數據中心工程中暖通系統節能對策研究

邢雪松

摘 ? ?要：我國數據中心的建設規模不斷增大，處于高速的建設發展時期，各政府部門對戰略性新興產業的大力扶持，以及對云計算、物聯網、寬帶和下一代網絡的發展的高度重視，二十一世紀人類社會正在逐步進入信息時代，各行各業的數據中心建設規模越來越大。但隨著數據中心規模的不斷擴大，服務器發熱密度越來越高，數據中心能耗問題日益突出。數據中心中暖通系統能耗占據著較大比例，暖通系統節能刻不容緩。西方發達國家中暖通系統僅占社會總能耗的百分之十五左右，而在我國暖通系統能耗卻占社會總能耗的百分之三十，可見暖通系統節能的必要性。本文將針對數據中心工程中暖通系統的節能措施展開研究和分析。

關鍵詞：數據中心;暖通;節能

1 ?引言

隨著數據中心的不斷變大，綠色節能數據中心已經由概念走向實際。越來越多的數據中心在建設時將PUE值列為一個關鍵指標，追求更低的PUE值，建設綠色節能數據中心已經成為業內共識。例如，微軟公司建在都柏林的數據中心其PUE值為1.25。據最新報道Google公司現在已經有部分數據中心的PUE降低到1.11。而我們國內的PUE平均值基本在1.5～2.0，中小規模機房的PUE值更高，大都在2.5以上。我們在數據中心綠色節能設計方面與國外還存在很大差距，其設計思想及理念非常值得我們借鑒。而降低PUE的關鍵是降低數據中心暖通系統的耗電。

2 ?背景

在測試的數據中心中主要負荷來自A樓4個機房和B樓6個數據機房中的負載設備及幾個機房的供冷設備。目前該數據中心裝機量占總裝機量的30%左右，暖通系統僅開啟B樓一套冷機及冷卻塔來負責A、B兩棟樓的供冷，兩棟樓通過母聯暖通管道連接。由于負荷較低，冷機的利用率較低。機房內的末端空調分為精密空調、列間空調、背板空調等。

冷機及冷卻塔情況，A、B樓各兩臺離心冷機，目前開啟B樓一臺離心機進行供冷。末端空調情況，每個機房配備1-2個空調間，共開啟背板空調262臺，開啟精密空調60臺在運行。機房機柜情況，每個數據機房面積約為515m2，機柜數量約200個?？傮w來說，目前數據中心處于極低負荷狀態，包括暖通設備運行狀態也是如此。

3 ?測試及整改措施

背板空調送風的摻混問題嚴重，裝有不同機型服務器的空調摻混情況也差異較大。背板空調的摻混情況主要在上部和下部，主要是機柜裝載盲板數量不足。一些服務器自身風扇排風量大于背板風扇排風量，在無盲板的位置熱風返回與冷通道的冷風摻混后又被服務器吸入，造成降溫效率降低。改進措施：盲板裝載不足需考慮增加盲板來擋風，防止熱風返回與冷風摻混。

背板空調風扇排風不足導致回風嚴重，由于風扇轉速控制邏輯混亂，在現有排布情況下，進行控制邏輯進行修改，將常規風速調整與服務器的風速和溫度進行匹配。

在未來機房排布和設計中，背板控制邏輯應當根據放置的不同機器，設置不同的排風風速檔位供選擇，或者將同一類型的機器放置在一列機柜中，以整體的安排風扇轉速，達到節能效果。

3.1 ?現存問題

對單個機柜來說送風量不足，服務器的風扇排風量大于送風量，導致上部出現回風摻混。應該加大單個機柜送風量。

對于整個機房來說，整體的送風量為44.9m3/s遠高于需求的送風量22.9m3/s，即有22m3/s的冷風沒有經過服務器直接通過空間直接回到熱通道與熱風進行摻混，進而增加了空調能耗。

精密空調末端除濕和恒濕機加濕同時進行。而導致這一現象出現的根本原因在于目前供水溫度14℃太低，低于回風露點溫度。對各個精密空調的回風測試后發現將冷凍水供水溫度提高至16.2℃以上即可解決這一問題。

