浅谈大型数据中心空调冷却系统的应用和节能技术

刘姝玮

摘 要：互联网、大数据等技术的蓬勃发展使其重要基础设施之一的数据中心体现出规模大，能耗高，可用度和可维护性要求也极高的特点。大型数据中心空调制冷系统的构成复杂，使用时耗能大，以环保为核心的大趋势下，节能是各类系统优化的基本方向。本文分析了大型数据中心空调冷却系统的特点、设置方式和节能技术措施，为今后数据中心或智能化控制中心项目建设提供制冷系统的设计依据和技术参考。

关键词：空调制冷系统;节能技术;水蓄冷

我国已大步迈入数字化、信息化、智能化的时代，产业和结构升级调整催生了新兴的技术和产业，工程建设领域也紧跟时代步伐不断推陈出新，满足精益化、节能化、环保化的大众需求。数据中心设备产热量高，空调制冷系统负担的冷负荷大，运行电耗成本高，对安全性和系统稳定性的要求等因素都需要建设、设计、使用等单位的高度重视。

一、大型数据中心空调冷却系统的特点

大型数据中心包含IT机房（含空调用户设施），空调机房制冷系统，电力机房供电系统三大基础性资源[1]。数据中心占地面积大，全生命周期内空调系统制冷能耗成本占比高;数据中心全年不间断运行，对制冷系统和电力供应系统设置提出更高要求;且建设阶段要兼顾空调冷却系统的运行监控和维修保养，集中管理，及时反馈，便于操作，缩短故障设备恢复使用时间，甚至智能预测和诊断。

分散式空调能效低，故大型数据中心一般多采用集中式水冷空调系统来降低能耗，数据中心制冷负荷大，空调冷却系统需设多台大冷量冷水机组才能满足使用，依据《数据中心设计规范》GB50174-2017的要求，数据中心按重要程度可划分A级、B级和C级，A级对设备备用系数要求最高，按制冷主机和水泵、冷却塔、IT机房专用空调为N+x冗余，配套冷冻和冷却水管为双供双回，环形布置，保证数据中心制冷系统的高可用性和可维护性。

二、大型数据中心空调冷却系统的设置

（一）空调机房制冷系统的两种连接方式

利用水冷式空调冷却系统为数据中心散热，为其提供符合运行要求的环境。

空调机房冷冻系统连接方式有两种，一种为单台冷冻水泵、冷水机组和冷却塔等设备串联连接，再与其它串联组并联，各串联组均与空调冷冻水和上塔冷却水供/回水总管连接，形成一个大的系统，各串联组间独立，组内任一设备发生故障均会影响该套冷水机组使用，导致备用冷水机组的启动。

另一种为设备组群方式，将冷水机组、冷冻水泵、冷却塔等同类型设备先分别并联形成设备组，不同的设备组间设公共干管彼此连通，该系统优点是几套设备间形成一对多的对应关系，当某一台水泵发生故障时，只需切换阀门启动1台备用水泵即可，不会影响冷水机组等其它设备的运行情况，系统可用度高，调节方式也更加灵活。在现已运行的数据中心中两种方式都有实际工程案例[2]，而设备组群方式更适于可靠性要求高的数据中心。

（二） IT机房空调设备的四种类型

IT机房空调用户设备的选择也会影响数据中心空调冷却系统的整体能耗，一般有如下四种类型：房间级精密空调产品适用于传统中低热密度数据中心的散热需求;行级精密空调产品多应用于模块化等高热密度数据中心;机柜级空调产品与服务器热源更接近，节能高效;元件级制冷空调采用液冷技术，直接冷却服务器主要发热元件，最为先进。

三、数据中心空调冷却系统的节能技术

基于大型数据中心空调冷却系统的特点，本文列出了如下六种节能措施。

（一）利用自然冷源

机房内的空调每天都进行制冷处理，换季的时候室外温度比室内温度低的時候，自然界具有大量的冷源，怎样运用大自然的冷源实现冷却是机房空调节能减排的关键所在[3]，常用技术有利用开式冷却塔+板式换热器或闭式冷却塔来代替冷水机组供冷，此外在制冷系统设计时尽量采用大温差小流量的模式减少输配管线管路损失及水泵电耗。

