张响林
西门子楼宇科技(天津)有限公司上海分公司
摘要：随着大数据技术、互联网技术的完善，数据中心日常运行产生的能耗也在不断增加，尤其是空调系统运行带来的能耗问题，难以满足节能环保理念要求。因此，在数据中心空调系统设计和运行中，应加大节能技术融入的重视力度，从节能角度分析数据中心空调系统，做好结构、性能等的优化调整，以降低能源损耗，促进数据中心的正常运行。本文就详细对数据中心空调节能技术应用展开分析探讨，以供参考。
关键词：数据中心空调节能；优化调整；能源损耗；
数据中心内的设备在运行中存在着热量高、能源损耗大的特点，空调系统自然也不例外，且随着数据处理速度的加快，空调制冷系统的负荷量也在增加，运行中产生的电能消耗有所增多。为保障空调系统运行的安全性、可靠性，加强节能处理，优化调整系统结构及运行模式成为目前考量的重点。
1大型数据中心空调冷却系统的特点
大型数据中心主要包括计算机机房供网系统、暖通空调机房制冷系统和电力机房供电系统三大能源供应系统。由于大型数据中心的占地面积较大，空间范围较广，加之设备集中程度较高，所以对室内环境条件的要求较高。由此，空调冷却系统在投入使用过程中的能耗损耗与经济成本相对较高。数据中心全年不中断持续运行，对网络系统、制冷系统以及电力输配系统的安全稳定性也提出了一定的要求[1]。在数据中心建设阶段，要兼顾空调冷却系统的运行维护与检修保养，对空调冷却系统的整个运行流程进行全方位、动态化、精细化的监控，定期对空调冷却系统进行性能检测与维护保养，排除空调冷却系统的潜在性能故障，延长空调冷却系统的使用寿命。在此过程中，合理开发和利用智能化技术手段，实时反馈空调冷却系统的性能异常情况，提升检修效率，缩短检修周期，最大程度的减轻性能故障造成的经济损失，确保数据中心的正常运营。
由于分散式空调的室内环境调节能力较弱，且能耗指标较高，所以大多数大型数据中心以集中式水冷空调系统为主。同时设置多台大型大冷量冷水机组，这可以显著减轻整个制冷机组的工作负荷，降低电能损耗量，减少温室气体排放量。根据现行的《数据中心设计规范》可知，按照重要程度差异，可将数据中心划分为A、B、C三个等级。其中，A级数据中心对空调制冷系统的要求最高，配套冷冻装置与冷却水管多按照双供双回呈环形的规则进行布置。由此，充分保证整个数据中心空调冷却系统的持续稳定运行，满足数据中心各个功能空间对室内环境条件的基本要求。
2大型数据中心空调冷却系统的连接方式
如果数据中心采用水冷式空调机组对室内环境进行调节，必须采用如下两种空调机房制冷系统连接方式：
第一种，单台冷冻水泵、冷水机组与冷却塔等设备串联连接，再与其它串联组并联，各串联组均与空调冷冻水和上塔冷却水供/回水总管连接，形成规模庞大的、性能持久稳定的、完整的制冷系统。尽管各串联机组中的空调设备保持着相互独立性，但其中任何一个空调设备出现性能故障，都会影响整个循环机组的正常运行。而主循环机组运行故障，也会迫使备用冷水机组在自动感应传动装置的驱动作用下进行顶替运行。
第二种，设备组群方式，冷冻水泵、冷水机组以及冷却塔等同类型空调设备相互并联，形成完整的空调设备循环机组，各类空调设备由公共主干管进行相互连通。这种连接方式最显著的特点就是同组空调设备形成一对多的对应关系，当其中一台空调设备出现故障时，智能阀门会自主启动，并促使同类型备用设备快速顶替运行，最大程度的减轻对整个空调冷却系统的不利影响。总而言之，这两种空调制冷连接系统都被广泛运用于大型数据中心的空调机房中，起到了良好的调节室内环境条件的作用。
3数据中心空调节能措施
3.1自然冷源的合理运用
对于数据中心来说，空调机房往往需要常年不间断制冷。按照空调冷却系统所采取的制冷技术差异，可划分为新风自然冷却系统、乙二醇双冷源系统和氟泵空调系统等类型。
1）新风冷却
新风冷却属于自然冷却的一种，新风系统是由空气风道、风机及其控制系统三部分构成的[2]。当外界温度较低时，新风系统会自动启动，将外界低温下的空气引入到系统内，通过系统过滤直接应用到机房设备散热中来，并将产生的多余热量吸收转化，再排出到外部。该系统在使用中由于完全利用外界空气，可降低能源损耗。但该系统在运行中是直接将外界空气引入其中，达到冷却降温效果，难免会将空气中存在的灰尘引入内部，进而降低机房内设备洁净度，致使设备故障增多。所以一般该系统不会被应用到大型机房内，多是在普通或小型基站中使用。
