浅析数据机房节能技术策略

应寅

（上海市安装工程集团有限公司）

（Shanghai Installation Engineering Group Co.,Ltd.）

1 引言

随着社会的发展，空调能耗在生产生活总能耗中一直占有相当大的比例，而能源短缺更加重了对空调使用的各种限制。数据机房是新基建发展的基础之一，能耗问题能否缓解是我国关注的焦点问题。

空调系统对数据机房内的环境温度变化具有合理调控的作用，能够有效地改善数据机房内设备运行环境，所以用怎样的空调冷却方式、如何优化控制方式对节能减排尤为关键[1]。

本文依托松江大数据计算中心项目（项目总建筑面积23000多㎡，容纳机构数量约4000个）探索在我国华东地区（建筑气候划分为“夏热冬冷地区”）利用适合的空调制冷技术节能、节水的经验。

2 机房冷却技术的比选

在自然环境条件中，室内温度变化主要受季节、气候、地理位置等自然因素的影响。通过水分蒸发冷却进行降温是一个大家熟识的物理过程，但直接蒸发冷却（Direct evaporative cooling，简称DEC）是通过空气与水大面积的直接接触，水的蒸发使空气和水的温度都降低，此过程会增加空气中的含湿量，空气的显热转化为潜热，是绝热加湿过程。在我国华东“夏热冬冷”地区还要考虑除湿，势必会增加整体能耗[2]。

间接蒸发冷却（Indirect evaporative cooling，简称IEC）是把直接蒸发冷却过程中降温后的空气和水进行非接触式换热处理，在室内温度降低的同时，含湿量不变（见图1）。

图1 DEC、IEC焓湿变化对比图

间接蒸发型空调机组与传统机械制冷机组相比，在耗电量、环境友好无污染、投资成本和维护难度等各方面都有优势。

但是，间接蒸发冷却在水和空气间热质交换过程中表现出来的高度时变和非线性特性，影响了控制（数学）模型的求解，以及相关物理模型的建立。

随着工业自控技术、建筑设备环境控制技术的发展，利用集成了电源、制冷机组、IT微模块和绿色环保材料的预制化数据中心物理基础设施系统，可以满足不同需求的机房部署，并能达到节能成效。

3 预制化制冷模块

在众多基础设施系统的功能模块中，与节能息息相关的就是制冷模块，本文论述的数据机房项目就是使用了国际领先的快交付周期（下单到交付3个月）、易快速部署（仅需三通一平）、紧凑标准化的箱式制冷组件（见图2），降低了全生命成本。

图2 间接蒸发制冷模块示意图

该组件以间接蒸发自然冷为核心技术，通过3种工况模式：空-空节能冷却模式、带蒸发冷却的空-空冷却模式和直膨制冷模式。直膨模式是前2种节能模式的补充，目的是防止在极端条件下，由于制冷要求不符导致数据机房内设备过热宕机或损坏，在控制逻辑中定义严苛，能耗比不大于整个能耗量的5%。

先进的制冷模块加上合理的模块化布局，才能最大限度的发挥机房集约化节能效果。该系统除了制冷模块之外，还有制冷接驳模块、IT模块、不间断电源模块以及自然冷却和补水模块。

本项目的基本模块架构和模块内计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics简称CFD）模拟图（见图3）。它能帮助设计施工人员从项目伊始，就能对气流温度分布有直观了解，也能从一开始就能针对降温不利点（热点）进行管控，通过设置风口，减少负荷，规划气流组织等有效技术手段加以规避。

图3 模块搭建及温度场分布(1.6m高处)图

该项目一共涉及图示模块组18组，每组包含12个IT模块、12个不间断电源模块、4个制冷接驳模块和8个制冷模块。每个IT模块可容纳机柜216个（单个机柜平均负载6.5kW），总计3888个机柜。

4 制冷控制策略及管理平台

本项目的制冷模块控制策略如图4所示。通过分布式控制单元获取所有模块组内传感信息，对设备实时状态进行监控，发布指令[3]。每个冷却模块连同电源模块、IT模块等所有模块组内子系统（设备），都通过高速数据网络以星型拓扑连接的方式，把每个模块组内的数据传输至分布式控制模块单元。数据主干网络再把所有模块组的设备信息投射至数据中心管理平台（DCIM）上。工程师可以分别配置分控单元和中央单元的信息处理和控制权限，平衡前后端的算力，使整个项目运行在最佳状态。

图4 制冷模块工艺控制流程简图

在数据中心管理平台（DCIM）人机交互的界面上，既能通过库存管理、PUE计算器、实时设备报警以及基于位置的下钻来即时纵览数据中心的运行情况，亦能利用云历史数据库进行分析比对，出具报表，通过智能型制冷控制来动态消除热点并节省能源[4]（见图5）。

图5 DCIM平台3D界面图

5 结语

数据中心的需求缺口与高耗能劣势，迫使我们必须建设绿色节能的数据中心。2019年，上海市经信委、发改委联合提出了“新建互联网数据中心PUE值严格控制在1.3以下”。本文论及的新建项目设计要求PUE值不高于1.3，从2021年5月开始试运行，月PUE均值1.29，完全符合设计要求。

笔者将带领建设与运维团队持续关注项目运行状态，预计通过一年的数据积累，相信会对该项目涉及的节能技术有更透彻的理解。希望通过不断的数据分析和研究，为后续类似工程的建设积累宝贵的经验。