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檢測認證人脈交流通訊錄
- 淺談數據中心水冷空調系統的節能解決方案
隨著計算機科技的持續進步，其性能日益強大，運算速度大幅提升，同時設備體積也在不斷縮小。然而，這也導致了電子元件的排列日益緊密，從而使得計算機單位體積產生的熱量顯著增加。在數據中心的建設過程中，我們通過對空調系統進行精心的設計和優化，成功實現了能耗的大幅降低。
目前國內絕大部分數據中心采用風冷模塊式機房專用空調，這種做法具有安裝方便、系統簡單可靠、漏水yinhuan較小等優點，但風冷模塊式機房專用空調的能效較低。
數據中心工程采用冷凍水型制冷方式，冷凍站為數據中心及其輔助房間提供制冷所需的冷凍水，冷凍站按Tier4相關標準設計，即在地下三層建設2座完全物理分離的冷凍站。每座冷凍站均能滿足100％ 負荷時的制冷需求，并設有蓄冷裝置以保證滿足連續制冷的要求。
制冷主機部分配置板式換熱器，過渡季節及冬季可利用室外冷空氣進行部分或完全自然冷卻運行。以北京地區為例，可運行時間為4～5個月。1、水冷空調系統的基本構架
我國北方冬季及過渡季節氣溫較低，合理利用室外自然冷源可為數據中心降溫。水側節能器是利用室外空氣很低的濕球溫度條件產生低溫冷卻水，可部分或全部滿足數據中心的供冷要求。通過板式換熱器將冷卻水及冷凍水隔離、間接實現自然冷卻的方案，運行及控制雖較復雜，但能避免冷卻水直接進入機房專用空調冷卻盤管而產生污垢。
若采用串聯布置，當大氣的濕球溫度低至可使板式換熱器能滿足部分負荷時，冷凍水即可通過板式換熱器進行部分冷卻。在此模式下，冷凍水依次流經板式換熱器和冷水機組，通過板式換熱器降溫后的冷凍水再進入冷水機組，繼續降至冷凍水供水設定溫度。此過程獲得了很大一部分自然冷卻的運行時間，代價僅為額外增加將水送至板式換熱器和冷水機組所需的水泵能耗。一旦濕球溫度低到允許由板式換熱器全部供冷時，水流即可旁通冷水機組蒸發器以降低水泵壓頭，降低能耗。如圖1所示，夏季運行工況1：電動閥M1／M4及V1／V4關閉、M2／M3及V2／V3打開，冷水機組提供全部冷量。過渡季節(依靠自然冷卻不能滿足全部供冷要求時)運行工況2：電動閥M1／M3及V1／V3關閉、M2／M4及V2／V4打開，冷水機組及板式換熱器聯合提供所需冷量。冬季及過渡季節(依靠自然冷卻能夠滿足全部供冷要求時)運行工況3：電動閥M2／M3及V2／V3關閉、Ml／M4及Vl／V4打開，板式換熱器提供全部冷量。
根據北京地區的氣候條件，部分及全部自然冷卻工況全年可運行時間比例約為41％。為充分滿足數據中心冷負荷的需求，室外空氣的濕球溫度一般需比設計冷凍水溫度低4～6~C，這取決于冷卻塔的散熱能力和板式換熱器的換熱溫差。
若采用水側節能器的方案，需要換熱溫差較小的板式換熱器和較大的冷卻塔，在需要時要用電動閥控制水流的不同路徑。對于運行狀態的改變需要通過控制系統進行嚴密監控，以確保從冷水機組供冷到免費制冷之間能可靠、無縫過渡。
2 、冷水機組變頻驅動系統節能
數據中心冷水機組絕大部分時間均在部分負荷工況下運行，而最高效率點一般為60％～80％負荷。若負荷降低，冷水機組運行效率也將降低；而離心式冷水機組采用變頻調速裝置后，控制系統能同步調節導流葉片開關度和電機轉速，使冷水機組的運行效率大幅增加。圖2為某型冷水機組在不同的負荷比例下有無變頻器的運行效率對比。
使用變頻器后，離心式冷水機組主要從兩個方面實現節能：一是部分負荷運行狀態下的節能，二是低冷卻水溫度下的節能。
2.1 部分負荷狀態下運行的節能
通常在部分負荷下，定頻離心式冷水機組通過調節導流葉片開度來調節機組輸出冷量，最高效率點通常為60％～80％ 負荷，負荷降低單位冷量能耗增加較顯著；而變頻裝置不斷監測冷凍水溫度、冷凍水溫度設定值、冷媒壓力導流葉片開度和電機轉速等參數，
通過自適應容量控制邏輯定出有效的調節方法。它可優化電機轉速和導葉的開度，使機組運行轉速最小而效率最高，能耗達到最小。2.2 低冷卻水溫度狀態下運行的節能
