山東同圓設計集團有限公司 宮曄
隨著網絡、信息技術的不斷推進，當今社會已經全面進入信息化階段。信息化的發展對“數據中心”的建設產生了巨大的需求，當前中國約有數據中心 50 萬個（以中小型數據中心為主）， 2007 年至 2012 年間，國內數據中心市場投資額的年增長率約為 20%，而數據中心業務銷售額的平均年增長率更是達到了 35%。
據中心的能耗是指數據中心中各種用能設備消耗的能源總和。根據目前數據中心的能效水平，能耗構成中 IT 設備能耗約佔總能耗的 50%，空調系統能耗約佔 40%，配電系統能耗約佔 10%。對於數據中心的空調系統，主要作用就是帶走 IT 和配電設備的發熱量，維持溫溼度的恆定。因為 IT 與配電設備的絕大部分功耗都轉變成了發熱量，所以數據中心空調系統的能效指標（ COP）大體為 IT 設備能耗與空調能耗的比值。即 50% 比 40%，約為 1.25 左右，最大不高於 1.5。這樣的能效水平可以算低下，具有較大的提升空間。樹上鳥教育暖通設計在線教學杜老師。
數據中心
一、設計中存在的問題
數據中心空調的能效為何如此之低？通過對當前數據中心的研究發現，大多數數據中心的空調系統都存在著如下一系列的設計問題。
（ 1）為了服務器工作人為營造低溫環境，完全採用人工製冷，沒有利用自然冷源自然冷卻。改進冷源形式往往是最為經濟有效的節能方法，製冷機在空調系統中耗電最大，以冷卻塔免費供冷代替製冷機，依靠自然冷源提供冷量，會使空調系統的整體運行能耗大幅下降，是效果顯著的節能途徑。而在實際應用中，採用自然冷源存在系統整合難、切換難、維護難的特點，所以目前國內只有少部分的大型數據中心成功有效的使用了該技術。
（ 2）沒有充分利用空調系統的諸多節能技術。空調系統中節能效果突出的餘熱回收、蓄冷、變風量、變頻等技術，在數據中心中很少採用。因為數據中心所其提供服務的特殊性，數據安全是首要因素，宕機是不允許出現的情況。空調系統作為服務器正常工作的保障，管理者更關注其製冷能力是否有足夠的冗餘量，某臺空調發生故障時能否及時開啟備用設備，對設計的要求必然保守。而節能技術需要積少成多、其效果需日積月累才能體現，如果擔心某技術對空調的穩定性可能產生影響，往往傾向於不採用。
（ 3）空調設備製冷量與實際負荷的匹配存在問題。機房內的機架通常是逐步投入、不斷擴容的，而空調負荷與氣流組織則是建設階段對機房整體考慮設計的。運行初期投入使用的機架數少，空調系統部分負荷下運行，效率不高。而後期投入使用的新型的機架，往往功率更大，發熱密度更高，卻受制於機房現有格局，不能被擺放在氣流組織有利的位置。這樣，隨著機架不斷進場，機房內始終冷熱不均，管理者只能調低空調機的溫度設定值，造成過度製冷，導致空調能耗居高不下。
數據中心
（ 4）設計選用的空調機型參數與機房運行時的真實熱工況存在偏差。據調查發現，目前約 85％的數據中心空調機組耗能比設計工況高 50% 以上。現行數據中心設計均參照的是國標《電子信息系統機房設計規範》及美國 TIA-942 標準，精密空調機組的設計運行溫 / 溼度為 23℃±1℃/50%，加之現有精密空調生產廠家所提供的室內機迴風工況參數多為 24℃/50%。
故空調設計時多按照此工況點進行選型。而服務器機架的發展趨勢是高度集成化，單個機架的功率越來越大，機櫃出風口溫度很高，實際運行中很容易出現局部溫控點溫度超標的現象，應對辦法就是將空調機組設定的迴風溫度 24℃ 調低。
假如調低空調機組設定溫度 2℃, 那麼按回風參數24℃ 選型出來的空調機組對應 22℃ 的工況點，直接膨脹式空調壓縮機 COP 值會下降約 7%，顯冷量會下降 8%~19%，冷凍水式空調機組的顯冷量會下降 13%~16%。因機房負荷全部是顯熱負荷，則能耗增加了大約 15%~25%。若繼續調低空調機運行工況參數設定點，對應的能耗會呈現非線性的增長。
（ 5）精密空調機組溫溼度一起控制的模式，造成了先除溼再加溼的能耗浪費。在乾球溫度 23℃，相對溼度 50% 的室內狀態點，露點溫度為 11.9℃，空氣經過表冷器時降溫除溼。而機房運行過程中基本無散溼量，所以空氣溼度降低，超過設定下限後空調自動開啟加溼功能，此時加溼器給空氣等溫加溼，增加了空調潛熱冷負荷，空調能耗顯著上升。
二、實施方案
以大連地區一個 2500 個機架的數據中心為例，針對發現的問題，綜合採用多種節能技術，尋求一套解決數據中心高能耗的有效方法，在不影響可靠性的前提下實現空調能耗的降低。採用如下措施進行節能設計：