2）乙二醇双冷源
乙二醇的冰点相对较低，在温度较低环境下，不易结冰，故而将其应用到空调制冷系统中，借助与传统制冷系统的结合，生成双循环系统，改善空调制冷效果。乙二醇双冷源循环系统在使用中，室外温度高于室内温度时，会自动开启蒸汽制冷循环系统，关闭自然冷源循环系统；当室外温度低于室内温度，则相反，自然冷源循环系统会开启，这时乙二醇将发挥自身功能，实现制冷效果，并将室内产生的多余热量吸收、转化并排出，降低能源消耗。下面为具体图示。
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图1 乙二醇双冷源
3）氟泵空调
目前，氟泵空调与风冷型机房空调系统配套应用，以此改善空调制冷效果，保障数据中心内设备系统的高效运转。传统单一的地板下送风机房空调在室外温度较低的环境下，仍会消耗较多的能源资源，节能效果不理想，而增加氟泵空调后的冷风型机房空调系统，则能识别外界环境温度，并将其合理利用起来，以达到室内降温散热效果，提高工作效率。实际运用中，外界温度降低，空调系统会自动关闭压缩机，开启氟泵空调系统完成制冷动作。制冷剂在氟泵的作用下，在室内换热器与室外换热器之间循环，带走机房内热量。
3.2优化气流组织
空调制冷系统的能耗影响因素是多种多样的。其中，气流交换组织形式是至关重要的影响因素之一。冷空气气流的流动阻力越小，冷空气与热空气的隔离界限越明显，冷气气源的损耗量越小，空调冷却系统的制冷压力越小，运行负荷越轻，能源损耗程度也就越低。如果冷空气的流动性较弱，那么冷源的交互效果变差，空调制冷系统所需制冷量就会增加，运行负荷加重，能耗也随之增大。如果空调气流交换组织形式不合理，不仅会降低冷空气利用率，还会加大空调制冷系统的能耗指标[3]。
3.2.1安装盲板
由于数据中心机柜内的空调设备数量有限，且集中程度较低，所以会导致大量未经空调设备处理的冷缝进入主机房，导致空调设备送风系统短路，降低空调制冷系统的运行效率，影响空调制冷系统的使用效果。如果在机柜内安装挡板，可以截断热空气短路循环路径，进一步优化和完善送风系统，降低发生送风系统短路的概率，提升空调制冷系统的运行效率，减轻空调制冷系统的能源损耗。
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图3安装盲板前后气流示意图
3.2.2合理布直
通常，普通机房多按照正面同向的规则对机柜进行布置。但这种机柜布置形式存在明显的缺陷。处于前排的机柜在运行过程中会源源不断的产生热风，而这些热风会被处于后排的机柜所吸收，导致冷热空气混杂，降低冷却效果。如果机柜采用"面对面，背对背"的空间布局方式进行排列，可以形成畅通的冷热源通道，提升冷风利用效率，增强制冷效果。
3.2.3封闭冷通道
如果采用面对面的空间布局形式对机柜进行排列布置，对处于同一列的机柜的两段，以及机柜顶端进行封闭，可以同时实现冷通道的封闭，降低能耗指标。通过对主机房空调制冷系统所送出的冷气进行控制，提升冷空气的流动效率，提升数据设备的冷气进风量，增强制冷效果。冷通道封闭的主要目的是对主机房空调制冷系统输送的冷气量进行控制，有效解决机房内局部空间温度过高的问题，提升了空调制冷系统的使用效率，降低了整个机房因改善热环境而造成的能耗。
3.3新型空调末端
普通数据中心多在主机房两侧布置精密程度较高的主机设备，通过风帽上送风与地板下送风相结合的方式，对机房内上层环境与下层环境进行协同冷却，有效改善整个机房内部空间的热环境[4]。采用冷却的方式对机柜进行散热处理。由于这种空调形式极易导致内部空间出现局部温度过高的问题，而且冷气传输距离较长，所以对离心风机的运行功率提出了一定的要求。只有确保离心风机的总功率达到基本要求，才能将电力能源充分转化为制冷热量，进而在满足制冷需求的基础上，降低电能损耗。
目前最常见的新型空调末端以新型热管背板、列间热管、吊顶式热管这三种为主，这三种新型空调末端在使用中能够高效解决局部热点问题，满足按需供冷要求，控制水进入机房，维护数据中心内部运行的安全性。而在这三种新型空调末端中，新型热管背板使用频率最高，是由制冷终端、分配单元和冷源设备构成的。工作中，服务器排出的热风会直接连接到制冷终端内，由制冷终端完成降温，待达到制冷要求后，再将其排放到室内环境内，以达到降温散热的效果。
