據(jù)統(tǒng)計，數(shù)據(jù)中心能耗已占全社會總用電量的1.5%~3%，其中空調(diào)系統(tǒng)耗電量占數(shù)據(jù)中心總耗電量的30%~50%[1]。因此，如何提高數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能效，實現(xiàn)綠色節(jié)能運行，已成為業(yè)界關(guān)注的焦點。本文將從負荷計算、系統(tǒng)選型、節(jié)能策略、案例分析等方面，探討數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能的途徑與實踐，以供相關(guān)從業(yè)者參考。

一、數(shù)據(jù)中心冷熱負荷分析

1.1 負荷構(gòu)成

數(shù)據(jù)中心的冷熱負荷主要來自以下幾個方面[2]:

（1）IT設(shè)備散熱:服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等IT設(shè)備的發(fā)熱量，是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心內(nèi)照明燈具的發(fā)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(shè)備維護過程中的散熱，占比較小。

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

（5）新風(fēng)負荷:引入新風(fēng)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(shù)據(jù)中心冷熱負荷的計算要點如下[3]:

（1）IT設(shè)備散熱量:根據(jù)設(shè)備額定功率、數(shù)量、機柜布置等因素估算，可乘以同時使用系數(shù)（0.5 1.0）。

（2）人員散熱量:按每人 120W 計算，乘以人數(shù)和在場時間比例系數(shù)。

（3）圍護結(jié)構(gòu)傳熱量:依據(jù)機房建筑材料、面積、溫差等，采用傳熱學(xué)方法分別計算得熱和失熱量。

（4）新風(fēng)負荷:根據(jù)新風(fēng)量和室內(nèi)外空氣狀態(tài)計算顯熱和潛熱負荷，一般按每機柜 100~300m3/h 新風(fēng)量設(shè)計。負荷計算時應(yīng)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(diào)系統(tǒng)的設(shè)計負荷。

二、數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)選型   

2.1 冷源形式

數(shù)據(jù)中心冷源形式主要有風(fēng)冷、水冷、蒸發(fā)冷等。風(fēng)冷具有投資省、布置靈活等優(yōu)點，中小型機房較常用;水冷具有效率高、噪聲小、運行穩(wěn)定等優(yōu)勢，大型數(shù)據(jù)中心普遍采用;蒸發(fā)冷適合干燥地區(qū)，可大幅節(jié)約用水[4]。冷源形式應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、氣候條件、水資源等因素綜合選擇。

2.2 空調(diào)方式

數(shù)據(jù)中心的空調(diào)方式大致分為機房級和列間級兩大類[5]。

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

（2）列間級空調(diào):在機柜列間設(shè)置空調(diào)設(shè)備，如冷通道封閉空調(diào)、行級制冷機等。與機房級相比，列間級空調(diào)可實現(xiàn)局部冷量匹配，免去冷熱通道隔離，節(jié)省機房凈空。

列間級空調(diào)更利于模塊化、按需部署，是現(xiàn)代大型數(shù)據(jù)中心的主流趨勢。

2.3 末端形式

數(shù)據(jù)中心的空調(diào)末端主要采用冷卻盤管和送風(fēng)口兩種[6]:

（1）冷卻盤管:安裝在機柜后門或側(cè)面，利用冷凍水帶走 IT 設(shè)備的熱量。水路系統(tǒng)簡單可靠，可實現(xiàn)機柜級的冷量調(diào)節(jié)。

（2）送風(fēng)口:與機房級空調(diào)配套使用，將冷風(fēng)直接送入冷通道或機柜內(nèi)。氣流組織靈活，可根據(jù) IT 負荷進行送風(fēng)量和溫度的優(yōu)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(shù)據(jù)中心一般采用上送下回的方式，利于氣流組織。

三、數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能問題

數(shù)據(jù)中心空調(diào)的能效為何如此之低？通過對當前數(shù)據(jù)中心的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)都存在著如下一系列的設(shè)計問題。

1、系統(tǒng)整合難、切換難、維護難。為了服務(wù)器工作人為營造低溫環(huán)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(jīng)濟有效的節(jié)能方法，制冷機在空調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)的整體運行能耗大幅下降，是效果顯著的節(jié)能途徑。而在實際應(yīng)用中，采用自然冷源存在系統(tǒng)整合難、切換難、維護難的特點，所以目前國內(nèi)只有少部分的大型數(shù)據(jù)中心成功有效的使用了該技術(shù)。

