崔劍鋒， 蘆 巖， 劉 亮， 宋 寧

(中國建筑科學(xué)研究院, 北京 100013)

依據(jù)《北京市公共機(jī)構(gòu)綠色數(shù)據(jù)中心評價標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》的定義，數(shù)據(jù)中心是主要用于電子信息處理、存儲、交換和傳輸設(shè)備的安裝和運(yùn)行的建筑空間，包括服務(wù)器機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、存儲機(jī)房等功能區(qū)域。

1 數(shù)據(jù)中心的RAS指標(biāo)

數(shù)據(jù)中心近年來在我國的發(fā)展和建設(shè)相當(dāng)迅速，全國各地建成的不同規(guī)模和不同等級的數(shù)據(jù)機(jī)房也不計其數(shù)。數(shù)據(jù)中心的建設(shè)對于RAS要求非常高——可靠性(Reliability)、可用性(Availability)和可服務(wù)性(Serviceability)。由于IT設(shè)備空調(diào)制冷系統(tǒng)造成的宕機(jī)，會引起服務(wù)的局部癱瘓和中斷。國外某調(diào)研機(jī)構(gòu)曾有一組數(shù)字說明不同行業(yè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)中斷帶來的金錢損失：大型數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器宕機(jī)1 min，平均會使運(yùn)輸業(yè)損失15萬美元，銀行業(yè)損失27萬美元，通信業(yè)損失35萬美元，制造業(yè)損失42萬美元，證券業(yè)損失45萬美元……這直接從經(jīng)濟(jì)效益的角度解釋了穩(wěn)定性和可靠性對數(shù)據(jù)中心多么的重要。數(shù)據(jù)中心為了達(dá)到RAS的高標(biāo)準(zhǔn)，配備的很多設(shè)備和線路(包括空調(diào)系統(tǒng))都設(shè)計有冗余，而這不僅帶來投資、占地的加大，也造成了技術(shù)實(shí)施、運(yùn)行管理的復(fù)雜性。

2 數(shù)據(jù)中心的能效指標(biāo)

數(shù)據(jù)中心能耗的一般構(gòu)成如圖1所示。實(shí)際由于項(xiàng)目的不同，圖中各項(xiàng)能耗的分配占比也對應(yīng)有所變化。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成示意

為引導(dǎo)和規(guī)范全球IT行業(yè)的節(jié)能，國際組織(Green Grid)提出PUE(Power Usage Effectiveness)和DCiE(Date Center Efficiency)能效指標(biāo)。

PUE反映的是機(jī)房的總體能源使用效率，即：為滿足IT設(shè)備的供電要求,機(jī)房的總供電率，PUE值越小越好，PUE的最小值趨近1；而DCiE反映的是機(jī)房IT設(shè)備占機(jī)房總能耗的比率，即IT設(shè)備的能耗占機(jī)房總能耗的比例，DCiE值越大越好，DCiE的最大值趨近1。依據(jù)PUE的能效指標(biāo)來衡量，目前中國在網(wǎng)運(yùn)行的大部分機(jī)房，其PUE值在2～3之間。根據(jù)最新的產(chǎn)品技術(shù)水平和機(jī)房設(shè)計水平，PUE值能提高至1.6～1.8的水平，而Google則在試驗(yàn)PUE為1.2的機(jī)房。

2.1 能耗分析

目前，數(shù)據(jù)中心能耗考察指標(biāo)PUE的概念已深入人心，但是如何根據(jù)項(xiàng)目本身特點(diǎn)，有效降低PUE，不同的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的建設(shè)措施卻是各有千秋。眾所周知，數(shù)據(jù)中心PUE降低的關(guān)鍵在于空調(diào)能耗的降低，而如何經(jīng)濟(jì)有效地降低其能耗，研究和推廣數(shù)據(jù)中心的綠色空調(diào)技術(shù)就顯得十分重要。

數(shù)據(jù)中心空調(diào)的特點(diǎn)：由于數(shù)據(jù)中心的發(fā)熱量很大，且要求在特定一個允許的溫濕度范圍內(nèi)長期連續(xù)運(yùn)行，因此能適合其使用的空調(diào)系統(tǒng)要求可靠性高(一般設(shè)計都有N+1或N+2的冗余備機(jī))、制冷量大、小溫差和大風(fēng)量。

