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中建一局集团安装工程有限公司
随着数据中心的建设发展，冷却能耗在数据中心的总能耗中占有很大比例，如何降低数据中心冷却耗能成了如今数据中心节能的主要课题。自然冷却是目前国内外公认的数据中心节能重要措施之一，合理地利用自然冷却技术可以明显减少数据中心的全年能耗。近十几年来，各种自然冷却技术应运而生，极大地推进了自然冷却技术在数据中心的应用和发展，但无论是相关产品的开发还是推广应用，在国内仍然处于起步阶段，节能效果与预期的结果相差甚远，更关键的是商业炒作不断地误导着设计师和用户，因此数据中心的自然冷却技术值得深入研究和思考。
自然冷却技术可分为空气侧冷却和水侧冷却，空气侧冷却又分为直接空气冷却和间接空气冷却，本项研究内容重点对直接空气冷却技术中的新风自然冷却技术进行了探讨。
1自然冷源利用技术原理
考虑张北及内蒙古地区全年平均温度约在3.2℃，宜采用直接自然冷源利用技术及复合自然冷源技术原理是当室外空气温度低于室内温度通过相应的手段将室外冷源引入机房内，把机房内的热量带走，达到降低机房温度的目的。阿里巴巴云计算数据中心张北庙滩数据中心及阿里巴巴内蒙古云计算数据中采用全新风自然冷却、混风自然冷却和全回风机械制冷模式切换的控制技术进行自然冷源资源利用。
通过应用机房内采用侧送风并封闭热通道的气流组织管理方式，机柜采用面对面/背对背布置方式，机柜中设备为前进风后出风冷却，在机柜正面区域形成冷通道，机柜背面形成热通道，吊顶与冷通道构成封闭空间，形成组织气流，热量通过热通道进入吊顶内，在吊顶上安装回风口，可以有效的减少热空气的回流，使数据中心上下温度趋于稳定状态，并引入新风系统进入机房内进行降温。
热通道封闭结合高空间转换层的方案是利用自然通风原理，如图1.1所示，形成上热下冷的气流循环通道，增加换气天窗进行通风换气，利用气流烟囱效应，提高空气流动效果，使机房空调系统可实现部分时间的低负荷运行。
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图1.1 高空间转换层封闭热通道气流组织示意图
2技术要点
2.1电动风量控制阀（加装过滤网）要求及安装
电动风阀作为自然冷源使用的关键部件，保障其控制性能与AHU进行联动，为数据机房节能运行提供了可靠的保障。因机房要求新风及排风量大，百叶风口的尺寸比较巨大，每个风口需安装8个进排风电动风量控制阀（加装过滤网）需现场拼装安装，加装的过滤网其中内含三层：除尘网、活性炭网、加强网。过滤网满足过滤大于等于0.5μm以上的灰尘。方可满足数据机房内的洁净度要求，严格的控制洁净度要求能够减少机器的故障率，减少腐蚀的产生，保证机器的使用寿命。电动风阀及部件结构如图2.1所示。
安装进排风电动风量控制阀（加装过滤网）需符合以下条件：
①开启角与指示位置是否相吻合。
②旋转手柄或启动风阀、检查阀片是否碰擦阀体。
③安装前密封件及过滤器是否牢固、紧密及框架有无破损。
④安装进排风电动风量控制阀（加装过滤网）安装方向正确，安装后的手动、电动操作装置灵活、可靠。
⑤风阀与墙体固定应可靠、牢固。
屋顶天窗安装注意事项如下：
①天窗的通风控制采用保温型电动调节风阀，安装位置位于天窗口，在就位安装之前应逐个检测其结构是否牢固、严密，进行开关操作试验，检测是否灵活可靠；对电动风阀要逐个通电试验并检测，做好试验记录。
②保温型电动调节风阀的执行线路与AHU控制箱相连，根据其接受到的信号，可进行开闭状态和开启程度的控制。
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图2.1 电动风量调节阀
2.2AHU空调机组安装及要求
为满足数据机房内洁净度要求及冷量要求采用风量大的AHU空调机组，经AHU空调机组进行第二次过滤后加压送进入数据机房内，AHU空调机组主要分为六段，混合段、初中效过滤段、湿膜加湿段、表冷段、EC风机段及送风段。
AHU空调机组初中效过滤段安装板式过滤器及F7袋式过滤器过滤，板式过滤器过滤效率：大气尘计数效率：80%(≥5μm)G4初阻力≤50Pa，终阻力≤100Pa；F7袋式过滤器过滤效率：大气尘计数效率：90%(≥1μm)初阻力≤80Pa，终阻力≤160Pa。
