劉姝瑋

摘?要：互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的蓬勃發(fā)展使其重要基礎(chǔ)設(shè)施之一的數(shù)據(jù)中心體現(xiàn)出規(guī)模大，能耗高，可用度和可維護(hù)性要求也極高的特點(diǎn)。大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，使用時(shí)耗能大，以環(huán)保為核心的大趨勢下，節(jié)能是各類系統(tǒng)優(yōu)化的基本方向。本文分析了大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)、設(shè)置方式和節(jié)能技術(shù)措施，為今后數(shù)據(jù)中心或智能化控制中心項(xiàng)目建設(shè)提供制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：空調(diào)制冷系統(tǒng);節(jié)能技術(shù);水蓄冷

我國已大步邁入數(shù)字化、信息化、智能化的時(shí)代，產(chǎn)業(yè)和結(jié)構(gòu)升級調(diào)整催生了新興的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，工程建設(shè)領(lǐng)域也緊跟時(shí)代步伐不斷推陳出新，滿足精益化、節(jié)能化、環(huán)保化的大眾需求。數(shù)據(jù)中心設(shè)備產(chǎn)熱量高，空調(diào)制冷系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的冷負(fù)荷大，運(yùn)行電耗成本高，對安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求等因素都需要建設(shè)、設(shè)計(jì)、使用等單位的高度重視。

一、大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)

大型數(shù)據(jù)中心包含IT機(jī)房（含空調(diào)用戶設(shè)施），空調(diào)機(jī)房制冷系統(tǒng)，電力機(jī)房供電系統(tǒng)三大基礎(chǔ)性資源[1]。數(shù)據(jù)中心占地面積大，全生命周期內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)制冷能耗成本占比高;數(shù)據(jù)中心全年不間斷運(yùn)行，對制冷系統(tǒng)和電力供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置提出更高要求;且建設(shè)階段要兼顧空調(diào)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控和維修保養(yǎng)，集中管理，及時(shí)反饋，便于操作，縮短故障設(shè)備恢復(fù)使用時(shí)間，甚至智能預(yù)測和診斷。

分散式空調(diào)能效低，故大型數(shù)據(jù)中心一般多采用集中式水冷空調(diào)系統(tǒng)來降低能耗，數(shù)據(jù)中心制冷負(fù)荷大，空調(diào)冷卻系統(tǒng)需設(shè)多臺大冷量冷水機(jī)組才能滿足使用，依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017的要求，數(shù)據(jù)中心按重要程度可劃分A級、B級和C級，A級對設(shè)備備用系數(shù)要求最高，按制冷主機(jī)和水泵、冷卻塔、IT機(jī)房專用空調(diào)為N+x冗余，配套冷凍和冷卻水管為雙供雙回，環(huán)形布置，保證數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的高可用性和可維護(hù)性。

二、大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的設(shè)置

（一）空調(diào)機(jī)房制冷系統(tǒng)的兩種連接方式

利用水冷式空調(diào)冷卻系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心散熱，為其提供符合運(yùn)行要求的環(huán)境。

空調(diào)機(jī)房冷凍系統(tǒng)連接方式有兩種，一種為單臺冷凍水泵、冷水機(jī)組和冷卻塔等設(shè)備串聯(lián)連接，再與其它串聯(lián)組并聯(lián)，各串聯(lián)組均與空調(diào)冷凍水和上塔冷卻水供/回水總管連接，形成一個(gè)大的系統(tǒng)，各串聯(lián)組間獨(dú)立，組內(nèi)任一設(shè)備發(fā)生故障均會影響該套冷水機(jī)組使用，導(dǎo)致備用冷水機(jī)組的啟動(dòng)。

另一種為設(shè)備組群方式，將冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻塔等同類型設(shè)備先分別并聯(lián)形成設(shè)備組，不同的設(shè)備組間設(shè)公共干管彼此連通，該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是幾套設(shè)備間形成一對多的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)某一臺水泵發(fā)生故障時(shí)，只需切換閥門啟動(dòng)1臺備用水泵即可，不會影響冷水機(jī)組等其它設(shè)備的運(yùn)行情況，系統(tǒng)可用度高，調(diào)節(jié)方式也更加靈活。在現(xiàn)已運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心中兩種方式都有實(shí)際工程案例[2]，而設(shè)備組群方式更適于可靠性要求高的數(shù)據(jù)中心。

（二） IT機(jī)房空調(diào)設(shè)備的四種類型

IT機(jī)房空調(diào)用戶設(shè)備的選擇也會影響數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的整體能耗，一般有如下四種類型：房間級精密空調(diào)產(chǎn)品適用于傳統(tǒng)中低熱密度數(shù)據(jù)中心的散熱需求;行級精密空調(diào)產(chǎn)品多應(yīng)用于模塊化等高熱密度數(shù)據(jù)中心;機(jī)柜級空調(diào)產(chǎn)品與服務(wù)器熱源更接近，節(jié)能高效;元件級制冷空調(diào)采用液冷技術(shù)，直接冷卻服務(wù)器主要發(fā)熱元件，最為先進(jìn)。

三、數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)

