安理
北京京东尚科信息技术有限公司 100105
摘要：
降低暖通空调运行能耗对降低数据中心能源需求的作用明显。针对数据中心空调系统能耗比例过高的现状,分析空调系统的特点和高能耗的原因,并对建筑布局与围护结构优化、自然冷却技术、冷热通道封闭、高效冷源和提高冷冻水温度等5种常用的暖通空调节能技术进行分析,从而为数据中心空调系统的综合节能建设与改造提供参考和依据。
关键词：数据中心;?暖通空调;?高能耗;?建筑布局;?围护结构优化;?自然冷却技术;
前言：
近年来,随着各个行业信息化发展的不断深入和信息量的爆炸式增长,数据中心建设呈现快速增长趋势,运营商、互联网企业、金融、政府、制造业等各个行业都在规划、建设和改造各自的数据中心。数据中心建设在负荷密度和可靠性方面面临着极高的要求,研究表明,一般商业建筑能耗为50~110W/㎡,而数据中心的能耗为120~940W/㎡。并且,数据机房的建设涉及金融、通讯、政府等行业均对数据机房运行时的可靠性、安全性要很高的要求,其中包括环境的温湿度、洁净度的稳定性。所以,制冷系统设计与选择在数据中心建设中十分重要。通常,空调系统自身能耗占数据中心总能耗约1/3,是降低能源消耗的关键,具有很大的节能潜力。因此,研究和优选合理的空调系统节能技术可有效降低数据中心的整体能耗。
1.数据中心空调系统特点分析
1.1供冷时间长,送风参数相对稳定。数据机房负荷主要来自IT设备发热量,IT设备需要全年运行,即使在冬季室外温度较低时,机房模块内仍有制冷需求,要求空调设备长时间供冷。数据中心围护结构散热量、人员等负荷相对较小,设备全年冷负荷变化不大,因此数据中心空调送风参数比较稳定。
1.2显热大,潜热小。大部分数据机房为无人值守,室内无散湿源,且新风比例低。空调设备主要作用为控制室内显热,除湿负荷小,热湿比趋于+∞。为满足机房室内温湿度要求,空调系统具有送风温差小、送风量大的特点。
2.数据中心空调系统节能技术
2.1自然冷却技术
数据中心通常都需要常年不间断供冷,常规的制冷系统,室外温度即使是低于或远低于其循环冷冻水温的情况下冷水机组也需要照常运行。自然冷却技术的优点是在冬季和过渡季节,优先利用免费冷源,可以实现无压缩机运行制冷,显著节省压缩机的电耗。主要包括水侧自然冷却技术和风侧自然冷却技术。
(1)水侧自然冷却技术
应用水侧自然冷却技术,即把板式换热器串联在冷水和冷却水系统中,同时将冷水的供回水温度提高到12℃/18℃。当冷却水供水温度高于16℃时,冷水机组为数据中心提供全部的冷负荷。当冷却水供水温度低于16℃且高于10℃时,系统开始使用部分免费冷源,此时免费冷源与冷水机组共同承担系统的冷负荷。当冷却水供水温度低于10℃时,冷水机组停止运行,全部由免费冷源供冷。基于上海的气象参数统计,一年中有26%的时间可以利用自然冷却,其中14%的时间(1230h)为全部自然冷却,12%的时间(1064h)为部分自然冷却。通过自然冷却技术,在过渡季和冬季减少了压缩机工作时间和强度,有效降低了制冷功耗。与常规的冷水机组相比,节能率可达到30%以上。
国际上采用水冷技术的典型代表是谷歌公司,其选择建设的数据中心基本以沿海地区为主,谷歌在北欧的第一个数据中心芬兰哈米纳的数据中心,不使用其他冷却设备,而是使用来自附近波罗的海的海水作冷却用途,另外百分之八十的冷却水源来自循环再生水,从而达到降低PUE值的目的。
(2)风侧自然冷却技术
应用风侧自然冷却技术,即从室外取自然空气送入到混风室跟机房内回风混合,经过滤和加湿等环节,用AHU风扇送到直接蒸发盘管进行冷却,最后通过送风管道进入机房,可以达到降低机房回风温度、减少精密空调耗冷量的目的。风侧自然冷却技术一般适用于寒冷地带,上海地区一年中61%的时间可以利用该方式进行自然冷却。
北京某数据中心在冬季采用自然冷源系统+节能空调运行模式,冬季机房PUE值控制在1.28~1.32范围内,其他季节PUE值控制在1.5~1.6左右,节能效果显著。
2.2优化气流组织技术
