浅析数据中心空调系统节能研究

浅析数据中心空调系统节能研究

寿媛娄海莲

杭州金特尔暖通设备有限公司浙江杭州310000

摘要：针对数据中心空调系统能耗比例过高问题开展了一系列调研，指出了目前国内数据中心空调系统使用中存在的问题，针对这些问题从空调设备节能、气流组织优化和自然冷源合理利用三方面分析了相关的节能方法与手段，为数据中心空调系统的节能设计与改造提供参考和依据。数据中心高速发展和其高能耗的特点已被社会高度关注，对其进行节能改造或建造高能效的数据中心对于节能降耗工作具有重大的意义。

关键词：数据中心；空调系统；节能分析

1引言

随着全国数据中心建设数量急速增加，数据中心的用电量占全社会用电量的1.5%以上，已经引起人们关注，国家也已提出绿色数据中心建设试点工作的要求，推动我国数据中心行业节能减排，降低能耗。空调系统作为数据中心第二大能耗系统，不管方案设计还是日常维护中，做好空调系统节能工作，能够有效降低数据中心的能耗，减少数据中心的运营成本，使其可持续绿色运营。

2数据中心机房环境要求

数据中心主要是给服务器、存储等设备提供一定的运行环境，服务器等设备均是处于全年不间断运行中，对于运行环境要求非常高，涉及温度、湿度和空气洁净度。一般机房机柜区域或冷通道温度设置在24℃左右，湿度40%到65%，空气洁净度要求每立方空气中大于或等于0.5μm的悬浮粒子数少于1760000粒，如果空气中存在的硫化物、氮氧化物以及腐蚀性气体也会对服务器等设备产生非常大的伤害。

3数据中心空调系统介绍

数据中心空调冷源系统种类有多种，根据不同的需求选择最合适空调冷源形式。数据中心空调系统根据空调冷源的不同分为风冷机房空调系统、水冷机房空调系统、乙二醇冷机房空调系统、冷水空调系统、双冷源空调系统。大部分数据中心的空调系统采用风冷机房空调系统和冷水空调系统。

4数据中心空调的节能措施分析

随着数据中心的发展，机柜功率密度越来越高，从3KW、4KW到6KW，甚至10KW以上，还可能更高，服务器安装非常密集，散热量越来越大，能耗也随之越来越高，数据中心节能工作越来越凸显重要。数据中心除IT第一大能耗外（占50%以上），空调系统为第二能耗系统（占到38%左右），在非IT设备中占绝大部分，所以空调系统的节能是数据中心的节能核心，是降低数据中心能耗的重要途径，是数据中心节能最大潜力所在。通过以下多种手段提高空调系统的能效，降低能耗，从而做好数据中心节能工作，降低数据中心的PUE值。

4.1利用自然冷源

自然冷源主要是借助室外自然界的一些低温冷源来冷却机房，例如冷空气、冷水（冰水）等免费的冷源。空调主机的能耗一般能占到空调系统能耗的56%，通过自然冷却停止或减少数据中心空调主机的运转，可以大幅降低空调系统的能耗，空调全年运行能效比显著提高，节能效果非常明显。一般情况下所使用的方式有风侧自然冷源和水侧自然冷源。风侧自然冷源是指利用室外新风自然冷却，将利用室外的低温空气，通过新风和回风比例调整，经过过滤系统处理之后引入到数据机房内部，实现通信设备的制冷。我国北方室外空气温度低于15℃时间占全年小时数50%以上，例如北京占55%，哈尔滨占70%，非常适合使用自然冷却技术。水侧自然冷源是指利用河流湖泊或地下水自然冷却，例如阿里巴巴位于浙江千岛湖的数据中心因地制宜采用湖水制冷，深层湖水通过完全密闭的管道流经数据中心，帮助服务器降温，制冷能耗节省超过8成。

4.2良好的空调气流组织形式

数据中心气流组织形式是影响空调系统节能的重要因素，冷气流动过程中的阻力越小，冷风和热风气流隔离的越好，冷量损耗的就越小，空调主机运行效果就越高，能效比越好。但经常是因为空调气流组织设计不合理或未经过CFD软件仿真测试，造成了冷气流的利用率低，使得空调系统能耗浪费。数据中心常见的空调气流组织形式有三种，分别为房间级气流组织，行级气流组织，机柜级气流组织。房间级气流组织一般采用架空地板，下送风，冷通道封闭，上回风方式。架空地板起到静压箱的作用，通过冷通道里的开孔地板进入机柜前面板，穿过机柜从后面板出风，再通过回风百叶窗回到空调间，进入末端空调，形成风路。采用此方式能够获得可靠和均匀的冷却气流分布，隔离了冷热气流，能够有效回风，提高了空调系统的制冷效率，降低了空调系统的能耗。

4.3采用变频设备

数据中心的冷水机组能耗是跟随末端IT负载和室外环境温度的变化，特别是大中型数据中心，也不是一步到位，需要经过几年的过程，冷水机组大部分时间运行在非工况情况下，通过使用变频冷水机组，每年可节省20%左右的能耗，同时水冷系统中冷冻水泵、冷却水泵、机房里的末端空调EC风机均使用变频设备，可以实时根据IT负载的情况自动调整，能够节约大量的冷量。

4.4提高机房回风温度

一般数据中心机房运行温度为24℃左右，但现在各种IT设备硬件性能的提高，特别是服务器宕机温度的提高，有理由可以提高机房的运行温度，例如提高到26℃左右，机房IT设备也是运行正常。我们可知通过提高机房的回风温度节省空调系统能耗，常年累积也是相当可观。

4.5提高冷冻水温度

空调系统冷水机组冷冻水温度一般为7℃到12℃，末端空调的冷冻水温度也为7℃到12℃。因为冷冻水的温度和冷水机组的效率成正比关系，可通过提高冷冻水温度，从而提高冷水机组的制冷效率，降低制冷能耗，但空调选型时必须要求在冷冻水10℃到15℃下能够满足制冷量要求。

4.6做好业务发展规划

合理启用机柜和末端空调通过做好业务发展规划，制定合理的上架计划，按照机柜使用的规划逐步上架，从机房一端和冷通道一端开始有计划的进行机柜上架。对于整个未有上架的冷通道进行出风地板关闭，应对于冷通道里面未上架机柜的出风地板进行关闭，同时将机柜中所有的空U的空间安装盲板，防止冷气外跑，提高机柜的制冷能力，减少空调冷量损耗。根据计算数据中心机房的IT负载匹配对应制冷量，结合机房风速合理优化末端空调开机数量，关闭多余空调，单台空调（按8KW计算）一年就能够节省5760度电。

4.7严格机房出入审批，加强机房管理

日常维护及施工人员进出机房，需及时关闭机房门，减少外部热空气进入。维护人员尽量通过远程维护，减少进入机房次数，机房做到人走灯灭，减少照明热量辐射，避免机房温度和湿度的升高，从而减少空调制冷量损耗，降低空调系统能耗。

5结语

数据中心是在计算机信息技术的高速发展下产生的，是数据集成的一种展现，集成了电力、空调暖通、IT等设备，形成数据处理中心，能够对海量数据进行处理和存储、分析。

随着社会信息化的快速提高，越来越多网络应用架设在云端。大量数据中心投入运营，数据中心的能耗问题已经凸显，根据有关数据统计，数据中心年耗电量引起人们极大的关注，考虑怎样做好数据中心的节能工作已经非常重要。

参考文献：

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