数据中心机房制冷系统节能分析

文/盛元红

（中国移动通信集团浙江有限公司，浙江杭州 310020）

现阶段，绿色环保理念不断深入人心，如何在数据中心机房制冷系统中全面运用节能环保技术以减少制冷系统的耗能，是数据中心设计规划、开发和建设全过程中需要考虑和解决的一个重要问题。[1]

1.数据中心机房空调制冷系统特点

数据中心建设主要包含三大基础板块——机房空调基本建设、空调制冷、配电设备建设等，其总占地面积可以达到上万平方米。为了更好地保证三大基础板块的建设平衡，提升资源使用率，施工单位往往会调节配电和制冷设备建设，以调节总体资源达到均衡水平。数据中心的基本建设总耗能占建筑成本费用的76%，建筑成本中制冷系统的建设占总成本的21%，因此必须节省数据中心的制冷能源。

2.数据中心空调制冷方式

2.1 机房级制冷

中央空调布局在计算机房(分布式系统或中间布局），冷空气通过防静电地板下的正压力通风系统或吊顶上的风道，向冷气通道进行送风。针对热相对密度为5kW的机柜，施工单位依据热冷安全通道布局标准，将机柜顶端也转化成部分热点。[2]为了更好地处理热点问题，机房级制冷可以通过冷(热）通道封闭的形式，避免柜后排出来的暖空气注入柜前侧的进风口。这种形式可以简单处理8～10kW机柜的发烫问题。在设计方面，为了更好地封闭冷(热）通道和提升空调机组制冷效率，设计人员务必集中放置高热密度的机柜。

2.2 机柜冷池级制冷和机柜级制冷

制冷器为每一个制冷终端设备提供凉水或空调氟利昂，以降低暖空气产生的发热量。制冷终端设备的总量和制冷能力取决于机柜负荷，单机柜的制冷能力可达30kW。

2.3 机柜级制冷

密度高的密封性机柜应用机柜内制冷方法，能降低计算机房内制冷能力的消耗，并迅速精确地操纵每一个机柜内的环境。

2.4 局部热点制冷

现阶段采用较多的机房级制冷方式，常常会产生局部热点，而为了更好地减少局部热点的温度，施工单位常常会调节机房精密空调的温度，导致耗能的提升。为了更好地处理局部热点的制冷问题，施工单位可以在热点周边安装当地制冷终端设备。在冷池级、分阶段制冷方式下的机柜制冷终端设备，也可用以部分局部热点制冷。此外，施工单位还可以应用吊顶天花板、机柜顶端、侧板等类型的制冷终端设备。[3]

3.数据中心制冷节能技术的应用

3.1 水侧节能

水侧制冷系统是利用室外环境降低数据中心温度的系统，其关键是利用室外环境为数据中心提供冷水，使得冷却水达到适应温度的技术。在一般情况下,水侧制冷机组关键由制冷机组、冷却塔、冷冻泵、制冷离心水泵、冷冻水专用空调终端构成。该系统主要是集中制冷源，从而提高系统内制冷机组的制冷效率。该方法制冷塔布局灵便，运作环节中形成的噪声较少，基本建设和维护保养成本费也较为合理。

针对水侧节能系统，如果制冷机组安装了额外风机的换热器，数据中心环境的温度就可以通过制冷来排热，环保节能系统将转换到通过换热器的方式，全自动监管环境温度。在操作系统具体运作的同时，数据中心外的环境温度达到预定范围时，水冷却机设备的冷却效果将停止，水侧节能系统将逐渐开始运行。

3.2 风侧自然制冷

风侧自然制冷系统将冷热空气传输到数据中心，大大提高了换热器和制冷的实际效果。这决定了数据中心的位置应该符合长期持续冷空气的标准，否则，它可能会限制自然冷却的有效性。因此，高纬度地区普遍采用风侧自然降温技术。在我国大部分地区，年平均气温低于20℃，这为使用风侧自然制冷系统提供了天然的优势。风侧自然降温的应用不仅与数据中心自然环境的温湿度有关,并且与户外空气质量指数有关，空气质量差就容易对设备造成不良影响，进而削弱系统的总体作用。

