摘要：本研究课题是通过暖通系统的优化，达到数据中心节能的目的。数据中心的能耗问题涉及多个方面，其中暖通系统在数据中心的耗电占比通常高达30%-40%。本文主要研究暖通系统如何兼顾安全和效能，以最小的代价（耗电）实现恒温恒湿环境，助力打造绿色节能数据中心成为当前业界研究的热点问题。本次研究打破制冷系统、末端空调、IT机房、循环水系统优化等多个不同运维专业间壁垒，创新研究数据中心制冷系统、末端空调、末端机房气流组织的节能增效方法。
关键字：数据中心；暖通系统；节能增效
0.引言
大数据、云计算的出现推动了大规模数据中心的快速发展。数据中心能耗问题一直备受关注。另外由于大数据发展的需要，数据中心的需求日益增长，为确保IT设备达到最佳工作状态，数据中心需要提供一个恒温恒湿的环境。然而，数据中心要保持恒温恒湿的环境，就需要耗费大量的电能。如何兼顾安全和效能，以最小的代价给数据中心带来恒温恒湿环境，助力打造绿色节能数据中心成为当前业界研究的热点问题，也是我们的攻坚方向。数据中心的能耗问题涉及多个方面，其中暖通制冷系统是影响机房能耗的关键指标，好的暖通制冷方案，可以极大降低运行能耗。本次研究着重探究暖通制冷系统端到端节能增效方法。
1.存在问题与分析方向
1.1 问题分析
在项目实施准备阶段，对数据中心能耗进行分析，主要存在的问题和可调研项如下：
（1）当数据中心IT负荷较低且室外环境温度不高时，暖通系统冷量利用不充分，设备的运行效率较低，需要优化调整制冷水机组工况。
（2）经过对暖通水冷系统的测试发现：
1）冷冻侧水流量大、温差小，冷冻泵的输配系数低于门限值。
2）冷却塔的压降偏大，需要调整冷却泵的功率，提高能源利用效率。
3）部分冷却塔风机未开启，导致冷机能耗增加。
（3）数据中心暖通系统能耗占数据中心总能耗的50%，末端空调能耗与总能耗的占比高达10.85%，合理调整末端空调运行工况，可以大大减少空调耗能。
（4）数据中心空调水系统中冷冻水和冷却水是负责实现机房、冷机、冷媒与外界环境的热交换，而且冷却水一般多为开式循环体系。在日常运行过程中都会出现水垢、藻类、粘泥、铁锈等物质。这些物质不断沉积在冷凝器、蒸发器、风机盘管和管路内，造成系统脏堵，大大降低空调设备的换热效率，严重影响制冷效果。同时污垢和锈瘤的存在还会加速腐蚀，造成机组生命周期缩短。
1.2 主要分析方向
主要开展工作有：
1、制冷系统运行工况优化调整
数据中心在运行初期，IT设备上架率低，造成制冷资源浪费。针对该情况，开展制冷机组运行工况优化调整工作。
（1）在IT设备的上架率较低的情况下，机房产生的热负荷有限、冷量需求较少。开启一台冷机带两栋楼的模式。
（2）提高自然冷源制冷占比：通过对室外温度的记录观察，在满足自然冷却工况条件后，及时将冷机制冷模式切换至板换自然冷却模式。
2、冷水循环系统优化调整
（1）冷冻水循环优化：以机房末端制冷需求为依据，减小空调末端循环水系统的压力损失，提高冷冻水供回温差。降低循环水泵工作频率，减小水泵扬程和流量，降低冷冻泵功耗。
（2）冷却水循环优化：关闭冷却水旁通阀，优化冷却塔风机开启度，降低冷凝器供回水温度，提高冷机能效。降低循环水泵工作频率，减小水泵扬程和流量，降低冷却泵功耗。
3、末端空调优化调整
（1）低负载工况下，根据不同机房负载情况关停冗余空调设备，动态地精确启停末端空调。
（2）根据机房整体环境温差变化精确调整背板空调控制逻辑。
