某金融机构数据中心空调系统节能设计

0 引言

2021年12月，中国人民银行编制印发了《金融科技发展规划（2022-2025年）》，将建设绿色高可用性数据中心作为重要任务之一。提出新建大型、超大型数据中心电能利用效率不超过1.3的目标。

随着金融业务的迅速发展，行业监管要求的日趋严格，金融行业数据中心的建设规模也越来越大。金融行业的数据中心在规划设计时大多只注重安全性、可靠性，而没有综合考虑数据中心节能、降耗对运营成本的影响，对数据中心的能耗、环保及效率重视远远不够

。王安光等人对上海地区20个大型数据中心进行调研、测试，发现金融行业数据中心的PUE值明显高于其他行业

。可见，金融行业数据中心在节能、降耗方面有待提升。

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本文以某金融机构在无锡新建的开发测试云数据中心设计为例，介绍在上海及周边地区，通过挖掘传统冷冻水系统的节能潜力，实现设计PUE不超过1.30的目标。

1 项目概况

本项目建设地点位于江苏省无锡市，是某金融机构新建的开发测试云数据中心。数据机房楼建筑面积13 730.19 m

，建筑高度28.10 m，地上5层，1层架空、2层为冷冻机房和变电所、3至5层为模块机房、UPS室及电池室（如图1所示）。

数据机房按高安全性、高可靠性的原则设计，满足国标GB 50174-2017《数据中心设计规范》A级机房标准。共规划1 728个标准机柜，单机柜平均设计功率3.2 kW。设计PUE值控制目标不超过1.30。

2 空调系统设计

采用传统冷冻水空调系统的数据中心，在上海及周边地区要到达设计PUE值不超过1.30，几乎是无法实现的目标

。因此，设计时需要对传统冷冻水空调系统的节能潜力进一步挖掘。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》典型气象年逐时气象参数资料，参考上海地区数据统计，完全自然冷却运行时间3 227 h，占全年运行时间的37%；部分自然冷却运行时间1 817 h，占全年运行时间的21%；完全机械制冷运行时间3 716 h，占全年运行时间的42%。

3 空调系统节能措施

基于用户提出的不破坏建筑立面效果、保证机房出柜率、水管不进模块机房等原因，本项目未选择新型冷却节能技术，而采用了传统冷冻水空调系统。空调系统按国标A级机房标准设计，空调系统的重要管路和关键设备进行冗余备份。冷源设备按N+1冗余设计，共选用3台制冷量3 868 kW的变频离心式冷水主机，并设置对应开式冷却塔、自然冷却板式换热器和循环水泵。模块机房采用房间级冷冻水型下送风精密空调机组，机组按N+X（X≥25%）冗余设计。气流组织形式为活动地板下送风，封闭热通道隔离冷热气流。冷通道温度按22℃、热通道温度按35℃设计。冷冻水分配管路采用环状管网，满足可在线维护。设置水蓄冷装置，满足断电等紧急情况下连续制冷的需求。

3.1 提高冷冻水温度

制度是学校管理必不可少的利器，正所谓“没有规矩，不成方圆”。为此，农村学校必须要完善寄宿制的管理制度，制定详细的可执行的制度，比如《宿舍管理制度》《文明宿舍评比制度》等，这些制度能够一定程度上保证住宿生行为有章可循。

3.2 充分利用自然冷源

冷水机组和精密空调的能耗之和占了空调系统总能耗的70%左右，选用高效的空调设备可以有效降低空调系统能耗。本项目在设计中对冷水机组的能效提出了较高要求，即便在室外极端湿球工况下，冷却塔出水34℃时，机组的满负荷COP值也高达7.5。表1是在15℃出水条件下，某品牌变频离心式冷水机组部分负荷COP选型数据。可以看出，机组的部分负荷性能十分优异，部分负荷COP值最高可达18以上。精密空调机组配置高效EC风机，要求风机的单位风量的耗功率不超过0.25 W/（m

/h)。

按冷却塔逼近3.5℃、板式换热器换热温差1.5℃计算，当室外环境湿球温度t

≤10℃时，可以关闭冷水机组，实现“完全自然冷却”运行；当室外环境湿球温度10＜t

≤17℃时，冷却塔出水对冷冻水回水进行预冷，运行在“部分自然冷却”模式，降低冷水机组负荷；当室外环境湿球温度t

＞17℃时，运行在“完全机械制冷”模式。

采用SPSS 20.0统计学软件对数据进行处理，计量资料以“±s”表示，采用t检验；计数资料以百分数（%）表示，采用x2检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