制冷终端内循环工质通过相变传热，受热由液态变成气态，由气体管路将热量带到CDU中，在CDU内与室外系统的冷源设备提供的冷水进行热交换，循环工质受冷由气态变成液态，依靠自身重力沿制冷剂液体管路流回制冷终端完成一个完整的热力循环。热量的传递依此顺序源源不断的传递到室外。图2为热管背板运行原理示意图。优势在于：换热频率较高、以重力循环为主，降低热量消耗；较铜管铝翅片的工作效率提高近三成左右。
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图2 热管背板运行原理示意图
3.4变频设备
数据中心空调能耗量会受到外界温度及IT负载变化的影响。空调冷水机组在长时间运行中会因为荷载的增加而出现各种问题，这时就需要合理应用变频设备来把控荷载，降低运行中压力过大带来的危险。同时变频设备的合理应用也可使冷却水一直处于低温运行状态下，改善制冷效果，降低能源消耗。利用变频设备，每年可节省20%左右的能耗，且水冷系统中冷冻水泵、冷却水泵、机房里的末端空调EC风机均使用变频设备，可以根据IT负载的自动调整，节约冷量。某区域机房空调系统的设计就采用变频设备，做到压缩机、水泵及风机的科学把控，相比以往，节省了近三成左右的能源。
3.5智能化群控管理
数据中心空调系统一般是以N+X的方式来实现安全运行的，但该模式下机房内的发热量不能完全掌控，会导致设备在高效运转中出现能源消耗情况。另外，在设备关闭后，机房内的气流组织及温度变化呈现无规律状态，无法把控能源，容易增加安全问题出现概率。所以在数据中心空调节能管理中，应科学采用智能化群控管理模式，做到智能化、自动化、科学化管控，改善机房内部节能效果，延长设备的使用寿命。
4案例
4.1项目简介
兴业证券上海数据中心建立在浦东新区国际商业中心东塔楼内，总建筑面积在1350m2左右，整个数据中心包括期货、测试、生产、网络通信、配电、气灭钢瓶、运维指挥、值班室等空间区域，UPS、辅助气体灭火机房则被设置在地下一层区域内。数据中心被设置在14楼区域，建筑面积750m2。数据中心的建设被定义为A级机房。但在前期规划中，并未考虑到数据中心功能要求，再加上建筑结构及配电容量等因素的影响，使得该建筑等级停留在B+，与实际要求不相符。
4.2疑难点
数据中心位于建筑中心区域内，日照较强，虽然设计了玻璃幕墙，但隔热效果并不理想，再加上机器散热，数据中心空调制冷面临较大压力，如果不能合理解决，则会存在严重的能源损耗；事故发生后，排风手段过于复杂，限制性因素较多；冷热封闭管道中的湿度较高，处理手段有限。
4.3解决措施
优化玻璃幕墙结构，选用呼吸式幕墙并设置电动窗帘；更换冷机类型，以磁悬浮冷机为主，在设计中使用群控控制模式；电能供应上选择双路供电模式，且合理设置变电站，以此保证数据中心内的用电安全；在除湿过程中，选用恒温恒湿功能的行级空调，科学调控内部温湿度；封闭冷热通道上增加自动开门器，改善事故后的排风效果。
4.4本人负责内容
开展项目的总体指挥和管控；明确项目重难点，做好方案规划与审核；进行各类型方案设计，如事故后排风方案、冷凝水收集与排放方案等，注重方案可行性。
4.5绩效成果
工程按期完成，并获得高度认可。
5结语
希望上文对数据中心空调节能的研究，能够对相关从业人员有所帮助，在接下来的工作中更好的处理空调节能问题，利用变频设备，加强智能化群控管理，在优化制冷效果的同时，降低资源、资金消耗，最终推动行业的良好发展。
参考文献：
[1]戴新强,丁卫科,黄建如,等.数据中心空调系统能耗与节能应用研究[J].中国设备工程,2020,No.440(04)
[2]洪财举.大型数据中心空调制冷系统的节能技术研究[J].南方农机,2019(15)
[3]刘姝玮.浅谈大型数据中心空调冷却系统的应用和节能技术[J].中国房地产业,2019,000(032)
[4]黄庆河,曹连华,马春霞.数据中心空调系统新风节能设计研究[J].暖通空调,2020,v.50;No.369(03):58-61.