數據中心空調系統該如何節能？?

據統計，數據中心能耗已占全社會總用電量的1.5%~3%，其中空調系統耗電量占數據中心總耗電量的30%~50%[1]。因此，如何提高數據中心空調系統能效，實現綠色節能運行，已成為業界關注的焦點。本文將從負荷計算、系統選型、節能策略、案例分析等方面，探討數據中心空調節能的途徑與實踐，以供相關從業者參考。

一、數據中心冷熱負荷分析

1.1 負荷構成

數據中心的冷熱負荷主要來自以下幾個方面[2]:

（1）IT設備散熱:服務器、存儲、網絡等IT設備的發熱量，是數據中心冷負荷的主要組成部分，占比可達70%以上。

（2）照明散熱:數據中心內照明燈具的發熱量，一般占冷負荷的3%~5%。

（3）人員散熱:值守人員的代謝熱和設備維護過程中的散熱，占比較小。

（4）圍護結構傳熱:機房圍護結構的傳導、輻射等得熱或失熱，在負荷中占比5%~10%。

（5）新風負荷:引入新風所需的顯熱和潛熱處理，在夏季制冷時需考慮。

1.2 負荷計算方法

數據中心冷熱負荷的計算要點如下[3]:

（1）IT設備散熱量:根據設備額定功率、數量、機柜布置等因素估算，可乘以同時使用系數（0.5 1.0）。

（2）人員散熱量:按每人 120W 計算，乘以人數和在場時間比例系數。

（3）圍護結構傳熱量:依據機房建筑材料、面積、溫差等，采用傳熱學方法分別計算得熱和失熱量。

（4）新風負荷:根據新風量和室內外空氣狀態計算顯熱和潛熱負荷，一般按每機柜 100~300m3/h 新風量設計。負荷計算時應對上述各項分別估算，然后以最不利工況疊加，并考慮一定裕量，最終確定空調系統的設計負荷。

二、數據中心空調系統選型   

2.1 冷源形式

數據中心冷源形式主要有風冷、水冷、蒸發冷等。風冷具有投資省、布置靈活等優點，中小型機房較常用;水冷具有效率高、噪聲小、運行穩定等優勢，大型數據中心普遍采用;蒸發冷適合干燥地區，可大幅節約用水[4]。冷源形式應根據數據中心的規模、氣候條件、水資源等因素綜合選擇。

2.2 空調方式

數據中心的空調方式大致分為機房級和列間級兩大類[5]。

（1）機房級空調:將冷量直接送入機房內，常見的有空調機組、close coupled 空調器等。

（2）列間級空調:在機柜列間設置空調設備，如冷通道封閉空調、行級制冷機等。與機房級相比，列間級空調可實現局部冷量匹配，免去冷熱通道隔離，節省機房凈空。

列間級空調更利于模塊化、按需部署，是現代大型數據中心的主流趨勢。

2.3 末端形式

數據中心的空調末端主要采用冷卻盤管和送風口兩種[6]:

（1）冷卻盤管:安裝在機柜后門或側面，利用冷凍水帶走 IT 設備的熱量。水路系統簡單可靠，可實現機柜級的冷量調節。

（2）送風口:與機房級空調配套使用，將冷風直接送入冷通道或機柜內。氣流組織靈活，可根據 IT 負荷進行送風量和溫度的優化控制。末端形式的選擇要兼顧機房布局、熱源分布、施工條件等因素。大型數據中心一般采用上送下回的方式，利于氣流組織。

三、數據中心空調節能問題

數據中心空調的能效為何如此之低？通過對當前數據中心的研究發現，大多數數據中心的空調系統都存在著如下一系列的設計問題。

1、系統整合難、切換難、維護難。為了服務器工作人為營造低溫環境，完全采用人工制冷，沒有利用自然冷源自然冷卻。改進冷源形式往往是最為經濟有效的節能方法，制冷機在空調系統中耗電最大，以冷卻塔免費供冷代替制冷機，依靠自然冷源提供冷量，會使空調系統的整體運行能耗大幅下降，是效果顯著的節能途徑。而在實際應用中，采用自然冷源存在系統整合難、切換難、維護難的特點，所以目前國內只有少部分的大型數據中心成功有效的使用了該技術。

