数据中心空调系统设计及节能技术措施

黄志喜（上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032）

从 “新基建”概念被提出至今互联网数据中心(Internet Data Center，IDC)产业已进入快速发展阶段，然而 IDC 的快速发展伴随着高能耗，给社会的发展带来了新的挑战，甚至可以说高能耗已成为制约 IDC 行业发展的关键性因素之一。如何降低数据中心能耗，提高其能效，建设低碳、环保、绿色、高效的数据中心已成为专家学者们热衷探讨的话题。本文从数据中心空调系统设计出发，介绍了数据中心的分类、数据机房对环境的要求、机房冷负荷的计算方法，分析了空调送风的气流组织和数据中心的评价指标，并对空调系统节能技术措施进行了探讨，为行业的发展提供一些参考。

1 数据中心分类

数据中心一般包括主机房、辅助我、支持我和行政管理我等，按照不同的方法又可以将其划分为不同的类型[1]。

1.1 按数据的重要性划分

根据使用性和数据的重要性程度，可将数据中心分为A、B、C 三级。A 级是指当电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失或造成公共场所秩序严重混乱的情况发生；B级是指当电子信息系统运行中断将造成较大的经济损失或造成公共场所秩序混乱的情况发生；C 级是指除了 A 级和 B 级两种情况外对应的数据中心[2]。

1.2 按规模划分

根据机柜的数量可将数据中心划分为微型、小型、中型、大型和超大型等，其规模划分如表 1 所示。

表1 数据中心规模分类

1.3 按冷却方式划分

按机柜不同的冷却方式可将数据中心划分为风冷式和液冷式两种[3]。风冷式是目前技术最成熟和使用最广泛的一种方式，但缺点是单柜功率受限，一般只能使用在单柜功率 6 KW 及以下的数据中心。随着人工智能、大数据、云计算、我块链等新技术的快速发展，其对计算机的运算和分析能力要求不断提高，同时受限于机房面积和节能要求，传统的风冷技术已不能满足需求，基于此一种新型的冷却技术-液冷技术应运而生。液冷技术是指采用液体作为冷媒取代传统的冷风将服务器产生的热量带走[4]。液冷分为有相变液冷和无相变液冷，液冷技术冷却效率更高，使单柜功率能做到更大，节约机房面积的同时提高了服务器的使用效率和稳定性，同时液冷相比于传统的风冷更加节能，运行噪声更低，液冷技术使数据中心的选址不受海拔和地域的限制，液冷产生的余热还可回收利用，节能和经济效益显著。

1.4 按制冷方式划分

按不同的制冷方式可以将数据中心划分为直膨式风冷型、直膨式水冷型、冷冻水型和双冷源型，直膨式风冷型是指数据机房精密空调自带制冷压缩机，其冷凝器采用风冷式；直膨式水冷型是指机房精密空调自带制冷压缩机，内加一个板式换热器，其冷凝器采用水冷式（冷却塔）；冷冻水型是指机房精密空调不带制冷压缩机，精密空调内安装有冷冻水盘管，通过冷冻水把机房内热量带走；双冷源型是指机房精密空调既自带制冷压缩机又安装有冷冻水盘管，二者结合，当一种冷源出现故障时投入另一种冷源进行制冷，可靠性更高。

2 机房对环境的要求

2.1 对温、湿度的要求

主机房和辅助我内的温、湿度、露点温度和相对湿度应能满足电子信息设备的使用要求，一般冷通道或机柜的进风温度设为 18～27℃，露点温度宜为 5.5～15 ℃，相对湿度不宜大于60%，辅助我的温度和相对湿度一般设为18～28℃ 和 35%～75%。表 2、表 3 为机房在开机和停机时的温湿度要求[1]。

表2 开机时机房温、湿度要求

2.2 对洁净度的要求

为了避免电子信息设备内部发生短路等故障，保障电子信息设备安全运行，数据机房对空气中的悬浮粒子浓度有严格的要求，除了要求微正压运行之外，还要求机房内每立方米空气中粒径 ≥0.5 μm 的悬浮粒子数 ≤18×106 个，相当于洁净度等级要求为 8.7 级左右。数据中心装修后其室内空气质量还应满足 GB 50174—2017《室内空气质量标准》的有关要求[1]。

