数据中心空调系统节能措施浅析

潘志强，李岑，田志景，姚新宇，曹旭

（中邮建技术有限公司，江苏 南京 210012）

数据中心使用的制冷系统，其主要目的是为防止IDC机房服务器设备过热，保证业务稳定持续。按照多年来传统机房空调的温度设置，无论冬夏昼夜，空调温度都基本统一设置在18～25℃甚至更低。通过对IDC机房用能组成现状的调查统计，并抽取典型IDC数据中心空调系统各设备能耗数据进行分析，如图1所示。

图1 IDC机房能耗分布图

从统计结果可以看到，空调和ICT设备的耗电占据了数据中心总耗电量的绝大部分，其中空调设备的耗电量占总耗电量的31%；通过进一步分析空调系统各设备能耗发现，冷水机组、循环水泵、空调末端是空调系统中主要耗电设备，占据空调系统整体能耗的97%。因此，降低空调系统的能耗可以有效降低IDC数据中心PUE数值，本文主要针对提高机房内环境温度、优化空调设备的运行策略、延长使用自然冷源等节能措施展开讨论。

1 提升机房温度

1.1 温度提升需要考虑的因素

机房设备主要为通信设备和配套设备2类，通信设备通常为IT业务设备，配套设备有监控传输、空调设备等。

1.1.1 ICT设备

ICT设备长期正常工作温度范围为5～45℃，理论上只要机房环境温度常年保持在15～35℃、湿度30%～80%，设备能够正常稳定工作，因此适当提高机房内空调末端送风（回风）温度可以降低空调末端的能耗。

1.1.2 传输监控设备

传输监控设备长期正常工作温度范围为0～45℃，湿度范围为10%～90%。在保证传输设备正常工作的情况下，也可通过提高机房室内温度的措施，对空调末端设备进行节能运行。

1.2 提高空调末端送风（回风）温度

目前IDC数据中心机房内温度控制的方式主要由空调末端回风温度控制和送风温度控制两种方式,两者的区别在于参与控制的温度采样点位置的不同和运行控制逻辑不同。

若采用回风温度控制方式时,回风温度为直接控制对象，通过比较回风温度与机房温度设定值的差值控制空调末端的运行工况；若采用送风温度控制方式时,送风温度为直接控制对象，通过比较机房温度实测值与机房温度设定值的差值控制空调末端运行工况。显然，采用回风温度更能代表机房内平均温度。

1.3 实施效果

2个核心机房和2个IDC机房，通过提高空调末端回风温度、同时段比较能耗情况。提升机房温度，测点的最高温度没有上升，机房的温度场得到优化，如序号2，每提升1℃，空调节电率在2.5%～5%之间甚至更高，个别机房可以达到6.25%。

2 空调设备的运行策略

2.1 采用变流量水系统

定流量系统是国内工程设计中应用较多的一种系统形式，通过冷水机组的冷水流量不变。当空调系统中空调末端冷负荷减少时，导致冷冻水供、回水温差减少，所以绝大部分运行时间内，空调冷冻水系统处于大流量、小温差的状态，造成循环水泵能耗偏高。

相较于定流量系统，变流量系统可使冷水机组蒸发器侧流量随负荷侧流量的变化而改变，从而最大限度地降低循环水泵的能耗。

利用循环水泵轴功率与电机频率立方成正比关系P1/P2 =（n1/n2）³，流量与电机频率（转速）成正比的关系P1/P2 = n1/n2，通过降低循环水泵使用频率来节省能耗。

根据现场调研结果，以呼和浩特某数据中心机柜加电率（94.3%）及机房热负荷6959.208 kW（实际加电功率5799.34 kW*系数1.2）计算，冷冻水系统内水流量必须要达到1400m3/h才能满足正常制冷需求（供回水温差5℃）。

以往需开启2台90 kW水泵供水：

Q=800m3*2=1600m3

电机需投入的功率：P=90kW*2=180kW

现采用3台90 kW水泵供水，并下调电机频率，

水泵供水量：Q=80%*800m3*3=1920m3

电机需投入的功率：P=(80%)3*90kW*3=138 kW

节省的功率：P= 2*90-138=52 kW

此时系统内流量充足，而电机投入的功率下降。

同理将110kW冷却泵调整后：

电机需投入的功率：P=(80%)3*3*110 kW=135 kW

节省的功率：P= 2*110-135=85 kW

投入3台冷冻泵、冷却泵,可节省：P=52+85=137 kW

实施效果如表3所示，2套制冷系统、循环水泵频率50Hz运行时，循环水泵日整体能耗为9600Kw·h，3套1200RT制冷系统、循环水泵频率40Hz运行时，循环水泵日整体能耗为7372.8kW·h。3套1200RT制冷系统、循环水泵频率35Hz运行时，循环水泵日整体能耗为4939.2kW·h，节电率48.5%。

2.2 调节冷水机组运行工况

离心式冷水机组的工作效率，除了考虑离心式压缩机本身的效率外，还应结合实际运行条件考虑冷水机组在不同负载条件下的实际综合COP。以某品牌制冷量2300RT的离心式冷水机组为例，如图2所示，在保证冷水机组的制冷量与空调末端负荷相匹配的情况下，通过人工或自控系统使冷水机组在50%～80%负载状态下运行，将其控制在最佳节能区域。

图2 水冷机组性能曲线图

3 提高自然冷源利用效率

3.1 提高冷却塔冷选型

冷却塔选型适度放大，按照冬季选型，夏季校核，逼近度由原设计方案的5.5℃改为3.5℃，即在保证冷却水供水温度不变时，湿球温度由8℃提升至10℃，全年自然冷源利用时间可提升385h。

3.2 自然冷源切换

结合运行实际情况优化暖通系统控制逻辑，合理使用预冷模式和全冷却塔冷却模式。冷机制冷模式： 当室外湿球温度t>22℃（可调）时，冷机工作，自然冷源不工作；预冷模式：当室外湿球温度15℃＜t≤22℃（可调）时，机械冷源与自然冷源联合运行；完全自然冷却模式：当室外湿球温度t≤15℃（可调）时，冷机不工作，自然冷源工作。

以呼和浩特某数据中心为例，调整前当室外湿球温度低于5℃时启用2台板式换热器（单台制冷量4500kW）制冷，调整后当室外湿球温度低于7℃时启用3台板式换热器（单台制冷量4500kW）可满足制冷需求。即在现有热负荷工况下可提前或延后自然冷源使用时间（由原来的11月～次年3月变更为10月～次年4月），在10～11月和3～4月采用水冷机组与板式换热器相结合的方式降低制冷耗能。

实施效果如图3所示，以某年10月份水冷机组耗电量273886kW·h，环比9月份下降266340kW·h，节电效果显著。

图3 冷源能耗对比

4 结语

随着云计算数据中心的大量投运，先期的大资金设备投入占所有投入的比例已经逐步减少，而运营维护及基础建设的费用却始终居高不下，通过绿色环保理念、运用节能减排技术，减少这些运行维护及基础建设的费用，也将为运行商自身节约大量开支，更有效地实行可持续发展。本文根据数据中心实际运行情况，结合测试数据，提出了数据中心制冷系统节能的方法，为制冷系统节能控制策略的制订和实施提供了参考。