一般說來，大型數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)荷從開始到滿載也需要較長的時間(可能好幾年)。由于受到室外全年氣溫變化的影響，以及IT負(fù)載的能耗和網(wǎng)絡(luò)訪問量或運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。比如，游戲服務(wù)器在早上的負(fù)載和能耗都比較低，但在晚上就比較高；視頻服務(wù)器在遇到重大事件時的負(fù)載和能耗就比較高(表1)。數(shù)據(jù)中心虛擬化的發(fā)展，使得數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備在不同時間和不同空間上的運(yùn)行發(fā)熱量都是變化的，因此數(shù)據(jù)中心的空調(diào)設(shè)計和運(yùn)營，必須與之相適應(yīng)。

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》，A類和B類機(jī)房的主機(jī)房溫度要求保持在23±1 ℃，也就是22～24 ℃之間(設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)目前正在修編之中)。ANSI/TIA-942-2005《Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers》中規(guī)定冷通道溫度為華氏68～77 °F，也就是20～25 ℃之間。美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(ASHRAE)2008年新的機(jī)房冷通道溫度，已經(jīng)從2004年的20～25 ℃提高到2011版本的18～27 ℃，同時對室內(nèi)相對濕度的要求，也放寬到露點(diǎn)溫度5.5～15 ℃。從而大幅減少了機(jī)房內(nèi)因需要嚴(yán)格控制溫濕度范圍，而在制冷、加熱、除濕、加濕空調(diào)處理過程中帶來的額外能耗。

表1 數(shù)據(jù)中心主要功能房間溫、濕度設(shè)計參數(shù)

“恒溫恒濕”是許多人以前對數(shù)據(jù)中心空調(diào)認(rèn)識的一個誤區(qū)，從表1可以看出，其實(shí)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的環(huán)境溫、濕度并非很嚴(yán)苛的精度控制要求。這將會帶來數(shù)據(jù)中心建筑熱工設(shè)計以及空調(diào)設(shè)計觀念上的重要變化。例如氣候溫和地區(qū)的主機(jī)房不一定非得設(shè)置在數(shù)據(jù)中心建筑的內(nèi)區(qū)；在考慮到圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的“防結(jié)露”措施后，不要過多地加厚機(jī)房區(qū)外墻的絕熱層。盡量利用溫、濕度獨(dú)立分控的方式調(diào)節(jié)IT設(shè)備區(qū)域的溫濕度，提高冷卻水溫去除機(jī)房內(nèi)IT等設(shè)備散發(fā)的大量顯熱，僅對維持室內(nèi)正壓潔凈及人員衛(wèi)生需求的新風(fēng)，施之以必要的溫濕度處理，從而極大地降低了傳統(tǒng)冷機(jī)為獲取低溫而采取較低蒸發(fā)制冷溫度(7～12 ℃)除濕帶來的制冷設(shè)備高能耗,以及為了維持室內(nèi)相對濕度再進(jìn)行加濕處理(通常使用電極或電熱式)額外的高能耗。

另外，數(shù)據(jù)中心里空氣處理的潔凈度，對于機(jī)房內(nèi)的IT設(shè)備正常使用也是至關(guān)重要。利用“風(fēng)側(cè)免費(fèi)制冷”是有嚴(yán)苛條件的，它不僅要求室外空氣溫度低，而且要求濕度適宜、潔凈度必須很高。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)通常僅設(shè)置初效和中效兩級過濾，當(dāng)周邊空氣中帶有粉塵、硫化物、酸堿性物質(zhì)的低品質(zhì)空氣直接進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，將腐蝕IT設(shè)備，甚至帶來設(shè)備短路。如果要對這樣的空氣進(jìn)行過濾、干燥、凈化燈處理，又將大大增加空調(diào)系統(tǒng)的處理能耗，與利用“水側(cè)免費(fèi)制冷”相比，反而會得不償失。

2.2 空調(diào)冷源系統(tǒng)形式

數(shù)據(jù)中心的常規(guī)空調(diào)冷源系統(tǒng)形式主要有：

(1)風(fēng)冷型機(jī)房空調(diào)。較適用于中、小型數(shù)據(jù)中心，以及嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)或者缺水地區(qū)。

(2)水冷型機(jī)房空調(diào)。較適用于非嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)的大、中型數(shù)據(jù)中心，但不大適合缺水地區(qū)。

(3)風(fēng)冷/水冷的雙冷源型精密空調(diào)。結(jié)合了水冷制冷效率高以及風(fēng)冷無需擔(dān)心結(jié)凍的風(fēng)險，增強(qiáng)了地域的適應(yīng)性，但也相應(yīng)增加了設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用。