2、沒有充分利用空調系統的諸多節能技術。空調系統中節能效果突出的余熱回收、蓄冷、變風量、變頻等技術，在數據中心中很少采用。因為數據中心所其提供服務的特殊性，數據安全是首要因素，宕機是不允許出現的情況?？照{系統作為服務器正常工作的保障，管理者更關注其制冷能力是否有足夠的冗余量，某臺空調發生故障時能否及時開啟備用設備，對設計的要求必然保守。而節能技術需要積少成多、其效果需日積月累才能體現，如果擔心某技術對空調的穩定性可能產生影響，往往傾向于不采用。

3、空調設備制冷量與實際負荷的匹配存在問題。機房內的機架通常是逐步投入、不斷擴容的，而空調負荷與氣流組織則是建設階段對機房整體考慮設計的。運行初期投入使用的機架數少，空調系統部分負荷下運行，效率不高。而后期投入使用的新型的機架，往往功率更大，發熱密度更高，卻受制于機房現有格局，不能被擺放在氣流組織有利的位置。這樣，隨著機架不斷進場，機房內始終冷熱不均，管理者只能調低空調機的溫度設定值，造成過度制冷，導致空調能耗居高不下。

4、設計選用的空調機型參數與機房運行時的真實熱工況存在偏差。據調查發現，目前約 85％的數據中心空調機組耗能比設計工況高 50% 以上?，F行數據中心設計均參照的是國標《電子信息系統機房設計規范》及美國 TIA-942 標準，精密空調機組的設計運行溫 / 濕度為 23℃±1℃/50%，加之現有精密空調生產廠家所提供的室內機回風工況參數多為 24℃/50%。故空調設計時多按照此工況點進行選型。而服務器機架的發展趨勢是高度集成化，單個機架的功率越來越大，機柜出風口溫度很高，實際運行中很容易出現局部溫控點溫度超標的現象，應對辦法就是將空調機組設定的回風溫度 24℃ 調低。假如調低空調機組設定溫度 2℃， 那么按回風參數24℃ 選型出來的空調機組對應 22℃ 的工況點，直接膨脹式空調壓縮機 COP 值會下降約 7%，顯冷量會下降 8%~19%，冷凍水式空調機組的顯冷量會下降 13%~16%。因機房負荷全部是顯熱負荷，則能耗增加了大約 15%~25%。若繼續調低空調機運行工況參數設定點，對應的能耗會呈現非線性的增長。

5、精密空調機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。在干球溫度 23℃，相對濕度 50% 的室內狀態點，露點溫度為 11.9℃，空氣經過表冷器時降溫除濕。而機房運行過程中基本無散濕量，所以空氣濕度降低，超過設定下限后空調自動開啟加濕功能，此時加濕器給空氣等溫加濕，增加了空調潛熱冷負荷，空調能耗顯著上升。

四、數據中心空調節能策略 

4.1 面臨的問題

傳統數據中心普遍存在以下節能問題[7]:

（1）設計裕量過大，造成能源浪費。早期數據中心常按 IT 負荷的 2~3 倍設計冷源，實際運行效率低。

（2）冷通道溫度設置過低，制冷能耗高。傳統數據中心多將冷通道溫度控制在 20℃以下，而 IT 設備可適應更高溫度。

（3）冷熱通道混合，局部熱點時有發生。由于氣流短路、通道隔離不徹底等原因，冷熱空氣摻混，降低送回風溫差。

（4）缺乏智能控制手段，無法精確調節冷量。分散獨立的空調系統缺乏協同優化，易出現冷量誤差。針對以上問題，數據中心空調節能應從需求側和供應側兩個方面入手，通過負荷匹配、溫度優化、氣流組織、智能控制等措施，最大限度地提高系統效率[8]。

4.2 具體措施

（1）右移制冷:適當提高冷通道溫度，現行標準推薦不低于 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，如采用間接蒸發冷卻、plate heat exchanger 等，減少壓縮機耗電。

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

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

（5）局部冷卻:對熱點區域實施重點冷卻，避免局部過冷。如采用機柜列間空調、in-row 空調等。

（6）智能群控:通過各空調機組間的協同控制和優化調度，匹配冷量供應與 IT 負載需求。

（7）溫濕度優化控制:根據機房實際熱濕負荷，動態調節送風溫濕度，減少過度除濕和再熱能耗。

（8）變頻調速:冷水泵、冷卻塔風機等采用變頻調速，根據負荷需求調節運行頻率，避免過量供冷。

（9）廢熱回收利用:對機房排風進行熱回收，如用于冬季取暖、夏季再生除濕等，提高能源梯級利用效率。