数据中心暖通系统节能措施探讨

徐昌勇 安徽省公益性项目建设管理中心工程师

随着数字经济向社会各领域的持续渗透，社会对数据资源的存储、计算以及应用需求大幅提升，伴随着国家“东数西算”工程的全面启动，大数据和云计算等新一代信息产业进入快速发展阶段，数据中心建设也迎来了高速发展。持续优化数据中心能源的使用效率，对建设数据中心至关重要。

相关研究表明，数据中心能耗有1/3来源于暖通空调系统，仅次于IT 设备能耗。在数据中心正式运行初期，机柜负载率不高的情况下，空调系统能耗尤其突出，因此对暖通系统节能措施进行研究，不仅能降低自身能耗，提高数据中心空调系统运行效率，还能有效降低数据中心PUE 值，保障数据中心安全可靠运行，对研究数据中心节能十分重要[1]。

1 项目概况

安徽某数据中心项目位于合肥市滨湖新区，含12 层主楼、3 层裙房及单层地下室，总建筑面积为39 810 m2。本项目数据中心设计在建筑物的-1 层局部以及2 ～6层。其中，4 层局部、5 ～6 层为预留扩展区域。机房按照《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）A 级数据中心设计，机房面积约为14 000 m2，当期建设机柜858 台，最大运行负荷约为4 860 kW，服务器满配IT 系统负荷约为2 940 kW，暖通系统最大运行总负荷约为1 880 kW。满负荷运行时，暖通系统负荷约占数据中心总负荷的38.7%，本项目也与上述研究数据吻合[2]。

2 数据中心的环境及节能要求

数据中心建设内容不仅包括传统的土建工程，还涉及计算机设备制造、通信设备制造、各类计算软件以及绿色能源供给等多种不同类别的建设内容，产业链条长、覆盖门类广，需集成各专业相关的技术标准和节能要求。

数据中心按照运行环境和功能需求通常可分为主机房、辅助区、支持区以及行政管理区等，各区域对环境的要求不同，需通过暖通空调系统来调节各区温度、相对湿度、露点温度和空气洁净度。主机房、支持区（如制冷站、设备用房、电池室、配电室）、辅助区（消控室、指挥中心、管道井）等为维持设备的正常工作，须进行精确的温湿度控制，同时为了保持主机房内空气洁净度在一定范围内，主机房应维持正压。而管理区则只需要满足人的舒适性需求，因此须对不同的环境区域进行合理的暖通空调系统设计。

目前，评价数据中心能效的权威指标是电能利用效率PUE，指的是数据中心总耗电量与数据中心IT 设备耗电量的比值。PUE 越接近1，则数据中心的能效越高[3]。2021 年10 月22 日，国家发改委联合各部门发布的《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》中明确新建大型、超大型数据中心电能利用效率不超过1.3。到2025 年，数据中心电能利用效率应普遍不超过1.5[4]。为了尽可能降低PUE 值，需要对暖通空调系统能耗进行分析，并尽可能采取相关的节能措施。

3 数据中心暖通空调系统能耗影响因素分析

从数据中心项目建设的全生命周期来看，影响暖通空调系统能耗的因素主要有以下6 个方面。

第一，业主的需求及建设目标。在数据中心项目建设的决策阶段，业主的总体投资规模及PUE 目标确定了数据中心总体包含暖通系统的的能耗状况。

第二，暖通系统的设计、选型。依托业主的需求、投资规模、建设目标一及使用要求，设计单位通过计算分析，采用合理的暖通系统形式进行节能设计。不同设计方案采用的暖通系统、选取的设备导致实际的节能效果差异很大。例如，依据项目实际情况确定空调系统选用水系统或是风系统，为了避开能源使用高峰，考虑有无必要使用冰蓄冷等。

第三，不同能效等级的暖通设备。暖通设备能耗包括制冷机组、冷却塔、水泵、末端精密空调、新风机组、恒湿及除湿机以及送排风机等设备运行产生的能耗。不同能效等级的设备能耗差异较大，一般选择能效等级较低的设备。

第四，热量交换和传递过程损失的能耗。如数据中心系统隔离端口或机柜盲板不完善，导致封闭冷通道或热通道与外界空气环境之间进行热交换，造成暖通系统能耗损失等。

第五，保证市电中断应急时间内数据设备和空调系统持续运行的电池系统等能耗。

第六，数据中心在实际运行过程中对暖通系统进行高效运维管理，降低能耗。如对辅助区和支持区空调系统进行合理的开关控制，在过渡季节合理切换制冷模式等，通过高效管理实现节能。