(4)下送風(fēng)上回風(fēng)的IT機(jī)房空調(diào)氣流組織形式；精密空調(diào)常規(guī)的送風(fēng)方式有多種，典型的氣流組織包括“下送風(fēng)上回風(fēng)”和“上送風(fēng)下回風(fēng)”。下送風(fēng)上回風(fēng)的方式有幾方面明顯的優(yōu)勢：下送風(fēng)方式，可將強(qiáng)、弱電線纜在機(jī)架上方分層鋪設(shè)，地板下不走線，僅作通風(fēng)用途，既保障了機(jī)房防火的安全，又保障了冷風(fēng)遠(yuǎn)程傳送的順暢；上送風(fēng)下回風(fēng)的氣流組織不適用于高發(fā)熱量IDC，相比之下制冷效率較低下。

(5)水冷機(jī)房空調(diào)主機(jī)結(jié)合開放式冷卻塔與板式換熱器在過渡季節(jié)及冬季供冷。

(6)閉式冷卻塔供冷(嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)循環(huán)接至采用防凍液)的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)。

后面兩種實(shí)際是較常見的，利用 “水側(cè)免費(fèi)制冷”的一種方式(冷源系統(tǒng)僅循環(huán)水泵耗電)。當(dāng)室外空氣濕球溫度在4 ℃以下時可以滿足完全自然冷卻(此時無需額外啟動制冷設(shè)備高耗能的壓縮機(jī))，在濕球溫度4～10 ℃之間可是實(shí)現(xiàn)部分自然冷卻。在北京，一年內(nèi)平均有5個月左右可以實(shí)現(xiàn)完全自然冷卻，有2個月左右可以實(shí)現(xiàn)部分自然冷卻，節(jié)能效果會非常明顯的。

3 綠色空調(diào)技術(shù)

低碳、綠色是數(shù)據(jù)中心建設(shè)的發(fā)展潮流。所謂的綠色數(shù)據(jù)中心，則是指在全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材)、減少溫室氣體排放，提供適用和高效的信息技術(shù)服務(wù)，與自然和諧共生的數(shù)據(jù)中心。在機(jī)房建設(shè)中引入綠色I(xiàn)T理念，以建設(shè)綠色節(jié)能機(jī)房為目標(biāo)，將低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排理念引入新機(jī)房的建設(shè)，促進(jìn)降低能源消耗水平，減少二氧化碳等溫室氣體的排放。

該評價標(biāo)準(zhǔn)的控制項(xiàng)對于綠色數(shù)據(jù)中心PUE的考察指標(biāo)為：大型數(shù)據(jù)中心PUE值不高于1.8。中小型數(shù)據(jù)中心PUE值不高于2.0。制定的目標(biāo)適中，其實(shí)達(dá)到該要求并不難，但如果追求真正極致的數(shù)據(jù)中心“綠色空調(diào)技術(shù)”，還是十分不容易的。

評價標(biāo)準(zhǔn)對于數(shù)據(jù)中心的空調(diào)制冷系統(tǒng)達(dá)到綠色目標(biāo)的重點(diǎn)規(guī)劃如下。

3.1 一般項(xiàng)

(1)能耗采集方式為自動采集，PUE值根據(jù)采集電量測算，定期統(tǒng)計、計算分析PUE等指標(biāo)。

(2)數(shù)據(jù)中心規(guī)劃以“重點(diǎn)冷卻IT設(shè)備”為原則。

(3)未出現(xiàn)局部過冷或過熱現(xiàn)象。

(4)采用自然冷卻技術(shù)。

(5)室內(nèi)外溫差超過10 ℃時，自然冷卻空調(diào)機(jī)組能效比(EER)應(yīng)不小于8.0。

(6)定期統(tǒng)計、計算分析PUE等指標(biāo)。

(7)將數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能納入本單位考核指標(biāo)。

3.2 優(yōu)選項(xiàng)

(1)制冷設(shè)備采用智能控制管理技術(shù)，應(yīng)通過空調(diào)機(jī)組群控軟件，實(shí)現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制，根據(jù)每列機(jī)架的實(shí)時散熱量，動態(tài)調(diào)節(jié)空調(diào)的制冷量。

(2)采用機(jī)柜級冷卻設(shè)計。

(3)對自身產(chǎn)生的熱量進(jìn)行再利用。

(4)向業(yè)界公開綠色節(jié)能最佳實(shí)踐，促進(jìn)節(jié)能技術(shù)的推廣。

3.3 綠色空調(diào)技術(shù)

(1)采用具備過渡季節(jié)和冬季自然冷卻功能的風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組；該類型空調(diào)機(jī)組比較適合位于我國嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)數(shù)據(jù)中心，同時需要考慮到冬季防凍的問題。

