數據中心空調節能技術應用分析

　　隨著經濟的發展，大量的企業飛速發展，對于數據處理業務的需求也快速提升，相繼建設了很多數據中心。數據中心從10多年前100-200wm-2到如今發展到1000wm-2甚至更高，機房密度的提高使得數據中心的耗能成為一個越來越重要的課題，自從GREENGRID組織提出用PUE來衡量數據中心節能要求，越來越多的國內建設方在設計數據中心時對于PUE值有了要求，PUE是PowerUsageEffectiveness的簡寫，是評價數據中心能源效率的指標，是數據中心消耗的所有能源與IT負載使用的能源之比，PUE=數據中心總設備能耗/IT設備能耗，PUE是一個比率，越接近1表明能效水平越好，本文將從幾個方面介紹提高空調能效，降低數據中心空調耗能的方法用以獲得較低PUE值可以采取的一些措施。
　　2.冷源
　　數據中心空調冷源一般有風冷直接蒸發式空調系統、水冷直接蒸發式空調系統、水冷或風冷冷凍水空調系統、雙冷源空調系統等空調系統。從節能的角度來說，使用風冷系統的數據中心，PUE不可能小于1.8，通常在2.0以上，在規模較大，可以設置集中冷源的情況下，能效比高的水冷冷凍水系統是首選。當電機功率功率超過500kw的情況下，可采用6kv或者10kv電壓供電，可提高運行效率，在選擇機組時選用COP值高的機組，同時也要考慮機組的部分負荷綜合性能系數（IPLV）。冷水機組采用變頻能取得較好的部分負荷綜合性能系數，使得機組的高效區域更大。在非額定工況時，變頻式離心冷水機組將導流葉片控制與變頻控制有機結合，共同控制壓縮機。冷水機組的蒸發溫度對于機組效率也有著影響，粗略估計蒸發溫度每提高0.6度，效率增加1%-3%，因此采用較高的蒸發溫度效率比一般供回水7℃/12℃效率高。
　　如果可以提高末端送風溫度，我們就可以使用更高的蒸發溫度，這樣可以使得效率進一步的提高。而對于空調系統的耗能來說，冷水機組的能耗所占比重最大，把冷水機組的用電量降下來對于提高整個空調系統的效率有著很大的幫助。
　　而采用水系統帶來的安全問題，例如水系統的冗余設計：雙管路或環形管路，事故應急泄水，供水保障：多水源供應以及蓄水池，也是需要我們考慮，本文不作展開。
　　如果以供水溫度為12度來看，在室外濕球溫度9℃左右時即可使用冷卻塔免費制冷，根據上表統計：在此溫度范圍內，上海地區全年可完全使用免費制冷的時間達2901小時相對于水側的免費制冷，還有一種風側的免費制冷，是指利用室外的空氣，可以在室外焓值低于室內焓值的全部時間進行自然冷卻，但是在數據中心采用水側免費制冷時沒有必要再采用風側免費制冷，理由有以下幾點：
　　1.使用風側免費制冷將會占用很大的室內空間。
　　2風側免費制冷需要大量的室外空氣，如果室外空氣質量不是很好將會導致設備的運行壽命減少。
　　3用于加濕和減濕的能量將會很大，采用風側免費制冷所獲得節能效應和這些能量的消耗相比也相差不多，同時將使室內的濕度控制更復雜。
　　4.風側免費制冷和水側免費制冷在使用時間上有重疊，所以在多出不多的使用時間的情況下，同時采用的意義不大。
　　免費制冷時間的長短很大程度決定PUE值中空調耗能的大小，而從上圖中可以看出免費制冷受到室外環境的影響也很大，對于中國北方以及長江流域大部分地區來說，都能很好的采用免費制冷，在東北等嚴寒地區，采用免費制冷的時間更長，使得PUE中空調耗能的因子能做到0.2左右，以獲得更低的PUE值。這一點很值得我們建設方在數據中心選址中加以注意，在考慮經濟、地理等因素時，也可以考慮氣候環境對于今后數據中心運營成本的影響。
　　3.免費制冷與冷凍機制冷的切換
　　當室外免費制冷不能完全滿足數據中心的需要時，將開啟制冷機組制冷，但此時室外的溫度低于15度，無法滿足冷水機組所需要的冷凝溫度，而采用電加熱等方式既不節能，又沒有這么大的電量來滿足，此時只需要在系統中加入一路旁通，使經過板式熱交換器后高于15度的回水不回到冷卻塔而是進入冷水機組就能解決這一問題，隨著室外氣溫的增加，冷水機組逐臺開啟，免費制冷熱交換器逐臺關閉，直至全部轉變為冷水機組供冷。
　　4.冷凍水側熱回收