暖通空调系统设备运行受室外气象条件、室内设计参数、围护结构特点、楼宇控制（Building Automation，BA）系统以及运行管理等因素的影响很大，因此在数据中心项目建设决策阶段应明确节能目标，并在项目实施阶段进行科学的暖通系统设计，优化冷源系统、水系统、风系统设计，充分了解数据中心暖通空调系统设备性能，选取先进的设备材料，减少BA 控制系统误差，提高运维管理水平等，有效降低暖通空调系统的能耗[5]。

4 数据中心的暖通系统节能措施探讨

4.1 明确节能目标

在数据中心项目建设决策阶段，可依据项目投资规模，参照政府有关部门发布的相关文件和政策，科学制定PUE 目标。一般PUE 越小，初投资越大，因此项目建设单位需合理评估项目的效益，避免浪费。

4.2 合理选择暖通空调系统节能设备

4.2.1 应合理选择冷源设备

数据中心冷源系统是暖通系统的心脏，冷源设备的能耗在暖通系统能耗中占比也最大，须根据项目所在地的气候条件、项目规模、投资概算以及能源利用条件等因素充分论证确定。在冷源系统选择时应尽可能加强对天然能源的有效运用，如自然冷却和风能等；推进新技术的应用，如磁悬浮离心机组相比传统冷水机组可减少机械摩擦，降低能耗和噪声，提高效率。本项目制冷机房设置在地下一层，考虑到数据中心总负荷及土建前期预留条件，当期冷源系统配置3 台1934 kW 低压变频水冷离心机组，两用一备。设置高冷冻水供回水温度为12 ℃/18 ℃，常规冷冻水供回水温差为5 ℃，采用冷冻水供回水温差为6 ℃，可减少冷冻水的流量和管网的阻力，降低制冷机组和水泵的运行能耗。

4.2.2 采用变频电机降低能耗

本项目冷水机组、冷却塔、水泵、末端精密空调、新风机以及送排风机等暖通设备均采用变频控制，依据负荷调节电机转速，降低功耗。当用户工况负载不高时，使用变频控制，调节压缩机、风机和水泵的转速，不仅节能，还能降低启动电流，减少高电流对电网和设备电机的冲击，延长设备使用寿命。

此外，本项目末端精密空调选型时，风量、制冷量、电机功率、能效比和供电电压等参考现行主流产品，满足设计要求，减少定制，送回风温度能实现精确调节控制。采用高效热管列间空调，使用高换热量且承压满足要求的板式换热器，提高换热效率；湿机的气流与精密空调气流匹配，合理优化气流组织。为保证新风需求和避免浪费，新风机组每层独立设置，便于独立调节和控制。通过合理选择暖通空调系统设备，降低PUE 值。

4.3 采用自然冷却技术

当室外温度较低或投入运行初期机柜服务器负载率较低时，由冷却塔及板式换热器提供冷源换热，通过BA 系统自动控制，冷水机组停运或部分开启，缩短冷水机组运行时间，降低能耗。在用户工况允许的条件下，采用自然冷却技术相比传统冷水机组电制冷运行节能效果明显，后期将根据数据中心实际运行情况进行深入分析[6]。

4.4 封闭冷通道

采用封闭冷/热通道，将冷、热气流完全隔离（另外要求机柜配盲板，减少冷热气流混合)，达到“先冷设备，再冷环境”的目的，并配套风量可调地板风口，保证不同功耗设备的散热需要。本项目采用如图1所示的封闭冷通道，一体化集成机柜系统、精密配电系统、制冷系统、管理系统以及综合布线系统，模块内所有柜体搭配结构密封件使模块整体看起来高度统一且美观。

图1 封闭冷通道

4.5 降低水系统比摩阻

综合考虑管径、安装空间、最小冲洗流速的前提下，尽量降低水系统比摩阻，减少整个水系统的水压降，降低水泵的扬程，进而减少水泵的运行功率。同时管道可以容纳的水容量更多，增加管道蓄冷的能力和水系统的稳定性。项目数据中心冷冻水采用一级泵变流量、双立管环形系统，双管路同时使用，检修或故障时可切断一路，另一路独立运行，保证数据中心运行安全。