（二）优化气流组织

影响空调系统节能的关键就是数据中心气流组织形式，冷气在流动的时候受到的阻力越小，冷风与热风气流才会隔离的越好，冷量消耗的就越小，空调主机运行的效果就越好，能效也越高。但常常是由于空调气流组织设计不科学或没有进行CFD软件仿真测试，导致了冷气流的效率低，造成了空调系统的浪费。

（三）采用新型空调末端

传统的数据中心用精密空调主机设置在机房的两端，采用地板下送风或者风帽上送风的方式，先把机房全部冷却，再对机柜实施散热处理，此类空调形式容易造成局部热点，同时造成冷量的远距离输送，应该运用大功率的离心风机来输送，大功率风机的电耗也有部分转化成热量，这部分热量将增加制冷系统负荷[4]。采用新型热管背板、列间热管、吊顶式热管等空调末端能够完成按需供冷、解决局部热点等问题。

（四）采用变频设备

数据中心的能耗是根据室外环境温度与室内IT负载而决定的，冷水机组大部分时间在部分负荷下运行，利用变频冷水机组，可以提高部分负荷能效，同时水冷系统中冷冻水泵、冷却水泵、机房里的末端空调EC风机都采用变频设备，能够实时按照IT负载进行自动调整，降低能耗[5]，现最为先进的磁悬浮变频冷水机组是一种节能高效的产品。

（五）水蓄冷技术应用

水蓄冷技术是在有峰谷电价差政策的地区，利用数据中心空调机房的备用机组在夜间电价低估时运行制得低温冷冻水，并存储在蓄冷罐内，电价高峰时段由蓄冷罐释冷满足数据中心制冷要求，达到移峰填谷的目的。采用水蓄冷技术的空调系统可以节省运行电费，并且有利于电网安全。

水蓄冷不仅是一项节能措施，还可以作为数据中心的应急能源使用，IT机房数据设备对环境温度敏感性高，对于低热密度的数据机房短暂的制冷中断影响尚可接受，但对于高热密度的数据中心，很短时间内机房温度就会急剧上升，电子元器件的可靠性、处理能力会急剧下降、故障率大大提高，甚至导致数据丢失或瘫痪。而水蓄冷技术的应用可设置一些固定的蓄冷罐作为应急冷源使用，当电力系统发生故障，备用柴油发电机切换至稳定运行的过渡期内弥补供冷能力的不足，消除了安全隐患。因此水蓄冷技术与自然冷源结合的综合用能方案在大型数据中心空调冷却系统中有广阔的应用前景。

（六）智能化控制

数据中心智能化控制管理是完成绿色机房建设的基础，在保证机房设备满足正常运行要求的前提下，通过运行数据的大量记录和对不同季节室内温度变化规律的累积分析，优化运行模式，降低整个机房的能耗。

四、结语

综上，大型数据中心空调冷却系统是能耗和可用度要求都很高的系统，本文从大型数据中心的特点，常用空调制冷系统设置以及节能技术应用三个方面进行探讨，为此类工程项目设计提供技术支撑。

参考文献：

[1]马伊鑫.大型数据中心空调制冷系统的节能技术分析[J].西部皮革，2019（02）：69-70.

[2]牛广锋.大型数据中心空调制冷系统研究[J].制冷与空调，2018（02）：29-33.

[3]刘辉，李斌，翁轶能，沈涛，梁世佳，余婉，杨吓逢，李燕婷，邹圆.空调智能化与云计算结合节能技术研究[J].绿色科技，2016（22）：81-85.

[4]张华.数据中心空调节能技术探讨及新型机械冷却+自然冷却空调技术研究[J].上海节能，2016（07）：376-379.

[5]吴斌.数据中心空调节能技术应用与能源管理平台设计[J].现代建筑电气，2016，7（06）：9-14.