劉 聰

(上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201306)

隨著我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，數(shù)字化程度日益提高，數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要保障，其規(guī)模不斷擴(kuò)大，隨之也帶來(lái)了巨大的能源消耗，2019年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量占社會(huì)耗電量2.2%，超1 500億kW·h，成為典型的耗電大戶，同時(shí)在運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)中心面臨電費(fèi)快速增長(zhǎng)、利潤(rùn)壓力大的形勢(shì)。

針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)家全面部署數(shù)據(jù)中心的節(jié)能工作，將節(jié)能減排的要求逐漸納入運(yùn)營(yíng)商各級(jí)公司考核關(guān)鍵指標(biāo)(KPI)，利用節(jié)能改造手段達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)成為當(dāng)前從事數(shù)據(jù)中心運(yùn)維工作者的研究方向之一。制冷系統(tǒng)能耗在數(shù)據(jù)中心整體能耗架構(gòu)中所占的比重達(dá)到40%[1]，制冷系統(tǒng)的節(jié)能改良工作對(duì)于降低數(shù)據(jù)中心整體耗電量將具有很大幫助。

上海某公司針對(duì)所屬早期建設(shè)的數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)的能耗高，效率低的問(wèn)題，自2019年起對(duì)運(yùn)行中的數(shù)個(gè)老舊數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造施工，采取了對(duì)老舊定頻風(fēng)冷空調(diào)改造和氣流組織優(yōu)化的兩種手段實(shí)現(xiàn)IDC的節(jié)能運(yùn)行，其中在老舊定頻空調(diào)項(xiàng)目中，分別對(duì)3個(gè)試點(diǎn)機(jī)房采取了增裝節(jié)能控制柜、氟泵改造節(jié)能施工方案，實(shí)踐表明：兩種方案均獲得了不同程度的節(jié)能效果。因此，筆者將立足于IDC產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，分析現(xiàn)有的IDC的能耗水平，通過(guò)對(duì)上海某公司IDC老舊定頻風(fēng)冷空調(diào)的節(jié)能改造項(xiàng)目持續(xù)跟蹤，研究各種改造方式的工作原理和在實(shí)施后所達(dá)到的節(jié)能效果，并對(duì)實(shí)際運(yùn)行暴露出的問(wèn)題進(jìn)行討論，提出一系列的優(yōu)化方案；針對(duì)該公司內(nèi)存在熱環(huán)境問(wèn)題的機(jī)房進(jìn)行研究，利用CFD模擬的方式，提出優(yōu)化建議，消除局部熱點(diǎn)和局部冷區(qū)，提高服務(wù)器運(yùn)行安全性和減少冷量浪費(fèi)，做到安全運(yùn)行和節(jié)能高效。

1 節(jié)能改造方案

1.1 風(fēng)冷制冷設(shè)備改造

風(fēng)冷型制冷設(shè)備因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、初期投入低、可靠性高的原因被中小型數(shù)據(jù)中心廣泛使用。風(fēng)冷型制冷設(shè)備由室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)和連接氟管組成，室內(nèi)機(jī)由壓縮機(jī)、膨脹閥和蒸發(fā)器組成，室外機(jī)利用冷凝設(shè)備進(jìn)行散熱，利用氟管可以實(shí)現(xiàn)冷量輸送和氣流傳輸。風(fēng)冷空調(diào)整體能效相對(duì)較低，而且由于廣泛使用的原因，所以能耗巨大，是節(jié)能減排的最佳目標(biāo)，當(dāng)前風(fēng)冷空調(diào)節(jié)能改造工作主要通過(guò)降低壓縮機(jī)的使用時(shí)間和減少壓縮機(jī)工作能耗兩種方式達(dá)到節(jié)能目的。

1.2 風(fēng)冷空調(diào)改造

1.2.1 氟泵改造。 氟泵空調(diào)通常利用“雙冷源”即壓縮機(jī)制冷和自然冷源實(shí)現(xiàn)純壓縮機(jī)制冷工作模式、壓縮機(jī)-氟泵工作模式、純氟泵工作模式。3種工作模式轉(zhuǎn)換受到室外溫度、冷凝壓力影響，正常情況下轉(zhuǎn)換溫度如下：①壓縮機(jī)模式適用于氣溫高于25℃。 ②壓縮機(jī)-氟泵工作模式適用于氣溫5℃～25℃。 ③純氟泵工作模式適用于低于5℃。