　　考慮數據中心全年制冷的特點，對數據中心進行熱回收是非常有必要的，在蒸發側或者冷凝側均能采用熱回收技術，如在倫敦TelehouseWest數據中心利用服務器產生的熱量為附近的住宅提供暖氣服務。該數據中心及其配套設施建設項目投資達1.8億美元，預計該項目能為數據中心周邊13萬平方英尺范圍提供相當于900萬瓦的能量，并相對減少1100噸二氧化碳排放。蒸發側的熱回收可以通過一個簡單的水環的環路來實現，例如當冷凍水系統供回水溫度為12-17度時，冬季及過渡季節將冷凍水回水經過一個熱交換器和生活熱水給水交換，預加熱生活區生活熱水的給水，簡單的接管且對于系統沒有任何影響。冷凍機組等設備均為常規設備。冷凝側的熱回收可以通過選用熱回收機組來實現，但是需要對于熱回收機組的效率以及系統的安全性有個評估，在能保證效率及安全的情況下，對于系統的節能也有著很大的益處，可以作為熱回收的首選措施。
　　5.空調末端
　　5.1一般IT機房
　　一般來說數據中心空調末端（CRAC）的能耗主要由風機及電加熱等組成，除濕則通常由冷卻盤管來完成，如果除濕需要較低的溫度時，則空氣就會過冷需要再熱，而再熱就浪費了能量，因此對于空調末端節能，首先除濕系統設計應避免在低負荷工況下再熱。除了合理的設計送風溫度以外我們還可以采用獨立溫濕度控制的系統來解決再熱，從原理上講如果房間能保持正壓，新風系統能夠除濕后送入室內，而數據中心一般內部沒有濕源存在，那么房間內的絕對濕度是能夠保證的。（根據ASHARE2008的最新報告，影響數據中心內設備的空氣水含量指標，是絕對濕度，而不是以前強調的相對濕度，只要露點溫度控制在5.5°C以上，數據中心內的設備都可以保證安全，避免靜電的危害。）因此我們IT機房內設置專用的定制精密空調（不設置電加熱和加濕器），新風系統采用如下功能段的機組來解決新風的除濕，只要新風做好送風露點溫度控制，那么所有精密空調無需電加熱以及加濕器，大大減少了運行費用和裝機費用。
　　此外我們可以將送風溫度提高，一般來說如果送風溫度提高到20度時，冷凍機組的供水溫度可以做到12度以上，一直以來，提高數據中心進氣溫度都是全球數據中心的設計趨勢，因為更高的數據中心進氣溫度意味著更多的節能潛力，而且氣候條件可以支持的免費制冷小時數也將增加。更好的節能效果則會直接降低能耗。
　　5.2高密度IT機房
　　隨著數據處理設備的處理速度提高，容量不斷提高，數據通信設備發熱量（冷負荷）不斷增大；而前者所述的冷卻系統有一定的局限性，即當機架散熱量達到4kw以上時，僅用上述冷卻方式已難以解決散熱問題。在此我們介紹一種解決方案，具體就是首先完全封閉熱通道，然后在正對熱通道的兩側機房設置風墻式AHU，這樣的設備風機耗能小，單體制冷量大且冷凍水或冷媒水完全無需進入高密度機房內。常規工程常采用CDU（液體冷卻分配器）方式來解決高密度機房供冷問題，CDU有著成熟的產品以及成功的應用。
　　本文介紹的風墻式AHU的好處有以下幾點，旨在挖掘是否還有節能的潛力。
　　1.如果采用冷凍水管進入室內CDU的末端，冷凍水管的破裂損壞將給機房帶來毀滅性的影響。
　　2.如果采用熱交換器的方式，讓冷凍水與冷媒管交換后只有冷媒管進入高密度機房，此時的冷媒管溫度也非常的低，雖然避免了第一點冷凍水管破裂所帶來的巨大危險，但是低溫冷媒管所帶來的冷凝水問題也是要重點考慮的。
　　3.熱交換的方式會有能量損失。
　　4.封閉熱通道大大減少冷熱空氣混合的能量損失。
　　綜上所述，減少熱交換的能量損失，并可以提高安全性，對于高密度機房空調來說，也是一種節能的新措施手段。
　　6.結語
　　綠色節能是數據中心的一個發展趨勢，PUE因為與免費制冷時間等因素有較大的關系，其本身也是一個區域性的指標要求，但是利用這個指標來衡量數據中心節能狀況還是非常清晰明確的。例如上海地區大多建設方在標書中就會要求把PUE值控制在1.6以內，用以控制建筑設計中對于節能技術的應用。
　　最后總結下，在空調系統中要實現節能減排并獲得較低的PUE值，可以采取的措施有以下這些。
　?。?）采用水冷的機組，并盡量提高蒸發溫度及采用變頻機組。
　?。?）選用高效率的設備，以及采用高效率的輸配系統
　?。?）盡量延長冷卻塔免費制冷的時間以及采用熱回收等節能措施。
　?。?）合理的機房冷熱通道布置以及高效的空調末端系統。
　?。?）避免空調末端因為除濕而產生的冷熱抵消，采用獨立溫濕度空調也是一種可以采用的手段。