数据中心空调节能技术的应用与研究

袁 洪

（广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

数据中心的IT 设备、空调系统、供电系统能耗分别占总能耗的50%、40%、10%，空调系统的能耗较高，为了降低整个数据中心的能耗，需要对空调系统进行优化设计，运用先进的空调节能技术，降低冷源能耗。

1 数据中心空调节能技术的应用研究

1.1 水侧自然冷却技术

在水侧自然冷却技术的支持下，对集中空调系统进行节能设计，充分利用自然冷源。该系统主要由3 个部分构成：①冷水机组；②冷却塔；③板式换热器。对室外温度进行监测，若温度较低，系统可以从外部环境中吸收一部分冷源，或者全部使用自然冷源，以此来降低冷水机组的能耗。例如，冷却水供水温度在8 ℃以下时，关闭机组，完全由冷却塔供冷；温度在8～13.5 ℃时，部分冷源为室外自然冷源；温度在13.5 ℃以上时，完全由冷水机组供冷，由于无法利用免费冷源，所以这种模式的能耗比前两种模式的能耗高。设置温度标准时，需要考虑各地区的具体情况，例如，广东地区温度较高，可以适当提高温度标准，更好地利用自然环境中的免费冷源[1]。

1.2 间接蒸发冷却技术

间接蒸发冷却技术是一种非常先进的空调节能技术，能够对室外新风进行利用，起到热湿交换的作用。运用该技术时，需要使用直接蒸发冷气填料，在高压喷头喷射的过程中，水转变为雾化水滴，外部环境的新风与换热器的水膜以及雾化水滴进行接触后，新风和回风能够交换温度和湿度，使用空气—空气换热器，在该装置的作用下，完成热湿交换过程，降低数据中心IT 设备的温度[2]。

间接蒸发冷却系统主要采用了自然冷却的冷却方法，机械制冷起到辅助作用。若室外处于低温的环境，可以对自然温度进行利用，在空气—空气换热器的运行中，利用建筑外部环境中的低温空气降低室内回风的温度。如果室外温度处于高温和低温之间，需要启动喷淋蒸发系统，先对建筑外部的空气进行降温处理，当室外空气冷却之后，再与室内回风进行温湿交换，达到冷却室内回风的目的。如果室外处于高温的状态，要采用联合运行的模式，既要启动喷淋蒸发系统，也要启动机械制冷机组，在两者的共同作用下，完成制冷工作。该技术能够进一步延长免费制冷的时间，更多地利用自然环境中的免费冷源，最大限度缩短设备的运行时间，降低制冷系统的能耗。节能效果受到环境湿度的影响，如果建筑处于高温干燥的区域，间接蒸发冷却技术能够节能80%～90%；如果湿度适中，可以节能40%左右；如果建筑处于高温潮湿的区域，该技术的节能效果为20%～25%。

1.3 液冷技术

液冷技术的制冷媒介主要为液体，不再以冷空气作为制冷媒介，低温液体能够对数据中心IT 设备的发热部件进行降温，在散热的过程中，将部分热量转移出去。根据接触方式进行划分，主要包括两种液冷方式，一种是冷板式液冷，制冷液体间接接触零部件，将液冷板安装到IT 设备的发热部位，制冷液体流动的过程中，接触发热部件，把热量带走，起到降温的作用。另一种是浸没式液冷，制冷液体直接接触零部件，将发热部件全部浸到冷却液内，达到散热的目的。运用液冷技术时，需要在数据中心构建液冷系统，系统主要由3 个部分组成：①冷源设备；②液冷终端；③冷量分配单元（cooling dispensing unit,CDU），CDU 能够提供充足的动力，确保制冷液体处于循环流动的状态，在流动的过程中带走热量。工作人员可以操控液冷系统，调节制冷液体的流量和流速，快速排出热量[3]。

1.4 变频技术

受数据中心工作时间、工作任务量的影响，数据中心服务器的能耗经常发生变化，但是能耗的变化具有一定的周期性。为了让空调系统适应数据中心的变化，可以采用变频技术。利用变频技术对空调系统进行节能设计，需要使用变频压缩机，还要增加水泵等设备，通过变频技术提高系统的制冷效率。冷水主机可以根据实际情况进行调节，提高制冷机组的运行效率，尽可能保证工况的稳定性，以免压缩机设备频繁开启和关闭。当温度与负荷发生变化时，系统会对水泵与风机进行调节，减少液体和空气的流量。若流量减少了一半，水泵或风机的能耗也会降低，可以节约20%～30%的能源，整个空调系统的能耗可以降低70%～80%。

1.5 优化气流组织

气流组织会对空调系统能耗产生较大影响，为了降低能耗，需要对气流组织进行优化设计，可以采用以下两种气流组织形式：第一种气流组织形式为地板下送风和封闭冷通道，如图1 所示，冷通道处于封闭状态，热通道敞开。在数据中心设置通风地板，冷空气进入地面和地板之间的架空层，冷空气会顺着冷通道向上流动，在流动的过程中，降低设备和室内空间的温度，通过顶部或者热通道排出热量。