由于氟泵功耗遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)功耗，所以利用氟泵減少壓縮機(jī)使用可以有效降低制冷系統(tǒng)整體能耗。氟泵改造利用旁通壓縮機(jī)的方式，減少壓縮機(jī)使用時(shí)間，降低壓縮機(jī)能耗，氟泵工作原理圖(如圖1所示)。在過(guò)渡季節(jié)適用壓縮機(jī)-氟泵工作模式，此時(shí)氟泵主要增加冷凝器出口壓力，降低壓縮機(jī)工作能耗，壓縮機(jī)-氟泵工作模式若采用變頻空調(diào)可以更好達(dá)到節(jié)能效果；在氣溫較低的冬季，關(guān)停壓縮機(jī)，利用氟泵系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)冷媒流通，制冷系統(tǒng)此時(shí)作為一套冷熱交換的熱管設(shè)備。在實(shí)際運(yùn)行中，壓縮機(jī)-氟泵工作模式相比較純壓縮機(jī)工作可以降低能耗20%，而純氟泵模式的節(jié)能效率高達(dá)60%。

圖1 氟泵原理

1.2.2 變頻改造。 定頻空調(diào)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投入低、安全性高的原因在早期數(shù)據(jù)中心中廣泛使用，但是可能存在冷熱不匹配的問(wèn)題造成冷量浪費(fèi)。對(duì)定頻空調(diào)的變頻改造，可以根據(jù)機(jī)房的負(fù)載熱量調(diào)整冷媒流量，降低冷量浪費(fèi)，從而降低制冷系統(tǒng)能耗。在上海某機(jī)房改造項(xiàng)目中，采用安裝節(jié)能控制柜的方式，通過(guò)對(duì)比設(shè)定溫度和室內(nèi)溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷媒流動(dòng)，使冷熱匹配，在定頻改變頻項(xiàng)目中空調(diào)耗電量降低17%。

1.3 氣流組織優(yōu)化

氣流組織優(yōu)化是改善熱環(huán)境的重要手段，研究表明不合理的氣流組織不但會(huì)造成冷量的浪費(fèi)，而且會(huì)增加機(jī)房能耗[2]。利用氣流組織優(yōu)化的方式可以減少機(jī)房冷熱摻雜情況，提高冷量利用率，消除局部熱點(diǎn)和機(jī)房存在的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)[3]，氣流組織改造原則是不對(duì)機(jī)房進(jìn)行結(jié)構(gòu)性改造，保證優(yōu)化過(guò)程中機(jī)房正常運(yùn)行[4]。

1.4 氣流組織模擬校驗(yàn)

氣流組織改造項(xiàng)目利用CFD軟件對(duì)機(jī)房進(jìn)行模擬仿真，模擬仿真前需要對(duì)仿真的結(jié)果和實(shí)際對(duì)照，確保準(zhǔn)確性，才能達(dá)到“對(duì)癥下藥”的目的，通常利用實(shí)際和仿真地板上溫度場(chǎng)校驗(yàn)、地板底部出風(fēng)量對(duì)比的兩種方式判斷模擬仿真的準(zhǔn)確性。

1.4.1 溫度場(chǎng)校驗(yàn)。利用移動(dòng)環(huán)境測(cè)量平臺(tái)，獲取機(jī)房?jī)?nèi)不同位置不同高度的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)這種方式可以獲得精確地溫度數(shù)據(jù)得到實(shí)測(cè)云圖，對(duì)比CFD軟件得到的模擬溫度云圖，如果兩者冷熱分布相似，便可確認(rèn)本次模擬有效。

1.4.2 地板底部出風(fēng)量對(duì)比。利用地板底部出風(fēng)量實(shí)測(cè)和模擬對(duì)比可以驗(yàn)證氣流仿真的準(zhǔn)確性，若模擬值和實(shí)測(cè)值誤差保證在10%以內(nèi)，則證明機(jī)房地板下模擬的有效性。

1.5 機(jī)房存在問(wèn)題及改造方案

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心的勘察和模擬仿真，發(fā)現(xiàn)老舊數(shù)據(jù)中心普遍存在負(fù)載和出風(fēng)量不匹配、部分機(jī)柜存在反裝設(shè)備造成局部熱點(diǎn)、冷風(fēng)量利用率低說(shuō)明空調(diào)使用亟須優(yōu)化的問(wèn)題，通常根據(jù)整改經(jīng)驗(yàn)采取以下整改方案：①針對(duì)地板下氣流存在湍流以及部分區(qū)域有負(fù)壓倒吸風(fēng)的問(wèn)題，通常采用安裝導(dǎo)流條和調(diào)整地板開(kāi)孔率的方案。導(dǎo)流條可以有效解決地板下氣流不暢的問(wèn)題，將冷空氣更有效地送到指定區(qū)域，消除因?yàn)橐虻匕逑蚂o壓不穩(wěn)而導(dǎo)致的負(fù)壓倒吸風(fēng)和湍流問(wèn)題。 ②反裝設(shè)備是實(shí)際進(jìn)出風(fēng)方向與機(jī)柜冷熱側(cè)方向相反，這種現(xiàn)象不但會(huì)對(duì)機(jī)柜氣流組織節(jié)能十分不利也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備自身壽命降低和出現(xiàn)安全性問(wèn)題。針對(duì)部分區(qū)域存在反裝設(shè)備的問(wèn)題，通常采取對(duì)該區(qū)域進(jìn)行不完全冷氣流封閉的方案。調(diào)整設(shè)備的安裝是反裝設(shè)備問(wèn)題最有效地改善手段，但是改變安裝方向需要尋求客戶的支持，在無(wú)法調(diào)整方向的前提下，可以采用允許部分冷空氣進(jìn)入熱側(cè)幫助反裝設(shè)備降溫的方式，也就是對(duì)存在反裝設(shè)備的區(qū)域進(jìn)行不完全冷氣流封閉。這種方案雖然可以保障設(shè)備的安全運(yùn)行，但是增加空調(diào)能耗，不利于冷熱氣流隔離，導(dǎo)致節(jié)能效果變差。③針對(duì)冷風(fēng)利用率低的問(wèn)題，在進(jìn)行開(kāi)孔地板調(diào)整和安裝倒流裝置后，在保證設(shè)備符合GB-50174要求的前提下適量關(guān)閉空調(diào)。

