朱慧賓

(中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司(原中國建筑設(shè)計(jì)研究院)智能工程中心，北京 100044)

隨著信息化程度的不斷深化，人們?cè)谏a(chǎn)、生活以及相互交流中時(shí)刻都需要進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的獲取及處理,這就對(duì)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)提出更大更多的需求。因此，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)進(jìn)入了快速增長期，能源消耗也隨之快速增長。暖通空調(diào)設(shè)備肩負(fù)著數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)處理設(shè)備冷卻的重任，是保障數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行必不可少的一部分。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的46%，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗約占31%。如何在保障數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，減少空調(diào)系統(tǒng)能耗成為暖通空調(diào)設(shè)計(jì)師的首要任務(wù)。暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)多樣，例如變頻技術(shù)、熱泵技術(shù)等，但在數(shù)據(jù)中心如何應(yīng)用，應(yīng)用哪些技術(shù)可行，能否滿足整個(gè)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)安全要求，對(duì)相關(guān)專業(yè)水、電、自控的技術(shù)要求能否滿足各自專業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)要求等提出了諸多問題。本文就近年來工程設(shè)計(jì)中對(duì)大型數(shù)據(jù)機(jī)房建設(shè)提出的部分節(jié)能措施做簡要介紹。

1 采用合理冷源系統(tǒng)形式

對(duì)不同的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)其項(xiàng)目的建設(shè)地點(diǎn)、項(xiàng)目規(guī)模、市政條件、氣象條件、IT規(guī)劃需求、數(shù)據(jù)中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)中心運(yùn)行維護(hù)水平等多方面因素去權(quán)衡空調(diào)系統(tǒng)采用何種形式。目前為止，關(guān)于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能措施、節(jié)能概念及相關(guān)術(shù)語已經(jīng)出現(xiàn)很多。但是，使用最廣、認(rèn)可度最高的一個(gè)術(shù)語是能源使用效率，即PUE。對(duì)于現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心，能源節(jié)省方案在于實(shí)施相應(yīng)節(jié)能措施，降低數(shù)據(jù)中心PUE。對(duì)于新建數(shù)據(jù)中心，重要的是選擇最有效的系統(tǒng)架構(gòu)和組件，在合適的條件下實(shí)現(xiàn)自然冷卻，并結(jié)合所有最好的節(jié)能措施。不同空調(diào)系統(tǒng)的PUE統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見圖1。

圖1中，Air Cooled DX Plant為風(fēng)冷直膨空調(diào)；Water Cooled Plant為水冷式冷凍站；Evaporative Cooled Plant Water-Side Economizer為蒸發(fā)式冷卻與水側(cè)節(jié)能器；Strict Airflow Management為嚴(yán)格的氣流管理；Water-Cooled Racks Air-Side Economizer為水冷機(jī)柜與風(fēng)側(cè)節(jié)能器；PUE，能源使用系數(shù)=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT總能耗。

圖1 數(shù)據(jù)中心不同空調(diào)系統(tǒng)的PUE

在權(quán)衡數(shù)據(jù)中心PUE大致標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間后，再針對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)形式選擇具體的節(jié)能措施。對(duì)于新建的數(shù)據(jù)中心常用的冷源方案有如下幾種：

1)水冷冷水機(jī)組+自由冷卻；

2)風(fēng)冷冷水機(jī)組+自由冷卻；

3)自帶冷源式風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組+自由冷卻；

4)全空氣空調(diào)機(jī)組+風(fēng)冷自由冷卻。

對(duì)于第1)種冷源系統(tǒng)方案，其系統(tǒng)構(gòu)架形式也是種類多樣，但經(jīng)過部分工程測算，其PUE值可達(dá)到1.4～1.5，本文針對(duì)該系統(tǒng)的部分具體節(jié)能措施做簡要的概述。其余系統(tǒng)的具體節(jié)能措施就不再介紹了。

