山東同圓設(shè)計集團有限公司 宮曄

隨著網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)的不斷推進，當今社會已經(jīng)全面進入信息化階段。信息化的發(fā)展對“數(shù)據(jù)中心”的建設(shè)產(chǎn)生了巨大的需求，當前中國約有數(shù)據(jù)中心 50 萬個（以中小型數(shù)據(jù)中心為主）， 2007 年至 2012 年間，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場投資額的年增長率約為 20%，而數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)銷售額的平均年增長率更是達到了 35%。

據(jù)中心的能耗是指數(shù)據(jù)中心中各種用能設(shè)備消耗的能源總和。根據(jù)目前數(shù)據(jù)中心的能效水平，能耗構(gòu)成中 IT 設(shè)備能耗約占總能耗的 50%，空調(diào)系統(tǒng)能耗約占 40%，配電系統(tǒng)能耗約占 10%。對于數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)，主要作用就是帶走 IT 和配電設(shè)備的發(fā)熱量，維持溫濕度的恒定。因為 IT 與配電設(shè)備的絕大部分功耗都轉(zhuǎn)變成了發(fā)熱量，所以數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能效指標（ COP）大體為 IT 設(shè)備能耗與空調(diào)能耗的比值。即 50% 比 40%，約為 1.25 左右，最大不高于 1.5。這樣的能效水平可以算低下，具有較大的提升空間。樹上鳥教育暖通設(shè)計在線教學(xué)杜老師。

數(shù)據(jù)中心

一、設(shè)計中存在的問題

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）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)?？照{(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?？照{(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。

數(shù)據(jù)中心

（ 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。

二、實施方案

以大連地區(qū)一個 2500 個機架的數(shù)據(jù)中心為例，針對發(fā)現(xiàn)的問題，綜合采用多種節(jié)能技術(shù)，尋求一套解決數(shù)據(jù)中心高能耗的有效方法，在不影響可靠性的前提下實現(xiàn)空調(diào)能耗的降低。采用如下措施進行節(jié)能設(shè)計：

選用 800RT 離心式冷水機組三臺（輸入功率466kW）， 400RT 螺桿式冷水機組兩臺（輸入功率265kW），總制冷量 3200RT，另根據(jù)機房級別設(shè)置備用。運營初期負荷極小的情況下，利用螺桿機調(diào)節(jié)范圍的優(yōu)勢，避免部分負荷的低能效和系統(tǒng)喘振。根據(jù)氣象參數(shù)、工程設(shè)計條件確定系統(tǒng)供回水溫度，計算免費供冷的切換溫度并結(jié)合實際情況適當降低確定實際切換溫度，以避免頻繁切換，獲得合理的免費供冷期。

期內(nèi)對應(yīng)制冷機設(shè)計匹配的冷卻塔、板式換熱器，用于自然冷卻免費間接供冷。當季節(jié)過渡，室外濕球溫度超過切換溫度時開啟制冷機，制冷機配變頻器可實現(xiàn)冷卻水的低溫運行，最低運行溫度可低至 13℃。更低的冷凝側(cè)溫度使機組在小壓縮比工況下工作，性能系數(shù) COP 值大幅提高，相當于間接利用了自然冷源免費供冷。

數(shù)據(jù)中心

配合以上技術(shù)措施，冷凍水側(cè)采用 12℃/18℃的高水溫，一方面進一步降低壓縮比，另一方面高于室內(nèi)空氣 11.9℃ 的露點溫度，實現(xiàn)了空調(diào)末端干工況運行。干工況不僅簡化了系統(tǒng)，更適用于機房的工作環(huán)境，更是杜絕了不必要的除濕再加濕過程抵消的制冷量。與提高的冷凍水溫相對應(yīng)，空調(diào)器回風(fēng)溫度提高至 30℃，既加大了送風(fēng)溫差降低能耗，又使末端設(shè)定工況更接近實際情況，有利于運行的控制。