1.6 優(yōu)化結(jié)果及項(xiàng)目案例

經(jīng)過(guò)改造方案的實(shí)施，消除入口溫度過(guò)低和過(guò)熱的現(xiàn)象，滿足IT設(shè)備溫度需要在18 ℃～27 ℃溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的要求。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后RCI(計(jì)算機(jī)架冷卻指數(shù))和ASE數(shù)值(冷風(fēng)利用率)的方法，得出該數(shù)據(jù)中心經(jīng)過(guò)以上方案改造后熱環(huán)境改善情況，從而驗(yàn)證本次施工方案的有效性。

1.6.1 RCI計(jì)算公式。

(1)

(2)

式中：Tx—IT設(shè)備入口溫度；

Tmax-rec—最高建議溫度(25℃)；

Tmax-all—最高允許溫度(27℃)；

N— 實(shí)測(cè)入口數(shù)目；

Tmin-rec—最低建議溫度(20℃)；

Tmin-all—最低允許溫度(18℃)。

按照當(dāng)前通用標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)計(jì)算數(shù)值大于96%為良好，數(shù)值在91%～95%之間時(shí)可以接受，小于90%時(shí)為差。

1.6.2 ASE的計(jì)算。

(3)

式中：Vrack-in—IT設(shè)備需求風(fēng)量；

Vacu-supply— 總循環(huán)風(fēng)量。

通過(guò)對(duì)上海某數(shù)據(jù)中心的勘察和模擬仿真，發(fā)現(xiàn)該機(jī)房存在負(fù)載和出風(fēng)量不匹配，地板下氣流存在湍流以及部分區(qū)域有負(fù)壓倒吸風(fēng)的問(wèn)題，提出利用安裝導(dǎo)流條和調(diào)整地板開(kāi)孔率的方案；針對(duì)部分區(qū)域存在反裝設(shè)備的問(wèn)題，提出了對(duì)該區(qū)域進(jìn)行不完全冷氣流封閉的方案；針對(duì)冷風(fēng)利用率低的問(wèn)題，在進(jìn)行開(kāi)孔地板調(diào)整和安裝倒流裝置后提出適量關(guān)閉空調(diào)的方案；針對(duì)冷量利用率低的問(wèn)題，提出適當(dāng)關(guān)?？照{(diào)地方案。仿真結(jié)果表明，以上措施的實(shí)施，有利于該數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的改善，也有助于機(jī)房節(jié)能，在上海某數(shù)據(jù)中心的氣流改造項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)改造后可以達(dá)到20%左右的節(jié)能效果。

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3種方案的介紹，發(fā)現(xiàn)3種方案可以一定程度解決機(jī)房高功耗的問(wèn)題，其中定頻空調(diào)轉(zhuǎn)變頻空調(diào)可以通過(guò)控制冷媒流量的方式，調(diào)整制冷量，提高機(jī)房冷熱匹配度；氟泵改造通過(guò)旁通壓縮機(jī)的方式，減少壓縮機(jī)的使用時(shí)間，降低壓縮機(jī)功耗，達(dá)到節(jié)能目的；利用氣流組織優(yōu)化，可以提高冷風(fēng)利用率，消除局部熱區(qū)，提高機(jī)房能效和安全性。在改造前需要考慮機(jī)房的實(shí)際情況和改造成本投入選擇合適的改造方案，盡量降低回收周期，定頻改變頻方式，節(jié)能收益受到改造前機(jī)房制冷冗余量的影響，改造前需要計(jì)算機(jī)房冷量情況；氟泵改造初期投入較大，需要盡可能延長(zhǎng)出氟泵的工作時(shí)間，在改造前需要考慮全年溫度情況和機(jī)房負(fù)載情況。