基于群控技术的数据中心空调系统研究

摘要：本文针对数据中心机房对环境图温湿度敏感的特点，系统地开展空调系统的研究，综合考虑数据中心规模和自然冷源利用，优化气流组织，降低机房的空调能耗，选取合适的空调系统以达到节能的效果。同时空调主机、水泵、空调末端、管路系统、补水系统均纳入空调自控系统中。群控系统根据空调系统水温、流量、机房内环境温度的情况实现最优化运行。

关键词：数据中心机房;气流组织：能耗;节能;群控技术

0引言

随着互联网领域的快速发展和云计算的广泛应用，数据存储规模、计算能力大幅增加，使得数据中心市场规模不断加大。同时数据中心是一个耗能大户，不仅电子设备本身耗电之外，空调系统的耗电非常大，占数据中心总能耗的40%以上。因此，降低空调系统能耗成为数据中心节能的重点。空调系统是数据中心设备安全、稳定运行的基本保障。数据中心空调系统不同于一般舒适性空调系统，其主要目的是消除设备散热，保证机房稳定运行，且需全天24h制冷运行。因此，本文以数据中心为研究对象分析空调系统的最优布置。

1数据中心常用空调系统介绍

1.1集中式冷源

数据中心空调系统按照冷源方式可分为集中式冷源系统和分散式冷源系统，目前在数据中心运用较多，较常见的集中式冷源有水冷冷冻水空调系统和风冷冷冻水空调系统;分散式冷源有风冷直膨式系统。

1.2数据中心末端空调形式

数据中心经过多年发展，从传统型的房间级空调到贴近机柜的行级空调再到机柜级的背板空调等直至现在正在探索的芯片级（液冷等）制冷单元，不仅服务器功耗可由原来的1-2KW提高到现在的15-20KW甚至30-50KW或更高，制冷效率也提升了30%-40%。

1.2.1房间级制冷

传统房间级通常采用机房专用空调，其主要是先将房间环境温度冷却再对服务器冷却。根据冷却方式不同可分为水冷和风冷，按照送风方式可分为风帽直吹型送风、上送风和下送风型。

1.2.2行级制冷

行级空调，空调与机柜并柜紧贴中，紧靠热源安装，就近制冷，可将机柜散发的热量快速带走。根据冷却方式不同可分为水冷和风冷等，其送风可选前送、单侧送、双侧送、45°角送等。

1.2.3机柜级制冷

制冷单元与机柜相关联，机组直接安装在IT机柜上或其内部，是近端供冷的形式之一。柜级空调型式多样，有背板、前门、柜内、柜顶等，按照冷源可分为水冷、风冷和热管型等。

2空调方案

2.1空调方案设计

根据数据中心对土建要求及本工程围护结构等情况，对空调的冷负荷进行估算。空调冷负荷主要考虑建筑围护结构负荷、新风、照明、人员负荷以及IT设备的发热形成的负荷，计算确定机房楼的空调所需负荷。机房楼空调冷负荷Q=Q1+Q2，其中Q1为设备散热量;Q2为机房外墙等围护结构传热量、外窗太阳辐射、人员及照明等因素引起的冷负荷。

综合考虑数据中心规模和自然冷源利用，采用带自然冷却功能的风冷冷冻水系统。空调主机采用带自然冷源模块的风冷磁悬浮离心式冷水机组，提高空调系统效率。主机采用N+1备份方式，任一主机出现故障和问题时，仍然能保证系统的正常运行。

2.2空调群控技术

2.2.1主机群控

空调主机、水泵、管路系统、补水系统均纳入空调自控系统中。自控系统根据空调系统水温、流量、机房内环境温度的情况实现最优化运行。同时对机房空调能耗进行实时监控。

群控系统应能够监测风冷机组的运行状态和故障状况，能够远程控制风冷机的启停，能够监测循环水泵的运行状态、手动/自动状态和故障状况，能够控制循环水泵的启停，可以监控制冷系统的供回水压力、温度、流量等参数，监控制冷系统的电动蝶阀、压差旁通阀等。群控系统根据机组供水/回水总管的供/回水温度、流量，计算冷负荷，根据冷负荷的变化决定开启机组及对应的水泵台数，供回水压差控制旁通阀。

2.3末端建设方案

列间空调紧贴机柜布置，空调正面吹出冷风，经过服务器机柜后，将服务器冷却，热风再回到列间空调。该种方式气流路径短，风机不需要大压头，风机功耗更小。并且列间空调采用直流无刷EC风机，风量可根据实际负荷需求进行无极调速。当负荷小时，风机低速运行，实现节能目的。

机房采用封闭热通道的方式，机架采用面对面、背对背方式布置，使面对面一侧形成冷风通道（冷区）、背对背一侧形成热风通道（热区）。这种方式将服务器排出的热气与服务器进风口处的空调冷风分离，避免冷、热空气掺混，避免前列机架上设备排出的热风被服务器自带的风扇送入下一列设备的进风口，确保热气尽快从热区（热通道）返回空调机，确保设置在“冷区”的服务器进风口保持低温，提高冷空气的有效利用率。封闭热通道将服务器产生的高温空气全部封闭在列间空调的回风区域内，使冷风和热风有效隔离，冷热不混合，冷量损失更小;同时冷风进入机柜，利用率更高。同时通过提高热通道温度（空调回风温度），如提升至35℃，可提高空调制冷能力和制冷效率，达到节能目的。

3结论

空调系统采用带自然冷却功能的系统。而本项目机架数量少，冷负荷需求较小，综合考虑数据中心规模和自然冷源利用，采用带自然冷却功能的风冷冷冻水系统。空调主机采用带自然冷源模块的风冷磁悬浮离心式冷水机组，空调主机和水泵均采用变频调节技术，可根据系统实际负荷的变化调节冷量输出，达到节能的目的。

本站选择列间空调+封闭热通道方式给IT机房使用，以配合机房的模块化、一体化和智能化实施。机架采用面对面、背对背方式布置，避免冷、热空气掺混，提高冷空气的有效利用率，可提高空调制冷能力和制冷效率，达到节能目的。而电力室等区域则选择传统的水冷精密空调+风管送风方式，保证电力室的温湿度。

采用新型末端，优化气流组织。本站数据中心采用冷冻水列间空调和封闭热通道方式，有效降低机房的空调能耗，降低机房PUE。

空调主机、水泵、空调末端、管路系统、补水系统均纳入空调自控系统中。自控系统根据空调系统水温、流量、机房内环境温度的情况实现最优化运行。同时对机房空调能耗进行实时监控。

参考文献

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作者简介

朱兴龙——研究生，中级工程师，研究方向为变电站的建筑、结构设计，从事变电土建设计工作。

南京电力设计研究院有限公司，江苏南京 210009