黃志喜（上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032）

從 “新基建”概念被提出至今互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center，IDC)產(chǎn)業(yè)已進入快速發(fā)展階段，然而 IDC 的快速發(fā)展伴隨著高能耗，給社會的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)，甚至可以說高能耗已成為制約 IDC 行業(yè)發(fā)展的關鍵性因素之一。如何降低數(shù)據(jù)中心能耗，提高其能效，建設低碳、環(huán)保、綠色、高效的數(shù)據(jù)中心已成為專家學者們熱衷探討的話題。本文從數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設計出發(fā)，介紹了數(shù)據(jù)中心的分類、數(shù)據(jù)機房對環(huán)境的要求、機房冷負荷的計算方法，分析了空調(diào)送風的氣流組織和數(shù)據(jù)中心的評價指標，并對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術措施進行了探討，為行業(yè)的發(fā)展提供一些參考。

1 數(shù)據(jù)中心分類

數(shù)據(jù)中心一般包括主機房、輔助我、支持我和行政管理我等，按照不同的方法又可以將其劃分為不同的類型[1]。

1.1 按數(shù)據(jù)的重要性劃分

根據(jù)使用性和數(shù)據(jù)的重要性程度，可將數(shù)據(jù)中心分為A、B、C 三級。A 級是指當電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟損失或造成公共場所秩序嚴重混亂的情況發(fā)生；B級是指當電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成較大的經(jīng)濟損失或造成公共場所秩序混亂的情況發(fā)生；C 級是指除了 A 級和 B 級兩種情況外對應的數(shù)據(jù)中心[2]。

1.2 按規(guī)模劃分

根據(jù)機柜的數(shù)量可將數(shù)據(jù)中心劃分為微型、小型、中型、大型和超大型等，其規(guī)模劃分如表 1 所示。

表1 數(shù)據(jù)中心規(guī)模分類

1.3 按冷卻方式劃分

按機柜不同的冷卻方式可將數(shù)據(jù)中心劃分為風冷式和液冷式兩種[3]。風冷式是目前技術最成熟和使用最廣泛的一種方式，但缺點是單柜功率受限，一般只能使用在單柜功率 6 KW 及以下的數(shù)據(jù)中心。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、我塊鏈等新技術的快速發(fā)展，其對計算機的運算和分析能力要求不斷提高，同時受限于機房面積和節(jié)能要求，傳統(tǒng)的風冷技術已不能滿足需求，基于此一種新型的冷卻技術-液冷技術應運而生。液冷技術是指采用液體作為冷媒取代傳統(tǒng)的冷風將服務器產(chǎn)生的熱量帶走[4]。液冷分為有相變液冷和無相變液冷，液冷技術冷卻效率更高，使單柜功率能做到更大，節(jié)約機房面積的同時提高了服務器的使用效率和穩(wěn)定性，同時液冷相比于傳統(tǒng)的風冷更加節(jié)能，運行噪聲更低，液冷技術使數(shù)據(jù)中心的選址不受海拔和地域的限制，液冷產(chǎn)生的余熱還可回收利用，節(jié)能和經(jīng)濟效益顯著。

1.4 按制冷方式劃分

按不同的制冷方式可以將數(shù)據(jù)中心劃分為直膨式風冷型、直膨式水冷型、冷凍水型和雙冷源型，直膨式風冷型是指數(shù)據(jù)機房精密空調(diào)自帶制冷壓縮機，其冷凝器采用風冷式；直膨式水冷型是指機房精密空調(diào)自帶制冷壓縮機，內(nèi)加一個板式換熱器，其冷凝器采用水冷式（冷卻塔）；冷凍水型是指機房精密空調(diào)不帶制冷壓縮機，精密空調(diào)內(nèi)安裝有冷凍水盤管，通過冷凍水把機房內(nèi)熱量帶走；雙冷源型是指機房精密空調(diào)既自帶制冷壓縮機又安裝有冷凍水盤管，二者結合，當一種冷源出現(xiàn)故障時投入另一種冷源進行制冷，可靠性更高。

2 機房對環(huán)境的要求

2.1 對溫、濕度的要求

主機房和輔助我內(nèi)的溫、濕度、露點溫度和相對濕度應能滿足電子信息設備的使用要求，一般冷通道或機柜的進風溫度設為 18～27℃，露點溫度宜為 5.5～15 ℃，相對濕度不宜大于60%，輔助我的溫度和相對濕度一般設為18～28℃ 和 35%～75%。表 2、表 3 為機房在開機和停機時的溫濕度要求[1]。

