数据中心暖通空调节能技术研究

◎邢志慧

前言

随着电子信息技术的飞速发展，数据中心单个机柜的功率密度越来越高，有3kW、4kW、6kW 甚至更高，超过10kW。机房局部过热因热量集中而加剧，机房单位面积空调冷负荷快速增加。根据目前国内的调查数据，IT 设备能耗约占总能耗的50%，空调能耗约占40%，电源能耗约占10%。因此，空调系统的节能是数据中心节能的关键，是降低数据中心能耗的重要途径，数据中心的节能潜力是最高的。

一、数据中心环境条件

数据中心IT 设备是处于全年不间断运行中，对运行环境（温度、湿度、空气洁净度）的要求非常严格。一般数据中心温度保持在24 摄氏度左右，湿度控制在40%-60%以内，清洁度比较高。根据GB50174-2017《数据中心设计规范》规定，粉尘浓度，A 级和B 主机房是静态的，以下测试要求每升空气中大于0.5μm 的灰尘颗粒少于 18，000 个。

二、数据中心空调的特点

与传统舒适型空调不同，数据中心空调主要具有热负荷强度高、设备散热能力大、发湿量小、显热比高、风量大、焓差小等特点。温湿度控制，常年制冷运行，可靠性高。

三、数据中心空调节能措施

1.利用自然冷源。

机房空调一年四季都需要制冷，而当室外温度变化的季节低于室内温度时，自然界的冷源非常丰富，如何利用自然冷源进行制冷是节能的关键。减少机房空调的排放。根据采用的各种技术措施，可分为新风自然冷却、乙二醇双冷源系统和氟泵空调系统。

（1）新风自然冷却。

外部空气自然冷却是通过向机房输送低温外部空气来IT设备散热，它由进（出）风管道、风扇及其控制系统组成。在冬春秋季过渡期，当室外温度较低时，启动新风系统，过滤室外冷空气，然后进入机房自动散热。新风虽然是直接流入的过滤，但不建议在大型机房使用，因为灰尘不可避免地进入，降低机房的清洁度，影响通信设备的安全。可用于对洁净度要求较高的通信枢纽建筑、一般机房、小型基站等。

（2）乙二醇双冷源。

图1 乙二醇双冷源空调系统示意图

因为乙二醇的凝固点比较低，室外温度低时不容易结冰。使用自然冷却源。当室外温度高于室内温度时，蒸汽制冷循环系统开启，自然冷源循环系统关闭。当室外温度低于室内温度时，蒸汽压缩式制冷循环系统关闭，自然冷源循环系统开启，此循环过程中的制冷剂为乙二醇，在水泵的作用下，乙二醇进入室内热交换器并带走机房的热量。乙二醇温度升高，将其传到外界环境中。在两个循环中，水泵的功耗都远低于压缩机的功耗，具有很大的节能潜力。内蒙古某移动公司的中央机房通过该技术的应用受益匪浅。

（3）氟泵空调（图2）。

图2 氟泵空调系统示意图

氟泵空调是一种与风冷机房空调系统配套的节能产品。传统落地式空调在冬季室外环境较低时，仍需制冷，室外自然冷源没有得到充分利用，节能效果较差。空调系统可根据这些情况进行改造升级，可在现有空调系统中加装氟泵机组，控制系统在冬季外部环境低时关闭压缩机，开启氟泵制冷泵系统损耗。制冷剂在氟泵的作用下在室内外换热器之间循环，带走机房的热量。通过对氟泵的改造，充分利用20 摄氏度以下的外部自然冷源，在保证制冷量的同时，减少压缩机的运行时间，最大可节能40%。一次氟泵制冷循环的耗电量仅为0.75-1.5kW，远低于同等制冷量的压缩机的耗电量，是节能的主要来源。

2.优化气流组织。

数据中心内气流组织的形状是影响空调系统节能的重要因素，空调过程中阻力越低，冷热空气隔离越好，越小损失。制冷、空调主机运行效果越高，能效比越好。然而，往往空调设计不合理或没有进行CFD 软件模拟测试，导致冷气流利用率低，造成空调系统能耗浪费。

（1）安装盲板。

数据中心有几个机柜，但是由于设备数量少，机柜分布不均，大部分冷空气没有经过设备直接进入机房，造成空气短缺。空调的制冷效率因为空调供应不畅而大大降低。如何在机柜内安装挡板和在数据中心安装盲板来阻挡热空气短路循环的路径，简单可行。可减少冷风短路，提高空调制冷效率（图3）。