4、数据中心水质优化
数据中心水质优化即通过采取一系列优化措施，有效的解决冷却水系统和冷机结垢、藻菌类增长，冷冻水系统黑水及锈渣，精密空调、风机盘管因锈渣而堵塞的问题，从而降低水中杂质、微生物含量，减少水垢产生，降低能耗，提升系统稳定性。
2.暖通系统端到端节能优化调整
本项目涵盖了制冷系统运行工况调整、冷水循环系统调整、末端空调调整、优化以及水系统水质优化五大部分。
2.1运行工况优化调整
2.1.1低负荷运行工况优化
经过对现有系统的分析发现单台制冷机组的制冷量足以满足现状两栋楼的IT负荷。因此，创新应用单栋楼单台冷机通过母联隧道为A/B两栋机房楼提供制冷，大幅度减少冷量浪费。
2.1.2提高自然冷源制冷占比
水冷机组采用冷机+板换模式，当室外温度足够低时可以启用板换替代冷机，节省冷机做功耗电。因此着手对室外环境温度、冷却水温度进行了长期的不间断记录，以便及时切换板换自然冷却状态，减少不必要的耗能。
2.2冷水循环系统优化调整
2.2.1调整冷冻泵扬程
冷冻水的供回水温差只有2.79℃，相较于设计值温差5℃来说，目前的冷冻侧水流量大、温差小，因此依据空调末端压降情况对冷冻泵的频率进行降频调整，减小水泵流量，减小冷冻泵功耗。试验将 1号冷冻泵的频率由46Hz调整到42Hz。实验结果，满足系统需求，节省了电能。
2.2.2调整冷却泵扬程
通过对冷却塔、冷却水管路压力损失测试，发现冷却塔处存在11.4 m的压降。而冷却塔喷嘴处的水正常喷淋时，压力损失仅在2-5米的范围内，因此冷却塔处存在不合理的压降，需下调冷却泵的工作频率进行优化，减少冷却泵功耗。
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图1 冷却水系统水压图
2.2.3清洗冷却塔填料
通过对冷却塔填料进风量的测量发现1#、5#填料有3个进风面，风量应当大于2#、3#（均为2个进风面），然而5#填料的进风量却与2#、3#相差较小，研究说明5#填料的堵塞情况较为严重。需要对填料进行冲洗，减少因阻力过大产生的能耗损失。
2.3末端空调优化调整
通过对背板空调进出风量、温度的测试发现：背板空调风机风扇转速并没有体现变频变速的设计理念，且存在环境温度分布不均，机房气流组织混乱、机柜排热不畅等问题。为此对背板空调主板系统进行升级，优化风机风扇的控制逻辑。
2.4数据中心水质优化
“水”在空调系统中起着非常重要的作用。水中微生物、杂质较多，水质较硬，易产生水垢。空调水系统的问题主要包括结垢、腐蚀、沉积和微生物等。
2.4.1冷却水系统优化
（1）开式逆流冷却塔是外界物质进入水系统的主要途径，结合维护经验，实施塔盘清扫+填料冲洗+加装过滤网挡板的优化方案。
（2）日常维护是水质优化的关键，形成循环管路水质监测+定期排污+日常加药的优化模式。
2.4.2冷冻水系统优化
冷冻水系统是处在封闭系统中循环，不蒸发，不浓缩，其主要清洗目标为油泥垢、锈垢。整个水系统高效优化采用全量换水+高效预膜+软化水置换的优化方案。
3 结束语
通过对以上的分析和调整，使我们对暖通系统中存在的问题有了深刻认识，并在整改调整后节省了大量电能损耗，创造了经济价值。同时也保证了系统的安全稳定运行，并为后期数据中心暖通运维提供了宝贵经验。
参考文献：
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