本工程采用的各項技術(shù)措施之間關(guān)系密切，不可相互孤立使用，需結(jié)合實際情況整體性靈活運用。

三、經(jīng)濟指標

按照該數(shù)據(jù)中心節(jié)能設(shè)計，冷卻水夏季 30/36，冬季 10/16 經(jīng)板換至 12/18 冷凍水 12/18。夏季冷卻塔冷幅 5℃，濕球溫度 25℃。冬季冷卻塔冷幅 8℃，切換濕球溫度 2℃。根據(jù)設(shè)計溫度可確定空調(diào)系統(tǒng)免費供冷期約為 100 天，過渡期約為 120 天，夏季標準運行工況約為 145 天。

（1）免費供冷期

單臺制冷機壓縮機運行功率 413kW，全部自然冷卻，相當于可節(jié)約電量 413kW，考慮管道電伴熱、積水盤電加熱等因素，節(jié)能效果按 75% 計算，則 4 臺機組共節(jié)能 413×75%×4=1239kW，年節(jié)約電量 297 萬 kW·h。

（2）過渡季

制冷機配變頻器可實現(xiàn)冷卻水低溫運行，最低溫度可達 13℃。整個過渡季按冷卻水平均水溫22/28℃ 考慮，冷凍水按 7/12℃ 考慮，同一制冷機組較標準工況下輸入功率降低， 800RT 的制冷機在過渡季實際運行功率為 413kW，則 4 臺機組共節(jié)能99×4=396kW，年節(jié)約電量 114 萬 kW·h。

（3）夏季

提高冷凍水溫，制冷機 COP 提升帶來的能耗節(jié)約：

節(jié)能

合計年節(jié)約電量 81 萬 kW·h。

濕空氣焓濕圖（大氣壓力： 99453Pa）

（4）常規(guī)冷凍水供回水溫度

7/12℃ 工況下，整個數(shù)據(jù)中心機房部分選用空調(diào)器 54 臺，空調(diào)器單 臺 制 冷 量 170kW， 風(fēng) 量 41400m3/h， 輸 入 功 率8.0kW。其送風(fēng)狀態(tài)點 A（見下頁焓濕圖）：干球溫度 12.1℃，濕球溫度 11.3℃， d=8.2g/kg。機房內(nèi)基本無濕負荷，空氣吸收機架散熱后升溫到新建狀態(tài)點 B： 干 球 溫 度 23℃， d=8.2g/kg，i=44.1kj/kg； 再通過而電極式蒸汽加濕器等溫加濕，到達室內(nèi)狀態(tài)點 C：干球溫度 23℃， d=8.9g/kg ， i=45.9kj/kg。從B 到 C 過程的⊿ i=1.8 kj/kg，即為除濕又加濕過程增加的潛熱冷負荷：1.8kj/kg×41400m3/h×1.2kg/m3×54=1341kW。

按冷水機組 COP 值 6.0 計算，此部分耗電功率223.5kw，即為可節(jié)約能耗。全年可以節(jié)約電量為196 萬 kW·h。

（5）提高冷凍水溫帶來了空調(diào)器末端制冷能力的降低

整個數(shù)據(jù)中心機房部分選用空調(diào)器 54 臺，空調(diào)器單臺制冷量 170kW，風(fēng)量 41400m3/h，輸入功率 11.2kW。常規(guī)冷凍水供回水溫度 7/12℃ 工況下，單臺空調(diào)器輸入功率只需要 8.0kW。故單臺能耗增加 3.2kW， 54 臺機組共增加 172.8kW。全年增加耗電量 151 萬 kW·h。

各項措施綜合累計節(jié)能效果：297+114+81+196-151=537kW。

本數(shù)據(jù)中心設(shè)計年耗電量為 7737 萬 kW·h，其中空調(diào)系統(tǒng)耗電約為 3100 萬 kW·h。采用本技術(shù)措施節(jié)能約 17.32%。

四、小結(jié)

本項目采用的節(jié)能技術(shù)抓住了數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗過高的根本原因，有針對性的解決了空調(diào)設(shè)計中節(jié)能技術(shù)不敢用無法用的問題，通過多種技術(shù)措施的配合使用，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，起到了顯著地節(jié)能效果。