選用 800RT 離心式冷水機組三臺（輸入功率466kW）， 400RT 螺桿式冷水機組兩臺（輸入功率265kW），總製冷量 3200RT，另根據機房級別設置備用。運營初期負荷極小的情況下，利用螺桿機調節範圍的優勢，避免部分負荷的低能效和系統喘振。根據氣象參數、工程設計條件確定系統供回水溫度，計算免費供冷的切換溫度並結合實際情況適當降低確定實際切換溫度，以避免頻繁切換，獲得合理的免費供冷期。
期內對應制冷機設計匹配的冷卻塔、板式換熱器，用於自然冷卻免費間接供冷。當季節過渡，室外溼球溫度超過切換溫度時開啟製冷機，製冷機配變頻器可實現冷卻水的低溫運行，最低運行溫度可低至 13℃。更低的冷凝側溫度使機組在小壓縮比工況下工作，性能係數 COP 值大幅提高，相當於間接利用了自然冷源免費供冷。
數據中心
配合以上技術措施，冷凍水側採用 12℃/18℃的高水溫，一方面進一步降低壓縮比，另一方面高於室內空氣 11.9℃ 的露點溫度，實現了空調末端幹工況運行。幹工況不僅簡化了系統，更適用於機房的工作環境，更是杜絕了不必要的除溼再加溼過程抵消的製冷量。與提高的冷凍水溫相對應，空調器迴風溫度提高至 30℃，既加大了送風溫差降低能耗，又使末端設定工況更接近實際情況，有利於運行的控制。
本工程採用的各項技術措施之間關係密切，不可相互孤立使用，需結合實際情況整體性靈活運用。
三、經濟指標
按照該數據中心節能設計，冷卻水夏季 30/36，冬季 10/16 經板換至 12/18 冷凍水 12/18。夏季冷卻塔冷幅 5℃，溼球溫度 25℃。冬季冷卻塔冷幅 8℃，切換溼球溫度 2℃。根據設計溫度可確定空調系統免費供冷期約為 100 天，過渡期約為 120 天，夏季標準運行工況約為 145 天。
（1）免費供冷期
單臺製冷機壓縮機運行功率 413kW，全部自然冷卻，相當於可節約電量 413kW，考慮管道電伴熱、積水盤電加熱等因素，節能效果按 75% 計算，則 4 臺機組共節能 413×75%×4=1239kW，年節約電量 297 萬 kW·h。
（2）過渡季
製冷機配變頻器可實現冷卻水低溫運行，最低溫度可達 13℃。整個過渡季按冷卻水平均水溫22/28℃ 考慮，冷凍水按 7/12℃ 考慮，同一製冷機組較標準工況下輸入功率降低， 800RT 的製冷機在過渡季實際運行功率為 413kW，則 4 臺機組共節能99×4=396kW，年節約電量 114 萬 kW·h。
（3）夏季
提高冷凍水溫，製冷機 COP 提升帶來的能耗節約：
節能
合計年節約電量 81 萬 kW·h。
溼空氣焓溼圖（大氣壓力： 99453Pa）
（4）常規冷凍水供回水溫度
7/12℃ 工況下，整個數據中心機房部分選用空調器 54 臺，空調器單 臺 制 冷 量 170kW， 風 量 41400m3/h， 輸 入 功 率8.0kW。其送風狀態點 A（見下頁焓溼圖）：乾球溫度 12.1℃，溼球溫度 11.3℃， d=8.2g/kg。機房內基本無溼負荷，空氣吸收機架散熱後升溫到新建狀態點 B： 幹 球 溫 度 23℃， d=8.2g/kg，i=44.1kj/kg； 再通過而電極式蒸汽加溼器等溫加溼，到達室內狀態點 C：乾球溫度 23℃， d=8.9g/kg ， i=45.9kj/kg。從B 到 C 過程的⊿ i=1.8 kj/kg，即為除溼又加溼過程增加的潛熱冷負荷：1.8kj/kg×41400m3/h×1.2kg/m3×54=1341kW。
按冷水機組 COP 值 6.0 計算，此部分耗電功率223.5kw，即為可節約能耗。全年可以節約電量為196 萬 kW·h。
（5）提高冷凍水溫帶來了空調器末端製冷能力的降低
整個數據中心機房部分選用空調器 54 臺，空調器單臺製冷量 170kW，風量 41400m3/h，輸入功率 11.2kW。常規冷凍水供回水溫度 7/12℃ 工況下，單臺空調器輸入功率只需要 8.0kW。故單臺能耗增加 3.2kW， 54 臺機組共增加 172.8kW。全年增加耗電量 151 萬 kW·h。
各項措施綜合累計節能效果：297+114+81+196-151=537kW。
本數據中心設計年耗電量為 7737 萬 kW·h，其中空調系統耗電約為 3100 萬 kW·h。採用本技術措施節能約 17.32%。
四、小結
本項目採用的節能技術抓住了數據中心空調能耗過高的根本原因，有針對性的解決了空調設計中節能技術不敢用無法用的問題，通過多種技術措施的配合使用，在保證系統可靠性的前提下，起到了顯著地節能效果。
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