所产生的热量只能作为地源热泵系统地源侧的辅助热量，但随着数据中心IT设备数量的增加，数据中心所消耗的电能也必将逐步增加，所产生的余热也会逐渐增多，这部分热量在图书馆地源热泵系统所需要的整体热量中所占的比例将逐渐增大，甚至可以完全取代热泵系统地源侧的循环系统，减少地源热泵地源侧循环系统的电能消耗。

参  考  文  献

[1]罗玉庆.大型数据中心余热回收利用节能研究.节能技术与应用，2019，8：46-47

[2]谭力.加快数据中心余热回收利用技术推广应用的建议.中国计算机报，2021-7-5-周013

[3]崔科.数据中心空调冷却及余热回收系统技术分析.节能技术，2020，38（04）：379-384

[4]王玉莲.已建成数据机房余热利用初探.节能，2019，38（06），67-68