数据中心冷源方案解析
———以杭州地区为例

滕世兴

中国电子工程设计院

0 引言

随着数据中心机柜功率密度的不断提高，解决机房散热问题受到各界强烈关注。IT/电信相关的碳排放已经成为最大的温室气体排放源之一，且排放势头随着计算，数据存储和通信技术需求的增长快速上升。即使大力提高数据中心的能效，到 2020年，全球IT相关碳排放也将达到15.4亿吨。杭州是全国5个云计算服务创新发展试点示范城市之一，在云计算产业发展上走在前列。预计到2017年，杭州将培育2至 3家国际知名百亿级云计算和大数据龙头企业，打造200家中小型云计算和大数据服务企业。所以研究影响杭州地区数据中心能耗最直接、最关键的冷源方案设置，显得尤为重要。

1 杭州地区空气质量分析

AQ（I Air Quality Index，空气质量指数）是定量描述空气质量状况的无量纲指数，主要污染物为细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六项。从图1可以看出，杭州地区全年 AQI低于100（优、良）的天数约70%。

图1 杭州AQI日分布情况图

SO2会腐蚀电路板和连接件，是服务器敏感污染物，SO2的浓度＜10 ppb，即 28 ug/m3适合数据中心服务器运行[1]。通过分析杭州地区 SO2日变化趋势（图2），杭州地区全年10%超出参考值。

图2 杭州SO2日变化趋势图

通过AQI、SO2分析，杭州地区室外新风全年不满足率接近30%，不适合采用全新风空调制冷方案。

2 杭州地区全年温度分布分析

对应15/21 ℃冷冻水制冷系统，制冷单元采用三种运行模式：机械制冷模式（15.5 ℃＜湿球温度）。部分自然冷却模式（8 ℃＜湿球温度＜15.5 ℃）。自然冷却模式（湿球温度＜8 ℃）。从图3可以看出，杭州地区每个制冷模式区间内温度相对稳定，模式切换频率低，运行相对安全。杭州全年自然冷却、部分自然冷却比例达到40%（图4），适合采用水冷自然冷却形式。

图3 杭州地区全年逐时湿球温度对应三种制冷模式时间分布图

图4 杭州地区三种制冷模式时间分布比例图

3 杭州地区不同冷冻水温度对系统运行的影响

以杭州地区某1万m2数据中心项目为例，进行不同冷冻水温度自然冷却时间、冷源（包括冷机、水泵、冷却塔）耗电对比（表1）。本项目机柜容量6 kW/台，机柜数量1000台，电费按照1元/kWh计算。

表1 杭州地区某数据中心不同冷冻水温度对比

冷冻水温度每提高1℃，冷水机组的制冷量将提高3%～4%。本项目冷冻水供回水温度15/21 ℃较12/18 ℃制冷系统冷源部分年节省运行费用115万，年节省10%左右。17/23℃较15/21℃制冷系统冷源部分年节省运行费用67万，年节省6%左右。因此提高冷冻水温度是数据中心节能的关键。

4 数据中心常用冷源方案

4.1 水冷冷冻水机组+自然冷却系统

本方案组成设备包含：水冷冷水机组、板式换热器、冷却水泵、冷却塔、冷冻水泵、定压补水装置、加药装置、蓄冷水罐、末端空调机组等组成（图5）。

图5 水冷冷冻水机组+自然冷却系统图

整个系统由冷冻水系统和冷却水系统组成，系统分三种工作模式：制冷、部分自然冷却、完全自然冷却。目前国内主流大型数据中心主要采用该制冷方式。

4.2 风冷冷冻水机组+自然冷却系统

本方案组成设备包含：风冷冷水机组、干冷器、板式换热器、乙二醇泵、冷冻水泵、定压补水装置、加药装置、蓄冷水罐、末端空调机组等（图6）。

图6 风冷冷冻水机组+自然冷却系统图

整个系统由冷冻水系统和乙二醇水溶液系统组成，系统分三种工作模式：正常制冷、部分自然冷却、完全自然冷却。带自然冷却功能的风冷一体机，可以根据室外温度自动切换各种模式，适用于小型或者无法建设冷冻站的数据中心。

4.3 自带冷源式风冷空调机组+自然冷却

自带冷源式风冷空调机组系统属于分散式空调系统，是一套配置有压缩机制冷系统和乙二醇自然冷却系统的一体机（图7）。通过室外干式冷却器（或冷却塔）的强制冷却，以乙二醇溶液为载冷剂，通过循环水泵将室外低温免费冷源间接带入机房，对机房设备进行冷却。夏季时，转入常规水冷蒸发式压缩机制冷。适用于极小型或者无法提供冷冻水的数据中心。

图7 自带冷源式风冷空调机组+自然冷却系统图

5 方案比较

表2为初投资及运行费用对比分析。表中，PUE=所有设备的电耗/IT设备的电耗（kW/kW），W UE=制冷蒸发总耗水量/IT 设备的耗电（L/kWh）。不同的设备品牌价格对初投资影响较大，P UE、W UE 随运维的水平、机 柜的实际负载率变化较大。

表2 初投资及运行费用对比分析

表3为其他方面对比分析。

表3 其他方面对比分析

6 数据中心冷水机组变频的节能性

表4为杭州地区 750RT冷机（制冷量 2637 kW）变频、定频全年能耗对比分析（电费按照 1元/kWh 计算）。从表4中可以看出，单台750RT变频机组比单台定频机组全年节约电费 26%，全年节约电费 42 万，远远高于1台变频器的费用，节能和经济效益显著。

表4 杭州地区冷机变频、定频全年能耗对比分析

7 数据中心冷源设置相关规范要求

国家标准GB50174-2017《数据中心设计规范》对数据中心冷源部分对应不同等级的配置要求如表5[2]。

表5 《数据中心设计规范》冷源部分要求

表6 《数据中心电信基础设施标准》冷源部分要求

美国标准ANSI/TIA942-2014Infrastructure《Telecommunications Standard for Data Centers》（数据中心电信基础设施标准）对数据中心冷源部分对应不同等级的配置要求如表6[3]。

UPTIME INSTITUE，L LC（美国）Date Center Site Infrastructure Tier Standard:Topology。《数据中心基础设施评级标准：拓 扑设计》对数据中心冷源部分对应不同等级的配置要求如表7[4]。

表7 《数据中心基础设施评级标准：拓扑设计》冷源部分要求

8 结论

通过以上比较可以看出，在杭州地区水冷冷水机组（变频）+自然冷却系统方案，不论从初投资、运行能耗，还是技术成熟度，都有绝对的优势。特别是在国家标准 A 级和美国标准 T3、T4 级别数据中心所要求的连续制冷方面，在水资源充足的杭州地区是首选方案。在缺水干旱地区，市政给水量不足的地区，可以采用风冷冷水机组+自然冷却系统方案。极小型或者无法提供冷冻水的数据中心，建议采用自带冷源式风冷空调机组+自然冷却方案。