2、沒有充分利用空調(diào)系統(tǒng)的諸多節(jié)能技術(shù)。空調(diào)系統(tǒng)中節(jié)能效果突出的余熱回收、蓄冷、變風(fēng)量、變頻等技術(shù)，在數(shù)據(jù)中心中很少采用。因為數(shù)據(jù)中心所其提供服務(wù)的特殊性，數(shù)據(jù)安全是首要因素，宕機是不允許出現(xiàn)的情況。空調(diào)系統(tǒng)作為服務(wù)器正常工作的保障，管理者更關(guān)注其制冷能力是否有足夠的冗余量，某臺空調(diào)發(fā)生故障時能否及時開啟備用設(shè)備，對設(shè)計的要求必然保守。而節(jié)能技術(shù)需要積少成多、其效果需日積月累才能體現(xiàn)，如果擔心某技術(shù)對空調(diào)的穩(wěn)定性可能產(chǎn)生影響，往往傾向于不采用。

3、空調(diào)設(shè)備制冷量與實際負荷的匹配存在問題。機房內(nèi)的機架通常是逐步投入、不斷擴容的，而空調(diào)負荷與氣流組織則是建設(shè)階段對機房整體考慮設(shè)計的。運行初期投入使用的機架數(shù)少，空調(diào)系統(tǒng)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(fā)熱密度更高，卻受制于機房現(xiàn)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(nèi)始終冷熱不均，管理者只能調(diào)低空調(diào)機的溫度設(shè)定值，造成過度制冷，導(dǎo)致空調(diào)能耗居高不下。

4、設(shè)計選用的空調(diào)機型參數(shù)與機房運行時的真實熱工況存在偏差。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前約 85％的數(shù)據(jù)中心空調(diào)機組耗能比設(shè)計工況高 50% 以上?，F(xiàn)行數(shù)據(jù)中心設(shè)計均參照的是國標《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》及美國 TIA-942 標準，精密空調(diào)機組的設(shè)計運行溫 / 濕度為 23℃±1℃/50%，加之現(xiàn)有精密空調(diào)生產(chǎn)廠家所提供的室內(nèi)機回風(fēng)工況參數(shù)多為 24℃/50%。故空調(diào)設(shè)計時多按照此工況點進行選型。而服務(wù)器機架的發(fā)展趨勢是高度集成化，單個機架的功率越來越大，機柜出風(fēng)口溫度很高，實際運行中很容易出現(xiàn)局部溫控點溫度超標的現(xiàn)象，應(yīng)對辦法就是將空調(diào)機組設(shè)定的回風(fēng)溫度 24℃ 調(diào)低。假如調(diào)低空調(diào)機組設(shè)定溫度 2℃， 那么按回風(fēng)參數(shù)24℃ 選型出來的空調(diào)機組對應(yīng) 22℃ 的工況點，直接膨脹式空調(diào)壓縮機 COP 值會下降約 7%，顯冷量會下降 8%~19%，冷凍水式空調(diào)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(xù)調(diào)低空調(diào)機運行工況參數(shù)設(shè)定點，對應(yīng)的能耗會呈現(xiàn)非線性的增長。

5、精密空調(diào)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(nèi)狀態(tài)點，露點溫度為 11.9℃，空氣經(jīng)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(shè)定下限后空調(diào)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(diào)潛熱冷負荷，空調(diào)能耗顯著上升。

四、數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能策略 

4.1 面臨的問題

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心普遍存在以下節(jié)能問題[7]:

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

（2）冷通道溫度設(shè)置過低，制冷能耗高。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心多將冷通道溫度控制在 20℃以下，而 IT 設(shè)備可適應(yīng)更高溫度。

（3）冷熱通道混合，局部熱點時有發(fā)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(fēng)溫差。

（4）缺乏智能控制手段，無法精確調(diào)節(jié)冷量。分散獨立的空調(diào)系統(tǒng)缺乏協(xié)同優(yōu)化，易出現(xiàn)冷量誤差。針對以上問題，數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能應(yīng)從需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)兩個方面入手，通過負荷匹配、溫度優(yōu)化、氣流組織、智能控制等措施，最大限度地提高系統(tǒng)效率[8]。

4.2 具體措施

（1）右移制冷:適當提高冷通道溫度，現(xiàn)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(fā)冷卻、plate heat exchanger 等，減少壓縮機耗電。

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

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

（5）局部冷卻:對熱點區(qū)域?qū)嵤┲攸c冷卻，避免局部過冷。如采用機柜列間空調(diào)、in-row 空調(diào)等。

（6）智能群控:通過各空調(diào)機組間的協(xié)同控制和優(yōu)化調(diào)度，匹配冷量供應(yīng)與 IT 負載需求。

（7）溫濕度優(yōu)化控制:根據(jù)機房實際熱濕負荷，動態(tài)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫濕度，減少過度除濕和再熱能耗。

（8）變頻調(diào)速:冷水泵、冷卻塔風(fēng)機等采用變頻調(diào)速，根據(jù)負荷需求調(diào)節(jié)運行頻率，避免過量供冷。

（9）廢熱回收利用:對機房排風(fēng)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。