表2 開機時機房溫、濕度要求

2.2 對潔凈度的要求

為了避免電子信息設備內(nèi)部發(fā)生短路等故障，保障電子信息設備安全運行，數(shù)據(jù)機房對空氣中的懸浮粒子濃度有嚴格的要求，除了要求微正壓運行之外，還要求機房內(nèi)每立方米空氣中粒徑 ≥0.5 μm 的懸浮粒子數(shù) ≤18×106 個，相當于潔凈度等級要求為 8.7 級左右。數(shù)據(jù)中心裝修后其室內(nèi)空氣質量還應滿足 GB 50174—2017《室內(nèi)空氣質量標準》的有關要求[1]。

為了防止外部灰塵進入主機房，主機房要求微正壓運行，一般要求主機房與其他房間、走廊的壓差≥5 Pa，與室外靜壓差 ≥10 Pa。設有空調(diào)新風系統(tǒng)的，其新風量還應按工作人員每人 40 m3/h 新風量和維持室內(nèi)正壓所需新風量中的較大值來取。

3 負荷計算

3.1 冷負荷的構成

數(shù)據(jù)中心夏季冷負荷主要包括顯熱負荷、潛熱負荷（即濕負荷）和附加冷負荷，其中以顯熱負荷為主。

顯熱負荷主要包括：①電子及其他設備的散熱量；②通過圍護結構傳入而形成負荷的熱量；③通過透明外圍護結構進入的太陽輻射熱量；④人體散熱；⑤照明設備散熱；⑥新風負荷。濕負荷主要包括：①人體散濕；②新風濕負荷；③空氣滲漏帶入的濕負荷；④圍護結構散濕；⑤伴隨各種散濕過程產(chǎn)生的濕負荷。附加冷負荷主要包括以下兩方面：①空氣通過風機和管道溫升引起的附加冷負荷；②冷水通過水泵、管道、水箱溫升引起的附加冷負荷。計算時溫升可按0.5～1 ℃ 取值。

3.2 冷負荷的估算

當項目處在方案或初步設計階段時，由于缺乏具體的數(shù)據(jù)，空調(diào)冷負荷還無法精確計算，這時可根據(jù)經(jīng)驗采用面積指標估算法進行估算，便于對整個項目前期的投資估算。常采用的一些冷負荷面積指標如表 4 所示。

表4 冷負荷面積估算指標

4 氣流組織

當機柜采用風冷式時，其氣流組織常采用的形式有：①下送風上回風（或側回風）；②上送風上回風（或側回風）；③側送風上回風（或側回風）。一般當單臺機柜發(fā)熱量大于 4 kW 時，其氣流組織宜采用下送風上回風、機柜行間前送風后回風等方式，而且宜采用冷熱通道隔離措施，如冷通道封閉或熱通道封閉。從節(jié)能的角度來看，采用冷熱通道封閉的形式有利于提高空調(diào)和機房的利用率，使單臺機柜的功率能做到更大，而采用機柜行間前送風后回風的氣流組織方式可以降低風阻，從而可以降低風機的壓頭，提高風機的能效和減少初投資。目前用得較多的氣流組織是下送風上回風，采用這種氣流組織的優(yōu)點是在防靜電地板下面形成一個巨大的靜壓箱，使送風均勻，機房內(nèi)的溫濕度控制較好，缺點是機房要求鋪設至少 500 mm 高的架空防靜電地板，且樓板需要做一層保溫隔熱層，不過這種氣流組織容易實現(xiàn)機房各專業(yè)的下走線，布置起來方便美觀，適用于層高較高的機房。

5 評價指標

對于數(shù)據(jù)中心，目前常采用的一些評價指標主要有：①電能利用效率（PUE）；②局部電能利用效率（pPUE）；③制冷/供電負載系數(shù)（CLF/PLF）；④可再生能源利用率（RER）。

5.1 電能利用效率（PUE）

電能利用效率（PUE）是指數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有用電設備消耗的總電能與所有電子信息設備消耗的總電能的比值，用來表征數(shù)據(jù)中心電能利用系數(shù)的參數(shù)。其計算公式為：PUE=數(shù)據(jù)中心總的耗電量/IT 設備總的耗電量。PUE的取值范圍理論上是[1,＋∞），其值越接近1就說明數(shù)據(jù)中心總的耗電量中用在 IT 設備上“有意義”的用電量越多，說明其電能利用效率越高。PUE 定義簡單、易于操作，只要分別測量或計算出數(shù)據(jù)中心總的耗電量和 IT 設備總的耗電量，就能計算出數(shù)據(jù)中心的 PUE，該評價指標也是目前業(yè)內(nèi)普遍接受和采用的。