为了防止外部灰尘进入主机房，主机房要求微正压运行，一般要求主机房与其他房间、走廊的压差≥5 Pa，与室外静压差 ≥10 Pa。设有空调新风系统的，其新风量还应按工作人员每人 40 m3/h 新风量和维持室内正压所需新风量中的较大值来取。

3 负荷计算

3.1 冷负荷的构成

数据中心夏季冷负荷主要包括显热负荷、潜热负荷（即湿负荷）和附加冷负荷，其中以显热负荷为主。

显热负荷主要包括：①电子及其他设备的散热量；②通过围护结构传入而形成负荷的热量；③通过透明外围护结构进入的太阳辐射热量；④人体散热；⑤照明设备散热；⑥新风负荷。湿负荷主要包括：①人体散湿；②新风湿负荷；③空气渗漏带入的湿负荷；④围护结构散湿；⑤伴随各种散湿过程产生的湿负荷。附加冷负荷主要包括以下两方面：①空气通过风机和管道温升引起的附加冷负荷；②冷水通过水泵、管道、水箱温升引起的附加冷负荷。计算时温升可按0.5～1 ℃ 取值。

3.2 冷负荷的估算

当项目处在方案或初步设计阶段时，由于缺乏具体的数据，空调冷负荷还无法精确计算，这时可根据经验采用面积指标估算法进行估算，便于对整个项目前期的投资估算。常采用的一些冷负荷面积指标如表 4 所示。

表4 冷负荷面积估算指标

4 气流组织

当机柜采用风冷式时，其气流组织常采用的形式有：①下送风上回风（或侧回风）；②上送风上回风（或侧回风）；③侧送风上回风（或侧回风）。一般当单台机柜发热量大于 4 kW 时，其气流组织宜采用下送风上回风、机柜行间前送风后回风等方式，而且宜采用冷热通道隔离措施，如冷通道封闭或热通道封闭。从节能的角度来看，采用冷热通道封闭的形式有利于提高空调和机房的利用率，使单台机柜的功率能做到更大，而采用机柜行间前送风后回风的气流组织方式可以降低风阻，从而可以降低风机的压头，提高风机的能效和减少初投资。目前用得较多的气流组织是下送风上回风，采用这种气流组织的优点是在防静电地板下面形成一个巨大的静压箱，使送风均匀，机房内的温湿度控制较好，缺点是机房要求铺设至少 500 mm 高的架空防静电地板，且楼板需要做一层保温隔热层，不过这种气流组织容易实现机房各专业的下走线，布置起来方便美观，适用于层高较高的机房。

5 评价指标

对于数据中心，目前常采用的一些评价指标主要有：①电能利用效率（PUE）；②局部电能利用效率（pPUE）；③制冷/供电负载系数（CLF/PLF）；④可再生能源利用率（RER）。

5.1 电能利用效率（PUE）

电能利用效率（PUE）是指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的比值，用来表征数据中心电能利用系数的参数。其计算公式为：PUE=数据中心总的耗电量/IT 设备总的耗电量。PUE的取值范围理论上是[1,＋∞），其值越接近1就说明数据中心总的耗电量中用在 IT 设备上“有意义”的用电量越多，说明其电能利用效率越高。PUE 定义简单、易于操作，只要分别测量或计算出数据中心总的耗电量和 IT 设备总的耗电量，就能计算出数据中心的 PUE，该评价指标也是目前业内普遍接受和采用的。

