據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心能耗已占全社會(huì)總用電量的1.5%~3%，其中空調(diào)系統(tǒng)耗電量占數(shù)據(jù)中心總耗電量的30%~50%[1]。因此，如何提高數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能效，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能運(yùn)行，已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將從負(fù)荷計(jì)算、系統(tǒng)選型、節(jié)能策略、案例分析等方面，探討數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能的途徑與實(shí)踐，以供相關(guān)從業(yè)者參考。

一、數(shù)據(jù)中心冷熱負(fù)荷分析

1.1 負(fù)荷構(gòu)成

數(shù)據(jù)中心的冷熱負(fù)荷主要來自以下幾個(gè)方面[2]:

（1）IT設(shè)備散熱:服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等IT設(shè)備的發(fā)熱量，是數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷的主要組成部分，占比可達(dá)70%以上。

（2）照明散熱:數(shù)據(jù)中心內(nèi)照明燈具的發(fā)熱量，一般占冷負(fù)荷的3%~5%。

（3）人員散熱:值守人員的代謝熱和設(shè)備維護(hù)過程中的散熱，占比較小。

（4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱:機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)、輻射等得熱或失熱，在負(fù)荷中占比5%~10%。

（5）新風(fēng)負(fù)荷:引入新風(fēng)所需的顯熱和潛熱處理，在夏季制冷時(shí)需考慮。

1.2 負(fù)荷計(jì)算方法

數(shù)據(jù)中心冷熱負(fù)荷的計(jì)算要點(diǎn)如下[3]:

（1）IT設(shè)備散熱量:根據(jù)設(shè)備額定功率、數(shù)量、機(jī)柜布置等因素估算，可乘以同時(shí)使用系數(shù)（0.5 1.0）。

（2）人員散熱量:按每人 120W 計(jì)算，乘以人數(shù)和在場時(shí)間比例系數(shù)。

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量:依據(jù)機(jī)房建筑材料、面積、溫差等，采用傳熱學(xué)方法分別計(jì)算得熱和失熱量。

（4）新風(fēng)負(fù)荷:根據(jù)新風(fēng)量和室內(nèi)外空氣狀態(tài)計(jì)算顯熱和潛熱負(fù)荷，一般按每機(jī)柜 100~300m3/h 新風(fēng)量設(shè)計(jì)。負(fù)荷計(jì)算時(shí)應(yīng)對(duì)上述各項(xiàng)分別估算，然后以最不利工況疊加，并考慮一定裕量，最終確定空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷。

二、數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)選型   

2.1 冷源形式

數(shù)據(jù)中心冷源形式主要有風(fēng)冷、水冷、蒸發(fā)冷等。風(fēng)冷具有投資省、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，中小型機(jī)房較常用;水冷具有效率高、噪聲小、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢，大型數(shù)據(jù)中心普遍采用;蒸發(fā)冷適合干燥地區(qū)，可大幅節(jié)約用水[4]。冷源形式應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、氣候條件、水資源等因素綜合選擇。

2.2 空調(diào)方式

數(shù)據(jù)中心的空調(diào)方式大致分為機(jī)房級(jí)和列間級(jí)兩大類[5]。

（1）機(jī)房級(jí)空調(diào):將冷量直接送入機(jī)房內(nèi)，常見的有空調(diào)機(jī)組、close coupled 空調(diào)器等。

（2）列間級(jí)空調(diào):在機(jī)柜列間設(shè)置空調(diào)設(shè)備，如冷通道封閉空調(diào)、行級(jí)制冷機(jī)等。與機(jī)房級(jí)相比，列間級(jí)空調(diào)可實(shí)現(xiàn)局部冷量匹配，免去冷熱通道隔離，節(jié)省機(jī)房凈空。

列間級(jí)空調(diào)更利于模塊化、按需部署，是現(xiàn)代大型數(shù)據(jù)中心的主流趨勢。

2.3 末端形式

數(shù)據(jù)中心的空調(diào)末端主要采用冷卻盤管和送風(fēng)口兩種[6]:

（1）冷卻盤管:安裝在機(jī)柜后門或側(cè)面，利用冷凍水帶走 IT 設(shè)備的熱量。水路系統(tǒng)簡單可靠，可實(shí)現(xiàn)機(jī)柜級(jí)的冷量調(diào)節(jié)。