3.3 交直流双路直供电

在数据中心运行中使用交流或直流电源一直是业界讨论的课题。事实上，数据中心有两种电源，一般的高端设备支持两种电源，在传统的载波网络中有很多需要直流电源的设备，因此需要将交流电转换为直流电，转换过程仍然是必需的。一些数据中心最初是作为直流供电设备开发的，因此整个电源只需要从电网转换一次，效率较高。对于采用混合数据中心的交、直流设备来说，它需要有转换升压设备，所以即使直流设备能耗很小，也会浪费大量的转换能量。所以交流和直流是好是坏，需要根据实际情况来判断。

4.如何提高机房制冷的效率

4.1 清理地板下的阻碍物，密封地板

通过高架抗静电地板的数据中心，房间内地板下的全部区域将作为制冷气体调整的静压箱，冷空气可以从有出气孔的排气孔底端传送到服务器机柜前。地板下通常安装电源插头、光缆电缆、网络线等。设计方案的地板高度需要足够深，以保证稳定性的冷气供应和通风效率。

4.2 中央空调设备的有效布局

数据中心组成几台专用型中央空调，这类中央空调相互之间偶尔会产生干扰，一个可以制冷，另一个可以制热；抑或一个在增湿，另一个在去湿。因此，为了确保定期检查效果，本文提议选用三种以上全方位的评估方法。现阶段的数据中心通常应用规范模块化设计联动设备，来操纵多个空调机组，因此可以并行处理连接以控制多个空调机组和相关运行操作。

4.3 分散化负荷

在如今的数据中心基本建设中，计算机机房可以为普通机架负载，提供全面的电源和设备散热的能力。针对相对密度不一样的设备，最多见的解决方法是以小于均值负荷的服务器机柜，向多个服务器机柜同时分派轻负荷。幸运的是，1U网络服务器需要的数量较多，可以组装在同一个IDC机房，并且可以分散在好几个网络机柜中。必须留意的是，如果将设备遍布在好几个服务器机柜中，机柜中会留有很多未采用的竖直空间。如果在竖直方向没有使用较大的空间，本文提议在机架中加上挡板，以增加制冷的高效率。如果机架在竖直和水平方向没有可采用的总室内空间，有关设备释放出来的暖空气将提升单独声卡机架的相对密度，并提升功能损耗和发热量。

5.数据中心节能制冷方案

5.1 双冷源分布式热管背板冷却技术

双冷源热管侧板空调机组由热管传热系统和制冷压缩机制冷系统构成，机器设备包含热交换器、房间内制冷压缩机、服务器机柜热管侧板、自然冷源制冷器、户外制冷压缩机制冷器。双冷源热管侧板空调机组，具备热管自然冷源热传导方式和传统的中央空调积极制冷方式。

双冷源热管侧板制冷系统有两种换热方法：热管循环系统传热和缩小制冷循环系统传热。防护热管传热循环系统和缩小制冷周期时间内的冷媒，传热通过正中间热交换器，合理地解决了两个循环系统无法调整冷媒共享资源造成的总流量、减少冷冻机油和热管循环系统高效率等问题。两种方式可以随意转换，依据数据中心房间内和室外温度的差别，全自动挑选“热管循环系统方式”和“制冷压缩机制冷循环系统方式”，通过每个服务器机柜发热量实现了侧板风机全自动变速，降低耗能，增加使用期限。就传统式机房空调系统来讲，双冷源热管侧板空调机组在长江以北地区，一台60kW能源中央空调每一年可节约超出7万度的电力工程，环保节能成效显著。

5.2 数据中心制冷机器设备环保节能计划方案

一是优化数据中心机器设备合理布局。施工单位通过热冷安全通道合理布局改进气旋配备，最大限度地降低热冷气旋混合，合理避免当地超温问题。二是提升中央空调布局。施工单位可以在数据中心中央空调合理布局提升的基础上，将空调系统的通风孔置放在热安全通道上，降低热气回流的摩擦阻力，提升空调送风高效率。三是提升电缆线配备。施工单位可通过加强电缆线管理方法，提升电缆线配备，避免强电和弱电电缆线交叉式布局问题，降低电缆线对数据中心流摩擦阻力的影响，提升制冷高效率服务器机柜配备提升。

6.结语

在经济迅速发展的历程中，各领域公司数据中心的耗能急剧提升，给目前能源局势带来了巨大压力。因此，施工单位应通过数据中心制冷节能环保的运用和营销推广，充分运用自然制冷系统和积极制冷机组，达到绿色施工、节能降耗的目的。