AHU空调机组安装前需准备好安装所用的材料、分段编号及必需的工具，空调机组安装的基础必须经过验收达到相应的强度、大小、高度及平整度的要求。
机组安装时注意不要将段位拉错按照分段编号进行安装，并分清左右室，从设备上的一段开始逐一将段体运至基础校正位置后加上衬垫后螺栓连接严密紧固。机组安装高度应满足冷凝水水封安装高度要求，引至地漏处。
2.3新风自然冷却环境控制技术
因数据中心对环境要求高，需远离腐蚀气体、易燃易爆物，腐蚀气体随着新风吸入机房后会对计算机设备造成危害，同时不洁净的空气也会对计算机设备的运行造成不利影晌，还会对机房内精密空调、新风机等的滤网等造成污染。为保证送风状态达到机房服务器设备所要求的洁净度和湿度要求，在引入前时时监控室外空气质量及空气温湿度是否达标，在室外安装SO2监测，空气颗粒物监测,室外干球温度,露点温度，相对湿度监测以及引入前对室外新风进行吸附过滤、除尘和去腐蚀性气体的操作，根据湿空气焓湿图选取相最佳新风引入数据值的范围设定控制箱数值进行模式切换，室外探测器其执行线路与空调机组控制箱相连，根据其接受到的信号，进行模式切换。室内外墙及屋面排风间内安装电动风量调节阀加装过滤网为环境控制技术的重点，其执行线路与AHU空调控制箱相连，根据其接受到的信号，进行开闭状态和开启程度的选择。AHU空调控制箱根据图2.2焓湿图参数进行相关系统控制。
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图2.2 湿空气焓湿图
数据中心机房引入新风系统可共分为三种模式，全回风模式、混风模式以及全新风模式。
（1）全回风模式
进入此模式（可调）内，AHU机组冷冻水调节阀开至最大，风阀维持在原工作状态，（可调）后AHU单元控制器在10min内逐步将送风阀全关，回风阀全开，排风阀全关。此时通过控制冷冻水管路上的电动调节水阀的开度使冷通道送风温度维持在 (可调)。
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图2.4 混风运行模式（机械制冷+自然冷却）
温度控制：当系统进入混风模式时,由空调机组入口处的温度控制风阀的开启度, 由冷通道的温度控制水阀的开度,当机组入口处的温度达到24℃±3(可调)，空调机组单元控制器通知空调机组群控控制器，要求冷水系统退出，并关闭电动调节水阀，风阀的开度控制由空调机组入口温度移至冷通道温度。
湿度控制：当冷通道送风露点温度低于5.5℃时，开启加湿系统电磁阀加湿（加湿器系统自行完成）。
压力控制：通过控制排风阀的开度,控制房间室内外压差为5～10Pa。新风的风量应通过调节新风阀的个数与风阀开度相结合的方式。
（3）全新风模式（送风阀全开，回风阀全关）
室外温度在26℃～38℃,室外露点温度低于15.5℃(可调范围15.5～19℃)时,空调机组管理控制器发出信号给冷机群控器,启动冷冻水系统,冷机群控器通过此时运行的IT负荷自动计算需开启的冷机数量以及冷冻水运行模式。当冷冻水系统水温达到设定要求,冷机群控器通知空调机组管理控制器，冷机准备就绪,空调机组管理控制器下达指令给空调机机组单元控制器,空调机组进入全新风控制模式。
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图2.5 全新风运行模式（自然冷却）
温度控制：通过控制冷冻水管路上的电动调节水阀的开度使冷通道送风温度维持在(可调)。
湿度控制：当冷通道送风露点温度低于时，开启加湿系统电磁阀加湿（加湿器系统自行完成）。
压力控制：通过控制排风阀的开度,控制房间室内外压差为。
3小结
数据中心是能耗大户，其中数据中心的空调能耗占较大，数据中心机房需要全年制冷，在传统制冷方式下，即便室外温度低于数据中心内部温度时，仍然需要空调提供冷量，如果采用室外自然界的低温冷源冷却机房，可以节约大量的空调制冷能耗。自然冷源利用技术的研究与应用起到了降低数据中心平均PUE（IT/总耗电（电气损耗+IT+制冷）水平的作用，本研究在张北阿里巴巴项目、乌兰察布集宁阿里巴巴项目和开发区项目上取得了成功经验，获得业主单位的好评。该技术的成功应用也为即将迎来的新基建建设模式的变革-大型绿色高效的数据中心建设施工提供了非常先进的绿色、环保、节能设计理念与丰富的实践参考经验。