（2）送風(fēng)口:與機(jī)房級(jí)空調(diào)配套使用，將冷風(fēng)直接送入冷通道或機(jī)柜內(nèi)。氣流組織靈活，可根據(jù) IT 負(fù)荷進(jìn)行送風(fēng)量和溫度的優(yōu)化控制。末端形式的選擇要兼顧機(jī)房布局、熱源分布、施工條件等因素。大型數(shù)據(jù)中心一般采用上送下回的方式，利于氣流組織。

三、數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能問題

數(shù)據(jù)中心空調(diào)的能效為何如此之低？通過對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)都存在著如下一系列的設(shè)計(jì)問題。

1、系統(tǒng)整合難、切換難、維護(hù)難。為了服務(wù)器工作人為營造低溫環(huán)境，完全采用人工制冷，沒有利用自然冷源自然冷卻。改進(jìn)冷源形式往往是最為經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能方法，制冷機(jī)在空調(diào)系統(tǒng)中耗電最大，以冷卻塔免費(fèi)供冷代替制冷機(jī)，依靠自然冷源提供冷量，會(huì)使空調(diào)系統(tǒng)的整體運(yùn)行能耗大幅下降，是效果顯著的節(jié)能途徑。而在實(shí)際應(yīng)用中，采用自然冷源存在系統(tǒng)整合難、切換難、維護(hù)難的特點(diǎn)，所以目前國內(nèi)只有少部分的大型數(shù)據(jù)中心成功有效的使用了該技術(shù)。

2、沒有充分利用空調(diào)系統(tǒng)的諸多節(jié)能技術(shù)。空調(diào)系統(tǒng)中節(jié)能效果突出的余熱回收、蓄冷、變風(fēng)量、變頻等技術(shù)，在數(shù)據(jù)中心中很少采用。因?yàn)閿?shù)據(jù)中心所其提供服務(wù)的特殊性，數(shù)據(jù)安全是首要因素，宕機(jī)是不允許出現(xiàn)的情況?？照{(diào)系統(tǒng)作為服務(wù)器正常工作的保障，管理者更關(guān)注其制冷能力是否有足夠的冗余量，某臺(tái)空調(diào)發(fā)生故障時(shí)能否及時(shí)開啟備用設(shè)備，對(duì)設(shè)計(jì)的要求必然保守。而節(jié)能技術(shù)需要積少成多、其效果需日積月累才能體現(xiàn)，如果擔(dān)心某技術(shù)對(duì)空調(diào)的穩(wěn)定性可能產(chǎn)生影響，往往傾向于不采用。

3、空調(diào)設(shè)備制冷量與實(shí)際負(fù)荷的匹配存在問題。機(jī)房內(nèi)的機(jī)架通常是逐步投入、不斷擴(kuò)容的，而空調(diào)負(fù)荷與氣流組織則是建設(shè)階段對(duì)機(jī)房整體考慮設(shè)計(jì)的。運(yùn)行初期投入使用的機(jī)架數(shù)少，空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷下運(yùn)行，效率不高。而后期投入使用的新型的機(jī)架，往往功率更大，發(fā)熱密度更高，卻受制于機(jī)房現(xiàn)有格局，不能被擺放在氣流組織有利的位置。這樣，隨著機(jī)架不斷進(jìn)場，機(jī)房內(nèi)始終冷熱不均，管理者只能調(diào)低空調(diào)機(jī)的溫度設(shè)定值，造成過度制冷，導(dǎo)致空調(diào)能耗居高不下。