3.3 气流组织优化

冷水机组、水泵、冷却塔、精密空调均采用变频控制，可以降低部分负荷运行时的能耗。变频技术可根据数据中心机房室内外不同的温度通过调节转速来改变泵和风机的性能曲线，在调整其出力的同时不影响管路系统的阻力特性，使系统能保持较高的效率运行。当流量减少一半时，变频水泵或风机可减少能耗70%～80%，极大地降低了设备能耗

。

3.4 空调设备节能

数据中心需要常年不间断供冷，利用自然冷源进行冷却是数据中心空调系统节能降耗的最有效手段。采用板式换热器与冷水机组串/并联的布置方式，冷冻水空调系统可最大程度利用自然冷源（如图2所示）。在过渡季节以及冬季室外温度较低的情况下，不开启冷冻机或降低冷冻机负荷，减少机械制冷运行时间，达到节能运行的目的。

采用冷冻水系统的金融行业数据中心，冷冻水的供水温度普遍都不超过12℃，供回水温差一般也在5℃左右，系统的运行效率偏低。在一定范围内，冷水机组的冷水出口温度每提高1℃，机组的COP约提高3%。本项目冷冻水供水温度按15℃设计，冷水机组COP比12℃供水约提高10%。冷冻水回水温度按22℃设计，供回水温差达到7℃，水系统输送能耗比5℃温差水系统降低约30%。

合理的气流组织形式和机柜排布可以有效地降低空调系统能耗。模块机房内机柜采用面对面、背对背成组布置，精密空调机组和机架的行列成垂直式排布。精密空调机组送风进入活动地板静压箱，通过可调节型地板开孔格柵出风口，送至机柜进风面的冷池内，使机房内部温度分布更为均匀，避免局部热点的产生。送风在带走机柜热量后从机柜背面排出至热通道，回至精密机组上部回风口，经精密空调机组降温后进入下一个循环。采用封闭热通道的方式隔离冷热气流，减少冷热气流间的相互影响。封闭热通道的方式可以有效地捕获服务器排风，提高精密空调的回风温度和送回风温差，提升制冷效率，有效降低空调系统能耗。有研究表明，封闭热通道比封闭冷通道的方式更节能

。

4 PUE值计算

PUE是表征数据中心电能利用效率的参数，其数值为数据中心内所有用电设备消耗的总电能与所有电子信息设备消耗的总电能之比

。

本项目PUE值按照电子信息设备全年满负荷运行进行计算。制冷及空调设备的电能消耗按照“完全机械制冷”“部分自然冷却”“完全自然冷却”三种运行模式，根据典型气象年逐时湿球温度分布，分时段分别进行计算统计。

变压器损耗按国标GB/T 22072-2018《干式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求》中的损耗计算。UPS损耗按照5%计算，线路及其它损耗按照2%计算。计算过程见表2，全年PUE计算值为1.296，达到不超过1.30的目标值。

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5 结语

本文以某金融机构数据中心设计为例，介绍了在上海及周边地区，通过挖掘传统冷冻水系统的节能潜力，能够实现设计PUE不超过1.30的目标。但设计PUE值并不能代表实际运行PUE水平，实际运行中受IT负荷水平、气象条件、系统控制和管理水平等因素影响，往往达不到设计目标。对于以关注安全性、可靠性为主的金融行业数据中心，应积极探索和应用先进节能技术，建设绿色节能高可用性的数据中心。

[1]开放数据中心委员会.金融业绿色数据中心建设规范(ODCC-02005-2017).2017.

[2]王安光,黄璜,郑竺凌.上海市数据中心能效提升技术路线研究.建筑节能,2019.

[3]孙长青,关于上海数据中心针对新政要求PUE小于1.3的节能对策.节能,2019.

[4]陆忠,李旭东.论数据中心机房空调气流组织方案对能效的影响.商品与质量,2018.

[5]陈文辉,热通道封闭在数据中心应用分析.洁净与空调技术,2020.

[6]钱晓栋,李震.数据中心空调系统节能研究,暖通空调,2012.

[7]数据中心设计规范(GB50174-2017).北京:中国计划出版社,2017.