方案1)的部分措施如下：

1)數(shù)據(jù)中心的水冷冷水機(jī)組單獨(dú)設(shè)置，與建筑內(nèi)其他非關(guān)鍵設(shè)施所需的冷水系統(tǒng)分離，可以提高數(shù)據(jù)中心的冷水供水溫度，從而顯著提高冷水機(jī)組的運(yùn)營效率。

2)為水冷冷水機(jī)組配備變頻器，從而可以選擇以最高效率運(yùn)行。

3)采用制冷機(jī)在部分負(fù)載條件下運(yùn)行的策略，可以優(yōu)化制冷機(jī)效率。

4)優(yōu)化冷卻水管路的控制策略，可以使制冷機(jī)的效率最優(yōu)化。

5)降低冷卻水溫度可以顯著提高制冷機(jī)效率，在氣候允許的情況下，在20℉～30℉(11℃～17℃)范圍內(nèi)，設(shè)定冷卻水供水溫度。這將提高制冷設(shè)備的效率并為自然冷卻創(chuàng)造更多的機(jī)會(huì)。定速冷卻器在每1℉(0.6℃)下的節(jié)能量為0.75%～1.25%，變頻冷卻器為1.5%～2%。另外，冷卻塔的保養(yǎng)工作不到位會(huì)縮短其壽命，甚至產(chǎn)生大筆維修費(fèi)用，而且產(chǎn)品穩(wěn)定性也會(huì)受到影響。

6)為冷卻塔配備變頻器可以減少風(fēng)機(jī)能耗。如果設(shè)備不以自然冷卻形式工作，在全部設(shè)備節(jié)能10%～20%情況下，與定速冷卻器相比，冷卻器可達(dá)到20%～30%的節(jié)能效果。

7)冷水泵使用變頻器，以減少水泵能耗。

8)自然冷卻設(shè)計(jì)可以充分利用室外天然冷源，以節(jié)省冷水機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用。自然冷卻系統(tǒng)由冷卻塔、板式換熱器、冷卻水泵及所需配件組成。設(shè)計(jì)冷水供回水溫度為12℃/18℃，當(dāng)冷卻水供水溫度低于16℃時(shí)，轉(zhuǎn)換至自然供冷模式，此時(shí)為部分自然冷卻模式；當(dāng)冷卻水供水溫度低于10℃時(shí)，制冷機(jī)停機(jī)，為全部自然冷卻模式。

9)為冷凝器設(shè)置在線清洗裝置，通過電氣控制器控制清洗頻率，保證冷凝器的清潔度，降低污垢熱阻，提高傳熱系數(shù)，降低制冷機(jī)能耗。

因此，合理選擇冷源方案，直接影響到數(shù)據(jù)中心的PUE值和運(yùn)維成本，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能有著十分重要的意義。

2 數(shù)據(jù)中心的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是節(jié)能的核心

2.1 溫濕度要求

數(shù)據(jù)中心通常包括主機(jī)房、設(shè)備機(jī)房、輔助機(jī)房和管理用房。各類房間根據(jù)使用性質(zhì)的不同，對(duì)室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和空氣潔凈度的要求也不同。目前國內(nèi)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)中心主機(jī)房和設(shè)備機(jī)房環(huán)境溫度、相對(duì)濕度值遵循的是《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50174-2008)中的規(guī)定值，有的也參考美國ASHRAE(美國暖通制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì))發(fā)布的《ASHRAE Environmental Guidelines for Datacom Equipment2011》中推薦的溫度、相對(duì)濕度值，見表1。2011年12月中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)信息通信專業(yè)委員會(huì)數(shù)據(jù)中心工作組推出的《數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)白皮書》推薦使用表1中的溫濕度設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于耗能大戶的數(shù)據(jù)中心，主機(jī)房設(shè)置的環(huán)境溫度越高，空調(diào)制冷量可相對(duì)減少，空調(diào)耗能也就相對(duì)降低了。