4、設(shè)計(jì)選用的空調(diào)機(jī)型參數(shù)與機(jī)房運(yùn)行時(shí)的真實(shí)熱工況存在偏差。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前約 85％的數(shù)據(jù)中心空調(diào)機(jī)組耗能比設(shè)計(jì)工況高 50% 以上?，F(xiàn)行數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)均參照的是國標(biāo)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》及美國 TIA-942 標(biāo)準(zhǔn)，精密空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫 / 濕度為 23℃±1℃/50%，加之現(xiàn)有精密空調(diào)生產(chǎn)廠家所提供的室內(nèi)機(jī)回風(fēng)工況參數(shù)多為 24℃/50%。故空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)多按照此工況點(diǎn)進(jìn)行選型。而服務(wù)器機(jī)架的發(fā)展趨勢是高度集成化，單個(gè)機(jī)架的功率越來越大，機(jī)柜出風(fēng)口溫度很高，實(shí)際運(yùn)行中很容易出現(xiàn)局部溫控點(diǎn)溫度超標(biāo)的現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)辦法就是將空調(diào)機(jī)組設(shè)定的回風(fēng)溫度 24℃ 調(diào)低。假如調(diào)低空調(diào)機(jī)組設(shè)定溫度 2℃， 那么按回風(fēng)參數(shù)24℃ 選型出來的空調(diào)機(jī)組對(duì)應(yīng) 22℃ 的工況點(diǎn)，直接膨脹式空調(diào)壓縮機(jī) COP 值會(huì)下降約 7%，顯冷量會(huì)下降 8%~19%，冷凍水式空調(diào)機(jī)組的顯冷量會(huì)下降 13%~16%。因機(jī)房負(fù)荷全部是顯熱負(fù)荷，則能耗增加了大約 15%~25%。若繼續(xù)調(diào)低空調(diào)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)設(shè)定點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的能耗會(huì)呈現(xiàn)非線性的增長。

5、精密空調(diào)機(jī)組溫濕度一起控制的模式，造成了先除濕再加濕的能耗浪費(fèi)。在干球溫度 23℃，相對(duì)濕度 50% 的室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)，露點(diǎn)溫度為 11.9℃，空氣經(jīng)過表冷器時(shí)降溫除濕。而機(jī)房運(yùn)行過程中基本無散濕量，所以空氣濕度降低，超過設(shè)定下限后空調(diào)自動(dòng)開啟加濕功能，此時(shí)加濕器給空氣等溫加濕，增加了空調(diào)潛熱冷負(fù)荷，空調(diào)能耗顯著上升。

四、數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能策略 

4.1 面臨的問題

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心普遍存在以下節(jié)能問題[7]:

（1）設(shè)計(jì)裕量過大，造成能源浪費(fèi)。早期數(shù)據(jù)中心常按 IT 負(fù)荷的 2~3 倍設(shè)計(jì)冷源，實(shí)際運(yùn)行效率低。

（2）冷通道溫度設(shè)置過低，制冷能耗高。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心多將冷通道溫度控制在 20℃以下，而 IT 設(shè)備可適應(yīng)更高溫度。

（3）冷熱通道混合，局部熱點(diǎn)時(shí)有發(fā)生。由于氣流短路、通道隔離不徹底等原因，冷熱空氣摻混，降低送回風(fēng)溫差。

（4）缺乏智能控制手段，無法精確調(diào)節(jié)冷量。分散獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)缺乏協(xié)同優(yōu)化，易出現(xiàn)冷量誤差。針對(duì)以上問題，數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能應(yīng)從需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)兩個(gè)方面入手，通過負(fù)荷匹配、溫度優(yōu)化、氣流組織、智能控制等措施，最大限度地提高系統(tǒng)效率[8]。

4.2 具體措施

（1）右移制冷:適當(dāng)提高冷通道溫度，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦不低于 25℃，可明顯降低制冷能耗。

（2）自然冷源:合理利用外界自然冷源，如采用間接蒸發(fā)冷卻、plate heat exchanger 等，減少壓縮機(jī)耗電。

（3）熱管背板:機(jī)柜背板內(nèi)置熱管換熱器，將 CPU 等高熱密度部件的熱量有效導(dǎo)出，改善機(jī)柜溫度場均勻性。

（4）冷熱通道封閉:采用柜間空調(diào)、冷通道封閉等方式，徹底隔離冷熱氣流，提高回風(fēng)溫度。

（5）局部冷卻:對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┲攸c(diǎn)冷卻，避免局部過冷。如采用機(jī)柜列間空調(diào)、in-row 空調(diào)等。

（6）智能群控:通過各空調(diào)機(jī)組間的協(xié)同控制和優(yōu)化調(diào)度，匹配冷量供應(yīng)與 IT 負(fù)載需求。

（7）溫濕度優(yōu)化控制:根據(jù)機(jī)房實(shí)際熱濕負(fù)荷，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫濕度，減少過度除濕和再熱能耗。

（8）變頻調(diào)速:冷水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)等采用變頻調(diào)速，根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率，避免過量供冷。

（9）廢熱回收利用:對(duì)機(jī)房排風(fēng)進(jìn)行熱回收，如用于冬季取暖、夏季再生除濕等，提高能源梯級(jí)利用效率。