4.6 余热回收

将数据中心服务器运行产生的大量余热进行收集，如果条件允许，可利用回收的余热通过热泵机组升温作为对建筑物供暖的补充，实现清洁采暖。本项目由于设计条件及初期运行规模的限制，未大面积进行余热回收，仅蓄冷罐室、制冷机房以及局部电池室等区域结合实际情况采用了水氟两用多联空调，主机设置在空调间，利用水冷空调冷冻水进行水氟两用多联空调主机换热，确保电池间不进水，保证运行安全，另外通过利用水源多联式空调和水环新风机组提高换热效率，减少外机对室外的碳排放及能源消耗。

4.7 提高送回风温度

封闭冷通道后，空调回风温度可提高至30 ～32 ℃（传统机房回风温度28 ℃)，减少空调系统运行能耗。当空调系统的送风和回风温度提高1 ℃时，空调系统节电约2.5%，空调系统的制冷能力提高约5%。

4.8 温湿度独立控制

合肥地区秋夏季节空气湿度大，其夏季除湿量非常大，提高水温后，空调末端机组除湿能力较弱。本设计单独配置恒湿器进行温湿度的独立控制，降低加湿耗电，节约能源。

4.9 环境与设备监控系统精确控制

环境与设备监控系统对机房各个系统实现全面集中监控和管理，监测并显示数据中心的PUE 值。环控系统集成的暖通系统主要包括冷源群控系统、新风控制系统、排风控制系统、机房环境以及末端设备监测等。

监测冷冻/冷却水供回水温度、压力、流量、水泵的启停状态，过载、故障报警，冷却塔启停、报警，液位信息等，实现冷源群控系统的自动开机、模式切换与智能控制。监测新风机组启停、故障、手/自动状态，机房温湿度、压差等实现新风机组的智能控制。监测氢气传感器、机房压差、送排风及状态等实现送排风系统智能控制。通过监测机房环境温湿度、末端精密空调送回风温度、风机转速、偏移量、运行状态、压缩机状态、水阀开度、过滤器和故障报警等信息，实现温湿度度自动控制和调节。

本项目通过对数据中心主机房、辅助区、支持区的温度、露点温度、压力、风速等环境参数以及暖通设备进行监测，将暖通系统主要设备纳入集散式直接数字控制系统（DDC）进行控制，并将整个BA 系统接入指挥中心和运维值班室的环境与设备监控系统，在大屏上进行展示。IT 负荷为空载时的集中监控管理系统如图2 所示。通过环控系统对运行情况进行分析，提供告警信息，交给运维人员及时处理。温、湿度传感器，压差、流量传感器等传感器在安装前应进行校准，以减少误差，并通过智能BA 系统精确控制，降低能耗。

图2 集中监控管理系统实时画面

4.10 降低热交换次数，提高热交换效率

冰蓄冷系统虽然能降低运行费用，但不节电，只是利用了电价峰谷政策，错峰进行耗能制冷。但是每多一次热交换都会产生热损失，总碳排放是增加的。因此，宜增加每次热交换的效率，降低热交换次数，控制总碳排放。

4.11 加强空调系统运维管理，减少浪费

在暖通空调系统的总能量损失中，很大一部分能耗由运维管理人员的操作问题造成，而这部分能耗损失可通过加强管理避免。为提高管理水平，运维团队应熟悉数据中心图纸、规范所有设备操作流程，严格执行机房运维值守制度，按规范和计划对设备进行例行巡检和维护保养，监测设备运行状态，处理告警信息。

条件允许情况下，运维团队应进行数据中心运行维护相关的能力认证，如Uptime Institute 颁发的M&O（运行维护）认证。暖通专业人员应具备国家安全生产监督管理部门颁发的制冷与空调设备运行操作作业证或安装修理作业证，暖通团队可进行注册公用设备工程师专业培训等，全方位提高运维人员的管理水平。

5 结语

数据中心暖通系统的运行应与IT 负载有效匹配，既要保证IT 系统能够正常持续稳定运行，又要确定不会产生过多的制冷冗余，提高暖通系统的节能效率。数据中心暖通空调系统在建设和运行过程中有很多节能降耗的潜力，通过科学手段进行深入分析，合理优化设计，加强技术攻关，提高运维管理能力，采取有效措施，可有效实现节能降耗，降低数据中心PUE 值，建成高效、安全、可靠且绿色的新型数据中心，助力碳达峰、碳中和目标的实现。