基于大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文列出了如下六種節(jié)能措施。

（一）利用自然冷源

機(jī)房內(nèi)的空調(diào)每天都進(jìn)行制冷處理，換季的時(shí)候室外溫度比室內(nèi)溫度低的時(shí)候，自然界具有大量的冷源，怎樣運(yùn)用大自然的冷源實(shí)現(xiàn)冷卻是機(jī)房空調(diào)節(jié)能減排的關(guān)鍵所在[3]，常用技術(shù)有利用開式冷卻塔+板式換熱器或閉式冷卻塔來代替冷水機(jī)組供冷，此外在制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用大溫差小流量的模式減少輸配管線管路損失及水泵電耗。

（二）優(yōu)化氣流組織

影響空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)中心氣流組織形式，冷氣在流動(dòng)的時(shí)候受到的阻力越小，冷風(fēng)與熱風(fēng)氣流才會隔離的越好，冷量消耗的就越小，空調(diào)主機(jī)運(yùn)行的效果就越好，能效也越高。但常常是由于空調(diào)氣流組織設(shè)計(jì)不科學(xué)或沒有進(jìn)行CFD軟件仿真測試，導(dǎo)致了冷氣流的效率低，造成了空調(diào)系統(tǒng)的浪費(fèi)。

（三）采用新型空調(diào)末端

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心用精密空調(diào)主機(jī)設(shè)置在機(jī)房的兩端，采用地板下送風(fēng)或者風(fēng)帽上送風(fēng)的方式，先把機(jī)房全部冷卻，再對機(jī)柜實(shí)施散熱處理，此類空調(diào)形式容易造成局部熱點(diǎn)，同時(shí)造成冷量的遠(yuǎn)距離輸送，應(yīng)該運(yùn)用大功率的離心風(fēng)機(jī)來輸送，大功率風(fēng)機(jī)的電耗也有部分轉(zhuǎn)化成熱量，這部分熱量將增加制冷系統(tǒng)負(fù)荷[4]。采用新型熱管背板、列間熱管、吊頂式熱管等空調(diào)末端能夠完成按需供冷、解決局部熱點(diǎn)等問題。

（四）采用變頻設(shè)備

數(shù)據(jù)中心的能耗是根據(jù)室外環(huán)境溫度與室內(nèi)IT負(fù)載而決定的，冷水機(jī)組大部分時(shí)間在部分負(fù)荷下運(yùn)行，利用變頻冷水機(jī)組，可以提高部分負(fù)荷能效，同時(shí)水冷系統(tǒng)中冷凍水泵、冷卻水泵、機(jī)房里的末端空調(diào)EC風(fēng)機(jī)都采用變頻設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)按照IT負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，降低能耗[5]，現(xiàn)最為先進(jìn)的磁懸浮變頻冷水機(jī)組是一種節(jié)能高效的產(chǎn)品。

（五）水蓄冷技術(shù)應(yīng)用

水蓄冷技術(shù)是在有峰谷電價(jià)差政策的地區(qū)，利用數(shù)據(jù)中心空調(diào)機(jī)房的備用機(jī)組在夜間電價(jià)低估時(shí)運(yùn)行制得低溫冷凍水，并存儲在蓄冷罐內(nèi)，電價(jià)高峰時(shí)段由蓄冷罐釋冷滿足數(shù)據(jù)中心制冷要求，達(dá)到移峰填谷的目的。采用水蓄冷技術(shù)的空調(diào)系統(tǒng)可以節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)，并且有利于電網(wǎng)安全。

水蓄冷不僅是一項(xiàng)節(jié)能措施，還可以作為數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急能源使用，IT機(jī)房數(shù)據(jù)設(shè)備對環(huán)境溫度敏感性高，對于低熱密度的數(shù)據(jù)機(jī)房短暫的制冷中斷影響尚可接受，但對于高熱密度的數(shù)據(jù)中心，很短時(shí)間內(nèi)機(jī)房溫度就會急劇上升，電子元器件的可靠性、處理能力會急劇下降、故障率大大提高，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或癱瘓。而水蓄冷技術(shù)的應(yīng)用可設(shè)置一些固定的蓄冷罐作為應(yīng)急冷源使用，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，備用柴油發(fā)電機(jī)切換至穩(wěn)定運(yùn)行的過渡期內(nèi)彌補(bǔ)供冷能力的不足，消除了安全隱患。因此水蓄冷技術(shù)與自然冷源結(jié)合的綜合用能方案在大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

（六）智能化控制

數(shù)據(jù)中心智能化控制管理是完成綠色機(jī)房建設(shè)的基礎(chǔ)，在保證機(jī)房設(shè)備滿足正常運(yùn)行要求的前提下，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)的大量記錄和對不同季節(jié)室內(nèi)溫度變化規(guī)律的累積分析，優(yōu)化運(yùn)行模式，降低整個(gè)機(jī)房的能耗。

四、結(jié)語

綜上，大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻系統(tǒng)是能耗和可用度要求都很高的系統(tǒng)，本文從大型數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)，常用空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)置以及節(jié)能技術(shù)應(yīng)用三個(gè)方面進(jìn)行探討，為此類工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

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