表1 主機(jī)房的環(huán)境要求

2.2 新風(fēng)要求

機(jī)房新風(fēng)主要作用為：提供足夠的新鮮空氣，為工作人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境；維持機(jī)房正壓，避免灰塵進(jìn)入，保證機(jī)房有更好的潔凈度。新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能需要從以下幾方面入手：

1)新風(fēng)量的計(jì)算，需采用不同的計(jì)算方法，如換氣次數(shù)法、壓差法、風(fēng)速法等，對(duì)比計(jì)算結(jié)果，合理選定新風(fēng)量。

2)機(jī)房設(shè)備安裝完畢后，管線穿墻縫隙的封堵要嚴(yán)密，做到機(jī)房漏風(fēng)量最小，減少新風(fēng)的供給。

3)夏季新風(fēng)除去室內(nèi)含濕量等即可送入機(jī)房，無需深度除濕，達(dá)到防結(jié)露要求即可。冬季新風(fēng)送風(fēng)加熱也是達(dá)到防結(jié)露要求就行。

4)數(shù)據(jù)中心選址時(shí)要做好室外空氣質(zhì)量調(diào)研，提前確定腐蝕氣體類型，對(duì)比選擇化學(xué)過濾方法，盡量降低風(fēng)阻，減少新風(fēng)機(jī)組風(fēng)機(jī)能耗。

3 氣流組織設(shè)計(jì)的節(jié)能手段

3.1 主機(jī)房內(nèi)的細(xì)節(jié)處理

在設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生以下幾個(gè)方面的問題，從而使空調(diào)制冷無法充分發(fā)揮作用，導(dǎo)致機(jī)房熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

1)保證來自地板柵格的氣流風(fēng)速不會(huì)過高以及超越機(jī)柜的高度。

2)減少來自地板下方限制氣流向服務(wù)器流動(dòng)的各種阻礙，努力最小化各種阻塞的因素。

3)密接好線纜穿出地板的部分并密封好任何其他開口處。

4)將CRAC/CRAH單元與熱風(fēng)通道保持垂直。

5)應(yīng)讓多孔磚與CRAC/CRAH單元之間的距離在6′以上。

6)考慮采用物理辦法來隔離進(jìn)風(fēng)(冷)和回風(fēng)(熱)。

7)考慮在回風(fēng)氣流低于天花板時(shí)，安裝一個(gè)吊頂回風(fēng)壓力通風(fēng)系統(tǒng)。

8)將熱風(fēng)回路置于熱風(fēng)通道并盡可能靠近IT設(shè)備的排氣口。

9)合理化的布局，比如冷風(fēng)通道/熱風(fēng)通道的布置。

10)機(jī)架到天花板之間的距離。

11)活動(dòng)地板的高度應(yīng)通過計(jì)算確定，風(fēng)速不宜過大。

12)選擇穿孔地板類型時(shí)，應(yīng)綜合考慮布置位置和透風(fēng)率，并且選擇帶風(fēng)閥的穿孔地板以便日后進(jìn)行風(fēng)量平衡調(diào)試；根據(jù)機(jī)柜的冷量計(jì)算所需風(fēng)量，以2 m/s的速度計(jì)算穿孔板所需的截面積，從而確定穿孔板的數(shù)量。吊頂回風(fēng)格柵的設(shè)置遵循同樣原則。

3.2 CFD模擬

借助計(jì)算機(jī)CFD氣流模擬軟件，建立主機(jī)房模型，可對(duì)精密空調(diào)臺(tái)數(shù)、設(shè)置位置、風(fēng)口開孔率、架空地板高度及3.1中的問題進(jìn)行計(jì)算分析，找到最合理、最節(jié)能的處理方案。以某工程項(xiàng)目主機(jī)房模擬結(jié)果為例，利用CFD模擬幫助暖通設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段分析方案的合理性，避免氣流組織設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤發(fā)生。