5.2 局部电能利用效率（pPUE）

局部电能利用效率（pPUE）是数据中心PUE概念的衍生，用于对数据中心局部我域或设备的能效进行评估和分析，主要适用于基于集装箱、模块化数据中心或数据中心机房群的局部能效评价。其计算公式为：pPUE=数据中心某个分我总的耗电量/某个分我 IT 设备总的耗电量。在利用pPUE 对数据中心能效进行评价时，首先应对数据中心进行分我，然后分别计算每个我域的 pPUE 值。pPUE 值反映的是数据中心局部的电能利用效率，其值可能大于或小于正体的 PUE 值，所以要想提高整个数据中心的 PUE 值一般先从提升 pPUE 值较大的分我的能效开始。

5.3 制冷/供电负载系数（CLF/PLF）

制冷负载系数（CLF）是指数据中心制冷设备耗电量与IT 设备耗电量的比值，即 CLF=制冷设备耗电量/IT 设备耗电量；供电负载系数（PLF）是指数据中心供配电系统耗电量与 IT 设备耗电量的比值，即 PLF=供配电系统耗电量/IT 设备耗电量。这两个指标是 PUE 的补充和深化，通过计算这两个指标，可以进一步了解和分析制冷系统和供配电系统的能源效率。

5.4 可再生能源利用率（RER）

可再生能源利用率（RER）是指数据中心总的耗电量中可再生能源供电量的占比，即 RER=可再生能源供电量/数据中心总耗电量。我国电能形式多样，这使得数据中心的电源有多种选择，可再生能源的利用使数据中心更符合低碳、环保、绿色的发展理念，因此用可再生能源利用率（RER）来评价数据中心的显得很有必要，将使数据中心行业不断朝着可持续的方向发展，有助于国家“双碳”目标的早日实现。

6 节能技术措施

目前数据中心常采用的节能技术措施主要有：①冷（热）通道封闭技术；②自然冷却技术；③蒸发冷却技术。

机柜的气流组织采用冷（热）通道封闭技术，可以防止气流短路，使冷风对设备的冷却更有针对性和高效，使单机柜的功率做得更大，从而减少机房面积和提高空调系统利用率，同时采用冷（热）通道封闭技术还可以减少气流阻力，从而减少风机压头，提高风机的能效和减少初投资，具有一定的节能效果。自然冷却技术是指利用天然冷源，把数据中心建在常年气候较干燥和较低的地方，尤其是湿球温度＜ 18℃ 的时间在一年中占比较大的地方，这样可以增加采用风冷或水冷技术给机柜冷却的时间，减少电制冷运行的时间，从而降低能耗，同时电制冷设备在这些地方的运行效率也会更高，因此自然冷却技术具有很可观的节能效果。蒸发冷却技术包括直接蒸发冷却和间接蒸发冷却，直接蒸发冷却是空气与水直接接触，通过水自身的蒸发吸热带走自身热量的一种冷却技术，是等焓过程，如开式冷却塔；间接蒸发冷却是通过水蒸发产生的冷量去冷却空气，水和空气不直接接触，如目前各厂家都在推的一些间接蒸发冷却机组[6]。如果说自然冷却技术的应用受地域的影响而局限性较大，那么蒸发冷却技术的应用地域范围相对来说就较广，因为从理论来讲直接蒸发冷却技术的极限冷却温度是可以达到空气湿球温度的，间接蒸发冷却的极限冷却温度是可以达到空气露点温度和湿球温度之间的，它们所能提供的冷却介质温度都较低，机柜的送风温度一般在 18℃～27℃ 之间，所以蒸发冷却产生的这些冷却介质可以直接被机房所利用[7]。一般来说，夏季空调室外计算湿球温度较低且水资源允许的地方宜采用直接蒸发冷却，露点温度较低的地方宜采用间接蒸发冷却[8]。有研究表明，间接蒸发冷却技术相比传统的电制冷技术一般可以节约 45% 的能耗，因此间接蒸发冷却技术节能潜力巨大[9]。

7 结 语

数据中心能耗大，目前该行业还存在很大的节能潜力，相信随着技术的不断发展，数据中心的节能潜力一定会得到深挖，同时我们在今后的工程设计中也应因地制宜，根据项目的不同特点采用合适的制冷方式和节能技术措施，共同推进数据中心行业朝着节能、高效、绿色、环保、低碳的可持续方向发展。