5.2 局部電能利用效率（pPUE）

局部電能利用效率（pPUE）是數(shù)據(jù)中心PUE概念的衍生，用于對數(shù)據(jù)中心局部我域或設備的能效進行評估和分析，主要適用于基于集裝箱、模塊化數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)中心機房群的局部能效評價。其計算公式為：pPUE=數(shù)據(jù)中心某個分我總的耗電量/某個分我 IT 設備總的耗電量。在利用pPUE 對數(shù)據(jù)中心能效進行評價時，首先應對數(shù)據(jù)中心進行分我，然后分別計算每個我域的 pPUE 值。pPUE 值反映的是數(shù)據(jù)中心局部的電能利用效率，其值可能大于或小于正體的 PUE 值，所以要想提高整個數(shù)據(jù)中心的 PUE 值一般先從提升 pPUE 值較大的分我的能效開始。

5.3 制冷/供電負載系數(shù)（CLF/PLF）

制冷負載系數(shù)（CLF）是指數(shù)據(jù)中心制冷設備耗電量與IT 設備耗電量的比值，即 CLF=制冷設備耗電量/IT 設備耗電量；供電負載系數(shù)（PLF）是指數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)耗電量與 IT 設備耗電量的比值，即 PLF=供配電系統(tǒng)耗電量/IT 設備耗電量。這兩個指標是 PUE 的補充和深化，通過計算這兩個指標，可以進一步了解和分析制冷系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)的能源效率。

5.4 可再生能源利用率（RER）

可再生能源利用率（RER）是指數(shù)據(jù)中心總的耗電量中可再生能源供電量的占比，即 RER=可再生能源供電量/數(shù)據(jù)中心總耗電量。我國電能形式多樣，這使得數(shù)據(jù)中心的電源有多種選擇，可再生能源的利用使數(shù)據(jù)中心更符合低碳、環(huán)保、綠色的發(fā)展理念，因此用可再生能源利用率（RER）來評價數(shù)據(jù)中心的顯得很有必要，將使數(shù)據(jù)中心行業(yè)不斷朝著可持續(xù)的方向發(fā)展，有助于國家“雙碳”目標的早日實現(xiàn)。

6 節(jié)能技術措施

目前數(shù)據(jù)中心常采用的節(jié)能技術措施主要有：①冷（熱）通道封閉技術；②自然冷卻技術；③蒸發(fā)冷卻技術。

機柜的氣流組織采用冷（熱）通道封閉技術，可以防止氣流短路，使冷風對設備的冷卻更有針對性和高效，使單機柜的功率做得更大，從而減少機房面積和提高空調(diào)系統(tǒng)利用率，同時采用冷（熱）通道封閉技術還可以減少氣流阻力，從而減少風機壓頭，提高風機的能效和減少初投資，具有一定的節(jié)能效果。自然冷卻技術是指利用天然冷源，把數(shù)據(jù)中心建在常年氣候較干燥和較低的地方，尤其是濕球溫度＜ 18℃ 的時間在一年中占比較大的地方，這樣可以增加采用風冷或水冷技術給機柜冷卻的時間，減少電制冷運行的時間，從而降低能耗，同時電制冷設備在這些地方的運行效率也會更高，因此自然冷卻技術具有很可觀的節(jié)能效果。蒸發(fā)冷卻技術包括直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻，直接蒸發(fā)冷卻是空氣與水直接接觸，通過水自身的蒸發(fā)吸熱帶走自身熱量的一種冷卻技術，是等焓過程，如開式冷卻塔；間接蒸發(fā)冷卻是通過水蒸發(fā)產(chǎn)生的冷量去冷卻空氣，水和空氣不直接接觸，如目前各廠家都在推的一些間接蒸發(fā)冷卻機組[6]。如果說自然冷卻技術的應用受地域的影響而局限性較大，那么蒸發(fā)冷卻技術的應用地域范圍相對來說就較廣，因為從理論來講直接蒸發(fā)冷卻技術的極限冷卻溫度是可以達到空氣濕球溫度的，間接蒸發(fā)冷卻的極限冷卻溫度是可以達到空氣露點溫度和濕球溫度之間的，它們所能提供的冷卻介質溫度都較低，機柜的送風溫度一般在 18℃～27℃ 之間，所以蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生的這些冷卻介質可以直接被機房所利用[7]。一般來說，夏季空調(diào)室外計算濕球溫度較低且水資源允許的地方宜采用直接蒸發(fā)冷卻，露點溫度較低的地方宜采用間接蒸發(fā)冷卻[8]。有研究表明，間接蒸發(fā)冷卻技術相比傳統(tǒng)的電制冷技術一般可以節(jié)約 45% 的能耗，因此間接蒸發(fā)冷卻技術節(jié)能潛力巨大[9]。

7 結 語

數(shù)據(jù)中心能耗大，目前該行業(yè)還存在很大的節(jié)能潛力，相信隨著技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能潛力一定會得到深挖，同時我們在今后的工程設計中也應因地制宜，根據(jù)項目的不同特點采用合適的制冷方式和節(jié)能技術措施，共同推進數(shù)據(jù)中心行業(yè)朝著節(jié)能、高效、綠色、環(huán)保、低碳的可持續(xù)方向發(fā)展。