機(jī)房空調(diào)機(jī)組的選擇有兩種方式，機(jī)組的基本信息對(duì)比如表2所示。

表2 空調(diào)機(jī)組信息

設(shè)計(jì)工況下，兩種方案各臺(tái)空調(diào)的負(fù)荷率如圖2和圖3所示，150kW機(jī)組方案總額定制冷量為750kW，各空調(diào)的負(fù)荷率為90.6%～94.2%；120kW機(jī)組總額定制冷量為840kW，各空調(diào)的負(fù)荷率為82.0%～85.7%，在現(xiàn)有機(jī)組布置情況下，120kW機(jī)組制冷量余量較大，可以滿足進(jìn)一步增設(shè)服務(wù)器的需求。

圖2 150kW空調(diào)機(jī)組使用率圖

圖3 120kW空調(diào)機(jī)組使用率圖

沿高度方向各機(jī)柜最大進(jìn)風(fēng)溫度如圖4和圖5所示，可以看出，120kW機(jī)組方案沿機(jī)柜高度方向，整體都基本處在一個(gè)較低的送風(fēng)溫度范圍內(nèi)。

圖4 150kW空調(diào)機(jī)組地板送風(fēng)溫度分布圖

圖5 120kW空調(diào)機(jī)組地板送風(fēng)溫度分布圖

房間溫度分布如圖6和圖7所示。

圖6 150kW空調(diào)機(jī)組地板上方1m處溫度截面圖

圖7 120kW空調(diào)機(jī)組地板上方1m處溫度截面圖

各送風(fēng)孔板出口送風(fēng)量如圖8和圖9所示，靠近精密空調(diào)的孔板處，由于風(fēng)速較大，此處送風(fēng)氣流動(dòng)壓大，靜壓小，靜壓小于環(huán)境壓力時(shí)，孔板處不易出風(fēng)，會(huì)造成該處位置機(jī)柜熱量難以排走，局部溫度過高。120kW機(jī)組方案送風(fēng)量過低的孔板數(shù)目要小于150kW機(jī)組方案，同時(shí)，在相同送風(fēng)溫度(17℃)下，120kW機(jī)組方案送風(fēng)量較大，故而回風(fēng)溫度較低，機(jī)房整體溫度較低。最終根據(jù)對(duì)比選用第二種方案。

圖8 150kW空調(diào)機(jī)組地板送風(fēng)口風(fēng)速圖

圖9 120kW空調(diào)機(jī)組地板送風(fēng)口風(fēng)速圖

4 空調(diào)系統(tǒng)的控制對(duì)節(jié)能意義重大

典型的數(shù)據(jù)中心冷源站房中制冷機(jī)、水泵及冷卻塔是能耗最大的設(shè)備，他們通常是全年7×24h，(共8 760h)運(yùn)行。這就為控制策略提供了最大的節(jié)能潛力。設(shè)計(jì)一個(gè)能做出快速反應(yīng)和高可靠性運(yùn)行的控制系統(tǒng)，使各能耗設(shè)備均能在高效點(diǎn)運(yùn)行，協(xié)調(diào)工作成為暖通設(shè)計(jì)師與自控設(shè)計(jì)師共同的目標(biāo)。空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制中主要包括：部分負(fù)荷運(yùn)行、冷源工況切換、主機(jī)房精密空調(diào)集中節(jié)能控制等。

4.1 部分負(fù)荷運(yùn)行

數(shù)據(jù)中心節(jié)能的最有效方法是減少機(jī)房精密空調(diào)壓縮機(jī)或冷源站房冷機(jī)壓縮機(jī)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)或運(yùn)行時(shí)間。在數(shù)據(jù)中心初期IT業(yè)務(wù)發(fā)展階段，機(jī)房負(fù)荷沒有達(dá)到設(shè)計(jì)工況時(shí)，規(guī)劃好空調(diào)的運(yùn)行，減

