大型数据中心空调系统节能分析及方法研究王军帅

大型数据中心空调系统节能分析及方法研究王军帅

王军帅

中建八局青岛公司上海分公司上海市200120

摘要：由于发展和建立数据中心的政策已转移到国家战略一级，减少数据中心的电力消耗和提高能源效率是数据中心的主要需要之一。尤其是现在数据中心正朝着大规模、大型化的方向发展,供电部门很难保证这些巨型数据中心的电力供应,这更重要的是,在国家政策的强力节能和减排。本文分析了大型数据中心空调系统的节能情况。

关键词：数据中心；节能；空调系统；

数据中心是数据高度集中的中心所产生的综合计算机环境，提供各种数据服务、数据处理、存储和交换中心。随着信息社会的不断发展，建立数据中心已被列为当务之急。包括金融、制造业、政府、能源、交通、教育、互联网和运营商在内的不同行业正在规划、建设和升级它们的数据中心。

一、数据中心空调系统特点

数据中心是通信设备的操作环境。一般来说，数据中心的用户希望安装尽可能安装设备和机架，以提高建筑空间的利用率。24小时通信设备的不间断运行对温度、湿度和环境纯度提出了很高的要求。机械设计温度23±1℃的服务器。在静态条件下，每升空气中大于或等于0.5微米的粉尘颗粒数应小于18000。空气中的硫化物和氮氧化物等腐蚀性气体会腐蚀通信设备，导致意外停机，缩短其使用寿命。因此，数据中心对建筑物的密封性和环境空气质量有一定的要求。数据中心储物柜面积小于1m2kw，但散热达到2-10kW或以上。热量集中在通信密度高的地区。为了使机舱各部分的温度和湿度均匀，在底座的范围内和允许的波动范围内，需要大量的空气来散热。因此，数据中心空调系统的特点是表观热高，空调量大，焓差小。空调系统全年都需要冷却和空调设备以及管道支持和其他功能。

二、数据中心空调系统节能措施

调查发现，数据中心的空调系统在能源使用方面存在许多异常，例如空调系统的持续运行;空调系统的配置和运行条件不合理;气流的组织和设备的布置是不科学的，等等。空调系统的高能耗已成为数据中心能源效率低下的主要原因。目前，空调系统改造技术相对发达，节能技术种类繁多。空调系统改造的总体投资较低，实施难度相对较低。在调查过程中发现，大多数数据中心在空调系统中没有使用节能技术。只要设备的安全性和可靠性,数据中心机房的工作将得到保证,因此可以减少电力消耗的空调系统的节能20%-50%,使用一切手段,以及空调系统的耗电量降低到大约30%的总用电量的机房,这使得机房的能耗降低到2.0以下，数据中心机房的能源效率有了很大的提高。

1.空调设备节能。（1）独立控制空调系统的温度和湿度研究表明，与同类建筑相比，独立控制空调系统的建筑节能约35%。空调系统的温湿度控制与数据中心分离后，温度调节的能耗将成为空调系统的主要能耗。温度调节系统通过引入中、高温冷却源，避免冷却过程中过度除湿，可以显著提高制冷剂的性能。目前，中、高温制冷源技术已经相对成熟，可以根据不同的地理和环境条件选择合适的技术。(2)空调变频技术。数据中心服务器的功耗通常随业务量的变化而定期变化，因此数据中心信息设备的热值也会周期性变化。变频压缩机、风机、水泵等的使用，可以有效地提高空调设备的制冷效率。频率转换技术可以改变水泵的性能曲线,并通过调节风扇转速(视不同温度下的内外数据中心机房,不影响通行进出管道系统的强度特性的同时,其功率,从而与高回报的操作系统。当流速降低50%,能耗与常规空调系统的风机水泵或只下降20%-30%,而频率转换技术,可以减少70%至80%,这大大降低了设备的能耗。此外，变频空调避免了设备运行条件的突然变化，如压缩机频繁停机起动，保证了设备运行的稳定性，延长了设备的使用寿命。