优化机房气流组织,也是数据中心空调系统节能设计的一个重要方面。需要结合数据中心机房环境的搭建,慎重考虑空调冷却系统的排风方式。有效的排风方式能加速数据中心环境内气体流通、加速散热过程,同时能避免局部过热的现象。通常,可以选择上送风和下送风两种方式。前者冷风将机房机柜上方的热量携带走,送至室内下部,实现散热制冷的效果;后者的主要方法是合理抬升地板高度至一理想位置,在地板下构造架空区域,空调冷风通过架空层送往机房内部,并最终通过机房顶部空间散发热量,实现循环制冷的效果。回送冷风的方式可以结合数据中心实际施工情况选择开放式或者管道式以及相互间融合的方法,从而达到节能的目的。
国内外学者进行了包括送回风精确形式、冷热通道优化控制、孔板气流流动特性、送风气流参数及设备布局与热环境分析、系统整体运行控制以及机房生命周期内运行评价等研究。架空地板下送风上回风方式表现出气流稳定及冷量高效利用的特性而受到目前广为采用。
2.3中央空调系统变频技术
通常大型数据中心空调系统的制冷量都是按最差(夏天最热)工况设计的,全年绝大部分时间空调系统并不是运行在全负荷状态。另外,大型数据中心的lT负荷从零到满载也需要相当长的时间,一般为1~3年。还有,IT负载的能耗和网络访问量或运行状态相关,根据其应用的特点,每天24h的能耗都在变化。例如:电信综合大楼包含有办公室和通信机房,日夜负荷变化较大,应用中央空调系统变频技术是比较好的选择。
因此,对中央空调水泵系统、离心机组主机、压缩机风柜采用变频技术,可有效提高空调设备制冷效率[5～6],其增加的投资一般在一年内节省的电费中就可以收回(基本满负荷情况下)。变频技术可根据数据中心机房室内外不同的温度通过调节转速来改变泵和风机的性能曲线,在调整其出力的同时不影响管路系统的阻力特性,使系统能保持较高的效率运行。当流量减少50%,普通空调系统的水泵或风机能耗仅减少20%~30%,而采用变频技术时,可减少能耗70%~80%,极大地降低了设备能耗。通过变频控制调节,中央空调系统的水、风系统耗电水平可降低30%~60%,主机系统可节电10%以上,总体系统节电可达40%左右。
2.4蓄冷空调技术
蓄冷空调技术是利用水、冰以及其他物质的蓄冷特性,充分利用夜间电网谷段多余的电力使制冷机工作,将次日空调所需冷量以显热或潜热的形式蓄存于水、冰和其他相变材料中,在空调负荷高峰时段释放这些蓄能物质所储存的冷量,全部或者部分满足空调系统的需求。该空调系统的用电量起到了削峰填谷的作用,在数据中心空调用电量呈迅猛增长的形势下,该技术对均衡城市电网负荷,改善日益尖锐的电量供需矛盾无疑是一项有力的措施。
2.5热回收技术
大型数据中心常年需要不间断的冷源,需要冷水机组高效制冷完成。而与数据中心配套的周边办公、运维和宿舍在冬季却同时需要大量的热量来解决供暖问题。在常规设计中,供暖需要锅炉或热泵解决,需要消耗大量的能源。若设置热回收冷水机组,可以为普通办公楼提供整个冬季稳定的免费热源供空调系统供暖使用,这样一方面减少了冷水机组运行过程中排放的大量余热,降低了对环境的热污染,另一方面减少了锅炉燃气或燃油的使用,更进一步降低了碳排放对环境造成的危害。由于实现制冷机组的冷热联供,综合能效比达到9~10,这是其他任何冷机效率所无法比拟的。采用这种热回收技术,一个数据中心的上万平方米的办公、运维和宿舍都可以实现免费供暖。
结语：
本文针对数据中心空调系统能耗比例过高的现状,分析空调系统的特点和高能耗的原因,并对建筑布局与围护结构优化、自然冷却技术、冷热通道封闭、高效冷源和提高冷冻水温度等5种常用的暖通空调节能技术进行了分析,从而为数据中心空调系统的综合节能建设与改造提供参考和依据。
参考文献
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[2]段轶伊,姜俊海,李瑞雅,等.数据中心空调节能技术的应用实例[J].制冷与空调,2017,14(9):18-21.
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