作者簡介

朱慧賓

2003年畢業(yè)于太原理工大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)，高級(jí)工程師，暖通空調(diào)專業(yè)注冊(cè)公用設(shè)備工程師?，F(xiàn)供職于中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司(原中國建筑設(shè)計(jì)研究院)智能工程中心，目前主要從事數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目暖通專業(yè)的設(shè)計(jì)工作。社會(huì)兼職：中國勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)建筑環(huán)境與設(shè)備分會(huì)北京市委員會(huì)副秘書長；《暖通空調(diào)》特邀通訊員。完成的主要大、中規(guī)模工程有廣東東莞日月星城、合肥機(jī)場航站樓、大連星海國際酒店等。獲獎(jiǎng)項(xiàng)目：東莞新世紀(jì)星城一期(2009年東莞市優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng))，中國民生銀行總部基地?cái)?shù)據(jù)中心(中國計(jì)算機(jī)用戶協(xié)會(huì)機(jī)房設(shè)備應(yīng)用分會(huì)2011年度數(shù)據(jù)中心優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案獎(jiǎng))，中國建設(shè)銀行北京生產(chǎn)基地?cái)?shù)據(jù)中心(中國計(jì)算機(jī)用戶協(xié)會(huì)機(jī)房設(shè)備應(yīng)用分會(huì)2013年度數(shù)據(jù)中心優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案獎(jiǎng))。

少耗能大的設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，使所有設(shè)備均能在高效點(diǎn)運(yùn)行是行之有效的辦法。例如：

1)在低負(fù)荷工況下減少壓縮機(jī)開啟時(shí)間，利用蓄冷罐超大容量(與初期蓄水量相對(duì)比)的冷水儲(chǔ)存，為系統(tǒng)盡可能長時(shí)間提供所需冷量。但前提是要保證系統(tǒng)的可靠及穩(wěn)定運(yùn)行。這種方法需對(duì)比初期負(fù)荷量與冷機(jī)設(shè)置量、初期持續(xù)制冷量需求與蓄冷罐儲(chǔ)冷量、冷機(jī)開停機(jī)時(shí)間等方面的問題，綜合考慮判斷后才可以使用。

2)所有風(fēng)機(jī)和水泵應(yīng)考慮有變速裝置。通常，風(fēng)機(jī)和水泵的輸入功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低10%，能耗降低27%；若轉(zhuǎn)速降低20%，能耗就降低49%。

4.2 冷源工況切換

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件不同，制冷系統(tǒng)可在制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻三種模式下運(yùn)行，模式的轉(zhuǎn)換由主控制器根據(jù)室外空氣濕球溫度及穩(wěn)定性，冷卻塔風(fēng)機(jī)單元的負(fù)荷，冷機(jī)及板式換熱器的運(yùn)行狀況來綜合確定。

4.3 機(jī)房精密空調(diào)機(jī)集中節(jié)能控制

為同一IT機(jī)房服務(wù)的多臺(tái)機(jī)房精密空調(diào)機(jī)需

要有群控功能，控制系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場情況，將空調(diào)設(shè)備聯(lián)動(dòng)與群控，保證每臺(tái)空調(diào)均能在高效點(diǎn)工作，在保證供冷效果不變的前提下，整體能耗保持最低。這還需要暖通設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)CFD軟件提前模擬多臺(tái)不同空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的送風(fēng)及制冷效果，將不滿足要求的多臺(tái)機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組合形式從控制系統(tǒng)中排除。

5 結(jié)束語

綜上所述，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)離不開暖通空調(diào)，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能建設(shè)更離不開暖通空調(diào)。建設(shè)一個(gè)PUE最低、最節(jié)能的數(shù)據(jù)中心，需要全面考慮，在確定合理的方案下，抓住方方面面的細(xì)節(jié)，利用新的技術(shù)，搭建一個(gè)可靠、現(xiàn)代、綠色的數(shù)據(jù)中心。

[1] 任兵等譯.數(shù)據(jù)通信設(shè)施節(jié)能最佳實(shí)踐(原著第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)信息通信專業(yè)委員會(huì)數(shù)據(jù)中心工作組.數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)白皮書,2011.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50174-2008)[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.