2.气流组织及布局优化。回风系统是空调系统的另一个重要组成部分。空调系统配风优化是数据中心室内空气循环的综合优化过程。通过优化室内空气分布和布局，可以有效降低空调系统的能耗。一方面，它可以使室内空气流通更多畅通无阻，减少了冷热空气的相互影响，大大提高了冷风的利用效率，减少了空调的循环风量;另一方面，合理的气流和柜体布局可以使室内温度更加均匀，消除局部热点，适当提高空调运行温度。（1）回风方式选择。数据中心机房的送风方式可分为上送风和下送风两种。在上部送风模式下,寒冷的空气处理的空调装置的上部信息发送设备通过空气供应港口,和热的信息设备和机房带走,然后返回到空调机组通过机器的下部空间冷却和冷却,形成一个循环。是机房地板下送风方式抬高,形成一个空的空间,空调机组的空调的冷空气从底部高跷地板,冷空气通过信息设备,打开底部的地板走进房间和信息设备,带走热量通过后回到上面的房间空间空调机组、冷却疗法,开始下一个循环。目前，数据中心机房的地面设计有两种类型:硬地板和架空地板。回风可分为三种类型:开式地板、部分管道或全管道。通过它们的不同组合，可以推导出多种送风方式。针对不同的送风类型，国内外学者采用数值模拟和实验测量相结合的方法进行了大量的研究。目前数据中心常用的送风方式有两种，一种是硬地板开敞送风，另一种是架空地板开敞送风风的形式。前者是一种典型的高空送风方式，如图1所示。其优点是结构简单，安装方便，整体成本低。其缺点是送风距离较近，一般有效送风距离为15m，送风不均匀，容易出现冷热短路现象。下后者属于典型的空气供给类型,如图2所示,架空地板20-100厘米高,空调系统的冷空气进入下面的地板静压箱的形成,然后全会通风,气流稳定均匀送风方式,送风距离远,可达25米,和寒冷的空气可以发送到服务器架附近,在信息设备的热空气从上面的房间回收,哪一种能有效避免冷热气流、冷空气的混合对于热流密度高的大中型数据机房，建议采用高效送风方式。

（2）优化机柜布置。以前建的数据处理室的柜体布局没有考虑气流组织，通常以单元为导向。在这种布置中，从前厅排出的热风与进入后厅的冷空气混合，从而提高了进入后厅的空气温度，大大降低了空调的冷却效率。目前，储物柜的布置经常考虑气流的组织，通常是面对面、背靠背。在这种布置中，橱柜之间形成了冷热通道;从空调系统流出的冷空气通过冷通道进入机柜，服务器冷却后形成的热风从机柜后部逸出，进入热通道返回空调系统。冷热通道将冷热气流分开，有效防止冷热气流混合，降低室内进气温度，提高制冷效率。此外，为了更好地隔离冷热气流，可将按钮置于冷热通道中，或完全关闭通道，从而有效利用冷风气流。

3.合理利用自然冷却源。根据电子机械设计,数据中心需要控制温度(23℃+1)在该国北部,当年冬季早晨和傍晚时段和春季、夏季和秋季的户外室温大多低于环境温度数据中心。如果能够充分利用冷源的外部环境和求助外界冷空气来移除数据中心的热量,当外部环境温度稍低,而室内空调的运行时间,将大大减少,从而大幅度降低能耗和空调设备的寿命延长。目前，许多研究人员对数据中心合理使用自然冷源的问题非常关注，并对使用自然冷源的程序和设备进行了大量研究。自然冷却源的使用可分为两大类:直接使用和间接使用。直接使用是将外部的冷空气直接引入数据中心，并在外部排空之前从信息设备中去除热量。自然冷却源的间接使用包括通过传热装置在室外空气和室内空气之间交换冷热量。

全国各地出现了越来越多的数据中心。其高度的一体化和能耗大,导致了一个逐步加强深度和范围进行了分析和研究,通过节能日益频繁的节能解决方案设计和推广节能的产品越来越多。

参考文献：

［1］钟妙妙.新一代绿色数据中心的规划与设计［M］.北京：电子工业出版社，2017.

［2］李健.数据中心建设与运行管理［M］.北京：科学出版社，2017.