在夜間或過渡季節，冷水機組冷卻水的溫度往往較低。對定頻冷水機組需有恒定的工作條件，即需有恒定的蒸發壓力和冷凝壓力，但冷卻水溫度降低后必然相應降低冷凝壓力，此時為滿足離心冷水機組的工作條件，只有通過關小進口導葉并減小輸氣量。從而調整離心冷水機組的工作點，以適應更低的冷凝壓力，以上調節會降低機組的效率，無端地消耗更多能量。而使用變頻器后，可通過調整壓縮機的轉速，以適應冷凝溫度的變化，最大限度地利用低冷卻水溫的節能效應，從而達到節能的目的。變頻離心機組還可通過變速和導流葉片協同調節容量。機組能測定當時的工作點，選擇相應的容量調節模式，并能精確地預測喘振區，從而可以在10％～100％負荷范圍內避免發生“喘振”現象。
3、冷凍水供水溫度及供回水溫差系統節能
冷凍水供水溫度提高至12℃ 時，冷水機組的運行效率可提高約15％；冷凍水供回水溫差提高至6℃時，會降低冷凍水泵的能耗。
冷水機組的運行效率與冷凍水的供水溫度、供回水溫差的關系，可通過分析圖3及圖4的曲線來得出結論。圖3曲線是在冷凍水溫差及冷卻水溫度恒定的情況下，某臺冷水機組的冷凍水供水溫度對冷水機組效率的影響。由圖3可看出，隨冷凍水供水溫度增高，冷水機組的運行效率也大幅度地提高，因此提高冷凍水的供水溫度能大幅降低電能消耗。常規空調系統冷凍水供水溫度一般設為7℃，冷水機組的運行效率約為5.5；而若將冷凍水供水溫度提高至12％，冷水機組的運行效率可達到6.9。本工程設計中將冷凍水供水溫度設置在10～12℃。
由圖4可看出，冷水機組效率隨冷凍水供回水溫差的變化瞌線十分平坦，即隨冷凍水溫差增高，冷水機組的運行效率無太大變化。對應于此特性，可適當增大冷凍水的供回水溫差，一般取6～8℃，減小冷凍水的循環流量，進而降低冷凍水泵的能耗；冷凍水供回水管道的管徑也可相應減小，以降低空調系統的初投資。
因提高冷凍水的供水溫度會影響到冷凍水型機房專用空調的選型及除濕運行，需在設計時予以解決。(1)數據中心內的計算機設備按冷熱通道的方式布置并采取冷通道封閉等措施嚴格隔離冷、熱空氣，以保證冷通道送冷風的設計溫度為17±1℃，熱通道回熱風的設計溫度為29±1℃，濕度為20％～80％。在此工況下選用主流品牌冷凍水型機房專用空調的制冷量均基本達到或略超過標稱制冷量，空調選型時無須放大空調的型號即能滿足機房的制冷需求。(2)供水溫度為12℃的冷凍水除濕能力不足，但由于數據中心內部無濕源(由于人員不常在數據中心內故可忽略)，唯一的濕空氣來源為新風帶入，因此可將送入數據中心的新風處理至室內空氣的露點溫度，以保證不增加室內空氣的濕度。
4、 冷卻水供水溫度及供回水溫差對系統節能的影響
冷水機組運行過程中，若冷卻水溫度發生變化會直接影響機組的制冷量和能效特性。當冷卻水溫度降低時，由于冷卻效果好，將使冷水機組獲得更低的冷凝溫度，從而增加冷水機組的制冷量，提高冷水機組的效率(圖5)。
由圖6可看出，隨冷卻水溫差增高，冷水機組的運行效率明顯下降。因此冷卻水溫差設計值不應過大，一般取5～6℃。
5 、冷凍水變頻二次泵對系統節能的影響
冷水機組冷凍水側采用一、二次泵的形式。一次泵定頻定流量運轉，保證冷水機組穩定運行；二次泵變頻變流量運轉，依據末端負荷的變化自動進行調整。由于二次泵可根據實際需要進行變頻調整，大幅降低了部分負荷時的水泵能耗。
6、 冷卻塔選型對系統節能的影響
冷卻塔是整個空調系統對外散熱的裝置，其型號選擇影響整個空調系統能否正常運行。本工程空調系統的冷卻塔全年不間斷運轉，且分為夏季散熱、冬季自然冷卻二個不同的運行工況。
在夏季，冷卻塔的最小散熱功能須在最大設計室外濕球溫度下能滿足全負荷時所需的散熱要求；在冬季，較寒冷地區的數據中心內仍需供冷時，冷卻塔將會被利用作為制冷冷源，利用較低的室外氣候條件將冷卻水降溫并循環至板式熱交換器進行換熱，產生較低溫的冷凍水，以達到數據中心內計算機設備的散熱要求。
在冬季工況下，空調系統運行在自然冷卻模式下，冷水機組不啟動，僅依靠冷卻塔來直接散熱。