图1 封闭冷通道

第二种气流组织形式为弥漫送风和封闭热通道（图2），直接把冷空气转移到冷通道中，热量逐渐转移到空调上方的回风口，对热空气进行冷却，转化成冷空气后，再流向机房内部，达到循环制冷的目的。这种组织形式延长了免费自然冷却时间，有效降低了制冷机组的能耗。

图2 封闭热通道

2 间接蒸发冷却技术在数据中心应用的实例分析

2.1 数据中心概况

对广东省某数据中心的空调系统进行改造，主要运用了间接蒸发冷却技术。在制冷系统的设计中，设置了9 台冷水机组，同时还配备了房间级空调末端，高压离心式冷水机组的制冷量为6300 kW。一期工程建设完成后，有3 台机组投入使用，机房投入使用后，第一年的平均数据中心能源使用效率（power usage effectiveness, PUE）是1.4，在改造设计中，需要保证年平均PUE 小于1.3。

2.2 改造方案

在数据中心空调制冷系统中，能耗最高的是冷水主机。要想降低能耗，需要对冷水主机进行优化设计，可以在制冷的过程中利用室外环境中的自然冷源，缩短制冷设备的运行时间，减少制冷设备的能耗。建筑楼顶平台空间较大，满足间接蒸发冷却技术的应用条件，因此在制冷系统中增加间接蒸发冷却冷水机组，机组运行原理如图3 所示，机组中最关键的设备是立管式间接蒸发冷却器。

图3 蒸发冷水机组运行原理

在改造方案的设计中，增加了10 台蒸发冷水机组，其中有1 台为备用机组，单台机组的制冷量为400 kW，将新机组连接到原本的冷却水系统中，如图4 所示。在新的制冷系统中，设置了新的供回水管，新管与旧管相互贯通，10 台机组和供回水管采用了并联的连接方式。在原本的群控系统上安装了新的控制系统，电动阀可以控制机组的状态，系统还具有监测功能，根据监测情况进行调整。改造方案对原系统架构的影响较小，不必拆除原系统的冷却塔，将其作为制冷系统的备用设施。间接蒸发冷却冷水机组采用了模块化的设计方式，因此可以提前到工厂进行预制，将各个组件运输到现场，直接拼装，大大缩短了施工工期[4]。

图4 节能改造

2.3 运行方案

完全自然冷却模式：利用室外湿球监测温度，若温度低于14 ℃，空调制冷系统会变成完全自然冷却模式，使机械制冷机组停止运行，同时还要关闭一个冷却塔，启动新设置的间接蒸发冷却冷水机组，在该设备和板式换热器的共同作用下，为空调制冷系统提供冷水，冷水的温度为13 ℃或18 ℃。在完全自然冷却模式中，机械制冷机组不再运行，节省了大量能耗。原本的湿球温度标准为8 ℃，只有温度低于8℃，蒸发冷水机组才会开始运行，能耗较高。考虑到广东省温度较高，调整温度标准，改造之后，将温度指标设置为14 ℃，只要温度低于该数值，就会启动蒸发冷水机组，延长了机组的运行时间，表现出较好的节能效果。

机械制冷模式：该模式的温度标准为18 ℃，如果室外环境中的湿球超过18 ℃，空调制冷系统就会进入机械制冷模式，改变系统的相关参数。在机械制冷模式下，蒸发冷水机组能够与冷却塔起到同样的作用，而且比原本的冷却塔更加高效。在蒸发冷水机组的运行中，能够对冷却水的温度进行控制，使其低于湿球温度，将冷却水运输到机械制冷机组中，能够吸收更多的热量，具有更好的散热效果，同时还能降低冷凝温度，使机械制冷机组更加节能[5]。

两种模式相融合的复合模式：主要应用于季节过渡的时期，若湿球温度在14～18 ℃时，空调的制冷系统就会自动转换到复合模式。在该模式的状态下，启动机械制冷机组的主机，蒸发冷水机组运行时，初步降低冷水温度，将冷水运输到蒸发器后，进一步降低冷水的温度，当冷水温度降到13 ℃以下时，开始供冷，冷水吸收热量后，水温变高，温度较高的水将会流向蒸发冷水机组，重新进行降温。在该模式的应用中，蒸发冷水机组承担了一部分降温工作，降低了整个制冷系统的能耗。

2.4 节能效果

完全自然冷却模式下，蒸发冷水机组的平均运行功率为20 kW，运行时间5638 h，全年总用电量为101.5 万kW·h；在机械制冷模式下，机械制冷主机的平均功率为440 kW，蒸发冷水机组的平均运行功率为16 kW，运行时间为1332 h，系统的全年总用电量为104.6 万kW·h；在复合模式下，机械制冷主机的平均运行功率为380 kW，蒸发冷水机组的平均运行功率为25 kW，运行时间为1790 h，全年总用电量为80.9 万 kW·h。3 种模式的总耗电量为 287 万 kW·h，改造之前的总耗电量为610 万kW·h，节省了电量323 万kW·h，节省了电费240 万元，节能效果非常明显，提高了数据中心的经济效益。

3 结语

在空调系统的节能设计中，需要对先进的节能技术进行研究和运用，对室外环境的免费冷源进行利用，通过自然免费冷源降低室内温度，降低空调系统的总能耗和运行成本，使数据中心空调系统满足节能降耗的要求，实现绿色发展、低碳发展和可持续发展的目标。