(2)間接蒸發(fā)冷卻且具備自然冷卻功能的水冷型空調(diào)機(jī)組；該類型空調(diào)機(jī)組比較適合位于我國氣候比較干燥的西北地區(qū)，或者室外年平均相對濕度不太高的“夏熱冬冷”地區(qū)的數(shù)據(jù)中心，位于寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)不常見，其蒸發(fā)循環(huán)水是特制的防凍液。

(3)完善氣流組織，為了能達(dá)到滿意的制冷效果，一方面需要根據(jù)機(jī)架的出風(fēng)開口面積與風(fēng)量需求設(shè)定合適的出風(fēng)壓力(即氣流的靜壓流速)；另外也需要根據(jù)機(jī)架的不同功率密度情況設(shè)置相應(yīng)的約束氣流措施：低功率密度(P≤4 kW)：可單純采用下送風(fēng)方式，此方式下要求機(jī)架前方有效出風(fēng)口面積不小于機(jī)架截面的20 %(約0.12 m2)，當(dāng)功率大于中功率密度(4 kW≤P≤8 kW)時且機(jī)架進(jìn)風(fēng)面積無法滿足時，可以在機(jī)架頂安裝風(fēng)量和風(fēng)壓相當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)，以形成有效的約束氣流和滿足熱交換條件。

封閉冷、熱通道的下送上回空調(diào)系統(tǒng)，優(yōu)先提高IT設(shè)備的冷卻效率，避免機(jī)房內(nèi)冷熱氣流摻混，影響機(jī)柜高區(qū)的散熱以及機(jī)房空調(diào)的制冷效率，減少機(jī)房無謂的冷損失；通常機(jī)房空調(diào)設(shè)備正面與每排IT設(shè)備垂直布置，與熱流通道對齊，會使得空調(diào)送、回風(fēng)的流動路徑最短，減少空調(diào)送風(fēng)機(jī)的能耗。

(4)熱管空調(diào)：熱管是利用溫差、工質(zhì)相變、重力與吸附原理的高效傳熱技術(shù)產(chǎn)品，其空調(diào)制冷高效且安全可靠，通常有分布式與頂置式系統(tǒng)。集裝箱數(shù)據(jù)中心和高功率密度的IT柜背板有強(qiáng)制對流換熱(水、液態(tài)氟利昂或CO2)，通過高效的熱管冷凝器交換熱量后，再通過冷媒系統(tǒng)進(jìn)入室外的中、高溫冷水機(jī)組或者風(fēng)冷機(jī)組制冷，并可以利用室外的“風(fēng)側(cè)免費(fèi)制冷”。

冷媒相變的溫度設(shè)計通常為12～18 ℃，已經(jīng)高于該處空氣的露點(diǎn)溫度，完全不會除濕，也就不需要加濕。冷卻末端直接靠近熱源，避免了中、高熱密度機(jī)柜出現(xiàn)局部的熱點(diǎn)而宕機(jī)。

(5)冷機(jī)壓縮機(jī)變?nèi)萘靠刂?、送風(fēng)的風(fēng)量或風(fēng)壓智能控制、夜間制冷等。

(6)為了避免臨時停電帶來的制冷系統(tǒng)全面停止工作，在利用UPS以及柴油發(fā)電機(jī)對必要空調(diào)設(shè)備供電的情況下，采用蓄冷(水蓄冷較多)設(shè)施，保證不低于20 min的空調(diào)供冷時間，滿足數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備在臨時停電期正常工作的需要。

(7)利用機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的持續(xù)排熱，為數(shù)據(jù)中心相鄰的辦公等輔助用房進(jìn)行采暖或空調(diào)供熱，提供能源利用率。

(8)LPG/NPG在氣化過程中的大量釋冷，用來冷卻數(shù)據(jù)中心設(shè)備的發(fā)熱，而氣化后的LPG/NPG，可以在CCHP“冷熱電三聯(lián)”供循環(huán)中為數(shù)據(jù)中心提供持續(xù)可靠的電力以及冷卻所需的補(bǔ)充冷量，使得備用性更高。