雖然室外溫度和濕度較低，但同時冷卻水運行溫度也降得很低，水分子蒸發能力下降，導致冷卻塔的蒸發散熱量大幅降低。因此只能加大冷卻塔的散熱面積，增大依靠溫差換熱部分的散熱量，使冷卻塔滿足全年的散熱要求。一般情況下，冬季運行工況下選出的冷卻塔容量約為在夏季運行工況下選出的冷卻塔容量的1.5～3倍。每組冷卻塔風機均設置變頻器，若冷卻水管上的溫度低于設定值時，冷卻塔的風機將由高速轉至低速；若水溫繼續下降，冷卻塔風機將會停止工作以節省能源。此時單靠冷卻塔循環水灑水，自然風冷。
冬季運行期間，冷卻水總供、回水管I司應設旁通調節閥控制旁通水量，以免出現冷卻塔進水溫度過低的現象。在一定的冷卻負荷下，不同冷卻塔的風機能耗差別很大。為使冷卻塔高效運行，應對比不同品牌、不同型號的多種冷卻塔，對冷卻塔進行優化。
7 、機房專用空調控制方式對系統節能的影響
常規冷凍水型機房專用空調是依靠回風溫度調節冷凍水管路上的電動兩通調節閥的開度，而風機送風轉速一般恒定不變，此種控制方式能保證數據中心內的空氣溫度，但對冷通道封閉的數據中心內相當于控制了熱通道的溫度，而無法控制對計算機設備散熱更為重要的冷通道溫度，顯然不合適也不節能。
改進后的機房專用空調控制方式為：依靠送風溫度調節冷凍水管路上的電動兩通調節閥的開度，依靠地板下靜壓控制EC風機的轉速。
對于幾乎所有的計算機設備，進風溫度不高于28℃可滿足散熱要求，因此機房專用空調的送風溫度設置在17±1℃，這樣既可滿足設備散熱要求，又不會出現過度冷卻而造成浪費能源。地板下安裝靜壓傳感器，一般設定靜壓值約為2OPa，依靠調整EC風機的轉速來保證地板下的靜壓恒定，以保證冷風送風量。當機柜內計算機設備增加或減少時，僅調整相應的地板送風口的開度即可。
8 、機房內濕度控制方式對系統節能的影響
為抑制靜電及塵土的產生，數據中心內的空氣需保持一定的濕度，國家現行機房設計規范規定的相對濕度范圍為40％～55％。北方地區冬季干燥寒冷，需設置加濕裝置才能滿足達到至少40％的相對濕度要求。
數據中心的特點是計算機設備發熱量大，即使在寒冷的冬季也存在大量余熱，故適合選用濕膜式加濕器。加濕水在濕膜表面蒸發，該過程中由于總熱交換量近似為零，空氣的顯熱量減少，潛熱量增加，二者近似相等，水蒸發所需熱量取自空氣本身，因此濕膜式加濕器的加濕過程為等焓加濕(圖7)。A點為溫度28．0℃ 、相對濕度20％，其對應的含濕量為4.68g／(kg干)，若加濕至含濕量7.00g／(kg干)，則從A點沿等焓線與含濕量7.00g／(干)線相交的B點即加濕后的空氣狀態點，可查得B點為溫度22.2℃、相對濕度42.1％。
濕膜式加濕器在加濕的同時吸收機房的余熱，分擔了空調系統的部分負荷，降低了空調系統的能耗。與電極式、電熱式或者遠紅外式加濕器相比，其自身的耗電量也小得多。
9、空調系統的最優控制
本工程空調系統廣泛采用分布式控制，即控制模塊集成的數字控制系統。為實現集成數據采集和控制，各自具有次級處理特定功能的所有模塊相互連接，操作人員一般通過計算機控制大多數設定值和控制系統的其他相關內容。由于控制器具有獨立的控制能力，故監控計算機系統故障并不會使整個空調系統癱瘓，空調系統可在控制器的控制下繼續運行。
合理的設計和設置控制器可獲得可靠性和節能效果。實現可靠性主要是通過提供冗余的機械系統；而控制器自帶的控制程序能在不損害可靠性的情況下使機械系統獲得很高效能，從而達到節能的目的。
9.1 提高空調的設定溫度
數據中心機房專用空調的設定溫度一般為23±1℃ ，個別機房專用空調溫度控制得很低，甚至為20℃，能源浪費嚴重，因此合理設定機房空調的溫度十分重要。隨著服務器的功能的提升，數據中心機房環境溫度可為28℃；依據部分服務器的性能指標，機箱內溫度在40℃以下都可正常運行。因此適當提高機房環境的溫度對空調系統的節能作用明顯，尤其在冷通道封閉的數據中心內。