各精密空調工作狀態差異大。其中一些空調的輸配系數遠低于額定工況，運行效果不好。

風機能耗浪費。一些空調箱的水閥和風機嚴重不匹配：水閥開度較小，相應換熱量較小，但風機轉速依然處于較高水平，造成不必要的能耗。

3.2 ?改進措施

將無服務器通道封閉地板和百葉防塵板，阻擋冷熱風摻混。

改善服務器排布。根據測試情況，整個機房負荷率為設計的8.95%，而機柜占有率為23%，空置冷通道為50%，可見機柜擺放沒有整體規劃和設計，基本為意愿隨意擺放。如果將服務器集中擺放，可以大面積減少冷風浪費，同時可削減送風量，提升冷凍水溫度。

將冷凍水供水溫度提高至16.2℃以上即可解決同時除濕和加濕的情況。

數據機房熱負荷均勻分配給六個冷通道，總風量、回風溫度標準不變;關閉4號、5號精密空調，同時依據前面末端計算結果，降低總風量、提高回風溫度標準。

4 ?數據中心工程中暖通系統節能的措施

通過前文的分析，不難看出數據中心工程中暖通系統節能的重要性和必要性。下面通過幾點來分析數據中心工程暖通系統節能的措施。

4.1 ?合理的氣流組織

通過前文對數據中心環境要求的分析，可以知道數據中心主機房對環境的潔凈度及溫濕度都有較高要求，主機房內必須要進行新風換氣。在夏季時新風處理比較簡單，只需進行簡單的除濕即可。而在冬季，室外溫度較低，且空氣含濕量低于室內空氣含濕量，空氣處理中既要加濕又要加熱，而當前的加熱加濕方式顯然會造成能源利用的不合理。因此，新風處理可考慮采用換熱機組，利用機房內的回風加熱新風，不僅降低了新風加熱能耗，同時減少了末端空調風機能耗。另一方面，為了使暖通系統性能得到更好的發揮，避免冷熱風混合，氣流組織設計中單機柜熱密度若在5kW以下，可設冷熱通道。若在5kW以上，可考慮設置封閉式冷熱通道。目前國內大多采用的是封閉冷通道，但工程中如果對送風溫度有一定要求，可采用封閉熱通道。封閉通道能夠降低機柜的漏風率，最大限度的優化氣流組織，有效降低能耗。此外，應設置隔離門，減少室內外空氣的對流。

4.2 ?加強對變頻技術的應用

目前國內數據中心應用的主流暖通系統控制技術分為兩大類：第一類是定頻技術，第二類是變頻技術。由于定頻控制技術下，冷凍泵需要持續運轉，以維持設置溫濕度，所以運行中能耗問題突出。而變頻控制技術下，利用了智能控制和感應技術，系統可根據實際溫濕度來自動調節運行模式，進行低能耗運行，以降低整體運行能耗。且這種控制技術控制精度大，能源利用率高，能夠有效降低暖通系統運行成本，提高系統運行靈活性，解決能耗問題。因此，數據中心工程中暖通系統應積極推廣和應用變頻控制技術。例如，深圳科士達在二零一一建設的數據中心，就應用了變頻控制技術，數據中心整體能力下降了百分之二十二，運行成本降低百分之十三，節能效果大大提升，溫控、濕控效果明顯改善，控制準確性明顯提高，科士達數據中心被評為最佳節能數據中心。

5 ?結束語

數據中心的建設離不開對暖通系統的應用，但暖通系統是數據中心的主要能源設施，能耗問題十分突出。高能耗不降會造成資源浪費，增加暖通系統運行成本，更會帶來嚴重的環境污染問題，數據中心工程中暖通系統節能至關重要。暖通系統設計中必須做好科學設計，考慮節能問題，積極融入新技術、新設備，以降低暖通系統能耗。暖通系統是數據中心耗電大戶，同樣也是可以優化數據中心節能的關鍵。主要需要優化的有：控制機房的氣流組織，達到精準送風，讓冷風的到充分的利用;控制暖通系統的供回水和風的溫度，使溫差達到最理想的值。

參考文獻：

[1] 程小丹，李崇輝，曹潔.數據中心設施運維指南[J].北京：電子工業出版社，2016.

[2] 張泉，李震.數據中心節能技術與應用[J].北京：機械工業出版社，2018.