(9)太陽能、風(fēng)能、水力發(fā)電等可再生能源，直接供應(yīng)到數(shù)據(jù)中心。

(10)風(fēng)墻(FAN WALL)：將外部的冷空氣輸送入數(shù)據(jù)中心，無需經(jīng)過常規(guī)的、最大消耗電能的空調(diào)制冷環(huán)節(jié)，帶走熱量，這就要求自然冷卻的出入通風(fēng)口要設(shè)計合理。讓冷空氣能夠經(jīng)過散熱的設(shè)備，并將熱量送向出風(fēng)口。由于進(jìn)入的冷空氣溫度時高時低，避免溫度的變化對運(yùn)行的設(shè)備造成影響，空調(diào)系統(tǒng)還是要做調(diào)節(jié)，進(jìn)行輔助調(diào)溫，空調(diào)系統(tǒng)可以處于半工作狀態(tài)，也能達(dá)到部分節(jié)能，讓數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的溫度在2 ℃以內(nèi)波動，這樣對數(shù)據(jù)中心設(shè)備的影響最小?？照{(diào)系統(tǒng)時時啟到數(shù)據(jù)中心內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)控作用。

(11)降低IT設(shè)備的能耗，采用智能布線系統(tǒng)以減少空調(diào)能耗。綠色機(jī)房的布線應(yīng)該更多的考慮采用光纖布線而不是銅纜，因?yàn)榄h(huán)保光線在傳輸距離和功耗上都優(yōu)于銅纜。對布線系統(tǒng)各個方面的節(jié)約，降低整個IT設(shè)備的消耗和排放。而盲板是安裝在機(jī)柜內(nèi)用于阻隔機(jī)柜中的空閑空間，起到美觀與分隔機(jī)柜內(nèi)冷、熱空氣的作用，盲板的安裝同樣能降低機(jī)房的制冷能耗。

3.4 科學(xué)運(yùn)營維護(hù)，節(jié)約能源

(1)因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行要求的連續(xù)性，冷凍水的進(jìn)水和回水管道都要設(shè)計成環(huán)路，大型數(shù)據(jù)中心可能設(shè)計成二級或三級環(huán)路，這樣在局部冷凍水管道或閥門發(fā)生故障時可以關(guān)閉相鄰的閥門進(jìn)行在線維護(hù)和維修。為了便于日后的維護(hù)、維修、更換和擴(kuò)展，需要安裝設(shè)計相當(dāng)多的閥門。冷凍水管和冷 卻水管不允許經(jīng)過機(jī)房區(qū)域。在水管經(jīng)過的區(qū)域需要設(shè)置下水道和漏水報警設(shè)備。為了節(jié)能和防止冷凝水，冷凍水管和冷卻水管都要采取嚴(yán)格的保溫措施。

(2)大型數(shù)據(jù)中心通過運(yùn)營維護(hù)可以大大提高空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效率。常用的運(yùn)營維護(hù)措施包括以下方面：人走關(guān)燈和關(guān)閉大屏幕顯示器，減少照明產(chǎn)生的能耗以及相應(yīng)增加的制冷量。盡量減少運(yùn)行新風(fēng)系統(tǒng)。在機(jī)房無人時關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的新風(fēng)系統(tǒng)。建議冷通道的溫度不低于25 ℃。定期檢查冷通道的溫度以免過度制冷造成能源浪費(fèi)。定期檢查地板，防止各種方式的漏風(fēng)。 冷通道必須完全封閉，機(jī)柜上沒有設(shè)備的區(qū)域必須安裝盲板，沒有負(fù)荷的機(jī)柜區(qū)域不能安裝通風(fēng)地板。每次設(shè)備變更，都要進(jìn)行檢查。

(3)在能夠滿足制冷的條件下盡可能提高空調(diào)冷水的溫度，最高為12～18 ℃。在氣象環(huán)境滿足的條件下，盡量使用全自然或半自然的免費(fèi)制冷。

(4)定期核對數(shù)字采集數(shù)據(jù)和模擬顯示儀表的數(shù)據(jù)是否一致，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在誤差，立即更換有關(guān)采集設(shè)備或儀表。

(5)對于還沒有使用的獨(dú)立機(jī)房區(qū)域，關(guān)閉所有機(jī)電設(shè)備，包括冷凍水管道的閥門。

(6)定期檢修和清洗冷凍機(jī)組內(nèi)的銅管和冷卻塔，確保其工作在最佳狀態(tài)。

(7)對于低負(fù)荷的機(jī)房，如果精密空調(diào)沒有EC風(fēng)機(jī)，就要關(guān)閉相應(yīng)的空調(diào)，如果是EC風(fēng)機(jī)，要通過實(shí)踐摸索出更節(jié)能空調(diào)運(yùn)行方式。

表2是國內(nèi)、外某些PUE較低的知名數(shù)據(jù)中心，采取的綠色空調(diào)技術(shù)。

表2 國內(nèi)外表某些知名數(shù)據(jù)中心空調(diào)技術(shù)一覽表