合理提高機房設定溫度節能效果及優點為：(1)可降低室內外傳熱溫差，從而降低因圍護結構傳熱形成的空調負荷；(2)可降低新風形成的空調負荷；(3)空調的蒸發溫度相應提高，制冷系數提高，機房回風溫度每提高1℃，機房空調的耗電量能節約2％-5％。
9.2 濕度控制
由于室內人員較少，因此數據中心內產濕量很小，這為大型數據中心提供了高效集中控制濕度的可能。將送入數據中心的新風處理至室內空氣的露點溫度，不會增加中心內的濕度，可避免加濕及除濕同時運行，室內冷卻盤管也可在干工況下運行。冬季較低的相對濕度設定值可減少蒸汽量或其他加濕能源，從而降低運行費用；因減小潛熱冷量，夏季設定較高的相對濕度設定值，同樣可降低運行費用。
9.3 機房專用空調EC風機的控制
機房專用空調配置EC風機，可根據需要調節轉速。在地板下安裝靜壓傳感器，一般設定靜壓值為20Pa，依靠調整EC風機的轉速來保證地板下的靜壓，以保證冷風送風量。當機柜內計算機設備增加或減少時，僅調整相應的地板送風口的開度即可。
9.4 部分負荷下運行控制
數據中心空調系統很少會一直在滿負荷工況下工作，因此部分負荷時的工作效率對系統的節能性影響很大。
為獲得部分符合工況下的高工作效率，應選擇帶有變頻控制裝置的冷水機組，冷凍水二次泵、冷卻塔風機等也應配置變頻控制裝置。風機、水泵的輸入功率通常與轉速的立方成正比，因此風機轉速降低10％，可使能耗降低27％；風機轉速降低20％，可使能耗降低49％。采用變頻裝置取代導葉和節流閥等，可在節能的同時顯著改善系統的控制。
9.5 新風控制
數據中心通常設有獨立的新風系統，以控制房間正壓及濕度。在正常的數據中心內濕負荷相當小，顯熱負荷相當大，因此獨立的新風系統可向房間提供正壓防止滲透，則設施的加濕及除濕要求可由新風系統滿足。將新風冷卻盤管的露點溫度維持在數據中心內環境的露點溫度以下，設施的冷卻盤管即在干工況下運行，可避免出現這些盤管既進行冷卻又進行除濕的低效率情況。
由于室外新風處理至室內空氣的露點溫度之下需消耗大量能源，故在保持數據中心正壓的前提下，盡量減小新風量為很好的節能措施。為此，進入每個數據中心的新風管道均設置VAV BOX末端，以機房與走廊或室外的壓差來控制送入的新風量；新風處理機組的風機也采用變頻控制，依據需要調整運行頻率，以達到節能目的。
9.6 機房專用空調的群控
數據中心機房專用空調存在競爭運行的情況，由于各臺空調位置不同，受氣流組織的影響，空調的運行狀態也不同，有的在制冷，有的在溫度較低的情況下加熱，還有的在加濕，有的在除濕，上述相互競爭的運行狀態造成了能源的極大浪費。
通過采用通訊線纜連接多臺機組，可實現組網群控功能，網內機組間能實現主備切換、輪換運轉、層疊、主機報警／斷電備機啟動等功能。多臺機房專用空調通過控制器群控帶來的效益主要包括：提升了整體效率，避免了機組間的競爭運行，優化了溫濕度的控制精度，最終帶來的是數據中心的節能安全和機組壽命的延長。
9.7 部分自然冷卻的引入當冷卻塔出水溫度低于冷凍水回水溫度1℃以上但還不能實現完全自然冷卻時，控制系統將水側節能器和冷水機組進行串聯運行，冷凍水先部分冷卻，然后再進入冷水機組冷卻至設定溫度。北京地區全年約有20％的時間可在部分自然冷卻的工況下運行，可節約約10％ 的電能。
10、 數據中心水冷空調系統的節能解決方案總結(1)采用板式換熱器進行自然冷卻的方案節能效果明顯，并聯式布置年平均節能約20％～25％，串聯式布置年平均節能約30％～35％。(2)提高冷凍水供水溫度及機房專用空調的送風溫度，不僅能提高冷水機組的工作效率，且在一定的氣候條件下還能顯著增加自然冷卻的運行時間。(3)冷水機組、冷凍水二次泵、冷卻塔風機等采用變頻控制裝置，可顯著提高部分負荷工況下的運行效率。(4)在保證正壓的前提下，盡量減小新風量能節約較大部分能源。(5)集中控制濕度，可避免機房專用空調競爭運行造成的能源浪費。(6)適當加大冷卻塔型號及降低板式換熱器的換熱溫差，能延長自然冷卻工況的運行時間。
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