图3 安装盲板前后气流示意图

（2）合理布置。

在机柜布局方面，常规机房通常与正面同向布置，缺点是前排机柜产生的热空气被后排机柜吸收，热气流和冷风混入严重，降低了制冷效果不好。当机柜以“面对面、背靠背”的方式布置时（图4），可以形成冷热通道交替，防止冷冷气流短路，提高利用率。的冷空气。

图4 机房“面对面，背对背”排列示意图

（3）封闭冷通道（图5）。

图5 封闭冷通道示意图

橱柜以“面对面”的方式排列。冷通道机柜顶部与整排机柜两端封闭，实现冷通道密封，降耗减排。使冷空气直接流入数据设备，使数据设备完全冷却，并使从数据设备带走热量的热气流返回机房空气。轻轻调理。冷通道密封件限制来自机房空调的冷气流。冷气流通过直接冷却设备解决了这个问题，消除了以前“先冷却环境，后冷却设备”导致空气混合严重的缺点。机房局部过热问题，提高空调效率，降低机房能耗。

3.采用新型空调末端。

传统的数据中心将精密空调主机放置在机房的两端，通过地板下送风或风罩送风对整个机房进行散热，然后对机柜进行散热。空调趋于局部化，同时冷空气长距离输送到热点，不得不依靠大功率离心风机进行输送，大功率风机的功耗最终转化为热量，其中一些热量必须由冷却系统承担。采用新型热管背板、排对排热管、吸顶热管等空调终端，可实现按需制冷，消除局部热点，防止进水。消除机房，消除机房安全隐患。

热管背板空调由热管背板冷却终端、冷量分配单元（CDU）和冷源设备组成（图6）。系统运行时，服务器排出的热空气间接与安装在机柜后部的制冷终端中的工作流体进行热交换，变成冷空气排放到室内环境中。在冷却终端内循环的工作流体通过相变传递热量，热量由液态变为气态，热量通过气体管道输送到CDU。与CDU 内的冷水进行热交换，循环工质提供的循环工质和室外系统的冷源设备由气态冷却为液态，然后依靠自身重力回流至冷源设备。冷却终端沿制冷剂液体管道完成完整的热循环。以这种顺序向室外连续进行热传递。

图6 热管背板运行原理示意图

热管背板靠近热源安装，换热效率非常高，系统依靠重力循环，无功耗，采用平行流换热器，比传统铜管效率提高30%以上管铝翅片。

4.采用变频设备。

数据中心的能耗因室外环境温度和室内IT 负载而异。冷水机组大多在部分负载下运行。变频冷水机可以提高部分负荷的能效和整体能效。降低冷却水温度下运行显着改善，同时冷却水泵、冷却水泵和末端空调EC 风机每年可节约20%左右的能耗水冷系统均采用变频设备，可根据需要自动调节实时到IT 负载，而且还可以大量保存。

5.智能化群控管理。

数据中心的空调设备一般设计为安全的N+X 模式运行，由于机房IT 设备负载设备的功耗每时每刻都在变化，机房内的热量不受控制，所有风扇都在最大运行速度。空调的压缩机是根据自己的需要来控制的，这种方法不节能。当冗余设备关闭时，很难了解机房内的气流组织和温度变化规律，如果不及时进行人工控制，很容易造成安全问题。因此，数据中心的智能群控管理对机房节能起到了重要的作用。

数据中心智能管理系统基于良好的控制系统的应用，不仅为机房的运行带来显着的节能效果，而且有助于机房的安全运行。可以大大延长系统的使用寿命，成为绿色机房的重要举措。智能群控管理的思路是在保证机房设备正常运行的前提下，减少双空调设备的运行时间，降低整个机房的能耗。循环功能可以实现空调系统的级联功能，避免竞争运行功能，延时自动启动功能。通过应用该系统，可以在保证设备安全可靠运行的同时，实现数据中心的精准节能。

结语：

本文从上述角度对数据中心空调系统的节能问题进行研究分析，根据数据中心空调系统的区域情况分析出最合适的节能方案。可维护、可靠和可靠在安全前提下最大化数据中心技术。最大限度地利用自然冷源，利用CFD 模拟气流实现精准送风，采用芯片级散热，将是未来数据中心空调的发展方向。