近年來，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、私有云等詞匯不斷被大家所關(guān)注，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，簡稱IDC）也逐漸被大家所認(rèn)識。數(shù)據(jù)中心為互聯(lián)網(wǎng)提供了必需的數(shù)據(jù)處理和信息存儲等功能，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存放、處理和傳輸。數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施是為保障數(shù)據(jù)中心核心設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，提供數(shù)據(jù)中心運(yùn)行所需要的供電、制冷、安全及維護(hù)等各方面的要求。

　　

　　01、數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷方式發(fā)展概述　　

　　數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的作用是移除數(shù)據(jù)中心主要設(shè)備和配套設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)出的熱量，調(diào)節(jié)機(jī)房內(nèi)空氣的溫度、濕度、潔凈度等要求，保證機(jī)房內(nèi)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。所以數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷方式的發(fā)展實(shí)際上是隨著數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的發(fā)展和數(shù)據(jù)中心規(guī)模發(fā)展而改變。

　　

　　一方面，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的發(fā)熱量很大，隨著CPU運(yùn)算速度的提升，服務(wù)器的功率快速攀升，在過去的幾年內(nèi)，其功率密度增長了數(shù)倍，這就意味著服務(wù)器的散熱量提高了數(shù)倍。同時(shí)，各種計(jì)算機(jī)的集成度也在提高，在同等計(jì)算能力下，服務(wù)器的體積在變小，耗電比在增加。如果采用更高密度的服務(wù)器，如刀片式服務(wù)器，單機(jī)柜的功耗還將大幅度提高至15kW左右。

　　

　　另一方面，隨著因特網(wǎng)的日益普及，信息化的迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)購物等新業(yè)務(wù)的需求，數(shù)據(jù)中心逐漸由分散向集中、小型向大型、自建型向托管型發(fā)展，大中型數(shù)據(jù)中心在全國大城市大量涌現(xiàn)。

　　

　　隨著機(jī)房負(fù)荷越來越大，數(shù)據(jù)中心的功率密度越來越高，機(jī)房規(guī)模也越來越大。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)方式也在逐漸變化。國內(nèi)數(shù)據(jù)中心以前比較常見的空調(diào)方式主要為直接膨脹式風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)（圖1）。直接膨脹式風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)適用于小型數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)組成。無須水泵、冷卻塔等，初投資較低，安裝極為方便。由于建筑空間的限制，常常沒有足夠的空間放置室外冷凝器，冷凝器排列過于緊密，造成散熱效果差，空調(diào)系統(tǒng)效率較低（圖2）。于是，數(shù)據(jù)中心的空調(diào)方式逐漸發(fā)展為冷凍水型精密空調(diào)，由冷卻設(shè)備、制冷主機(jī)、水泵、管路、精密空調(diào)和控制系統(tǒng)組成（圖3）。系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要專門的制冷機(jī)房，初投資較高，但是機(jī)組能效比高，單臺精密空調(diào)可提供的制冷量大。冷凍水型精密空調(diào)系統(tǒng)適用于中大型數(shù)據(jù)中心。

圖1直接膨脹式風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)

　　

圖2直接膨脹式風(fēng)冷空調(diào)室外機(jī) 

　　

圖3冷凍水型精密空調(diào)系統(tǒng)

　　

　　02、綠色數(shù)據(jù)中心中空調(diào)的節(jié)能措施　　

　　2.1空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能　　

　　空調(diào)系統(tǒng)中的水泵耗電量可占到空調(diào)系統(tǒng)耗電量的15%～30%，用變頻調(diào)速的方法來減少水泵流量的節(jié)能效果十分顯著（圖4），當(dāng)所需流量減少，水泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其電動機(jī)的所需功率理論上按轉(zhuǎn)速的三次方下降。

圖4水泵變頻示意圖

　　

　　如選用具有風(fēng)機(jī)調(diào)速功能的機(jī)房專用空調(diào)時(shí)，也可以根據(jù)所需冷負(fù)荷的大小，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而節(jié)省機(jī)房空調(diào)消耗的電能。

　　

　　一般機(jī)房精密空調(diào)按N+1或N+2冗余配置，若采用具有風(fēng)機(jī)調(diào)速功能的精密空調(diào)時(shí)，也可以將原設(shè)計(jì)用作備份的空調(diào)也投入運(yùn)行，降低精密空調(diào)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而減少風(fēng)機(jī)的耗電。

　　

　　2.2、利用冬季室外冷源　　

　　數(shù)據(jù)中心主要熱源是IT設(shè)備及附屬設(shè)備的散熱，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱在數(shù)據(jù)中心的總冷負(fù)荷中所占的比例不到2%，因此可以認(rèn)為數(shù)據(jù)中心的冷負(fù)荷在一年四季中是基本穩(wěn)定的。數(shù)據(jù)中心需要全年制冷，而冬季大部分時(shí)間室外的環(huán)境溫度都是比數(shù)據(jù)中心要求的24℃要低，那么，如何能夠把室外的冷源利用起來為數(shù)據(jù)中心制冷，而關(guān)閉常規(guī)的制冷機(jī)或精密空調(diào)系統(tǒng)，將會取得可觀的能耗和運(yùn)行效率。目前數(shù)據(jù)中心可以通過以下方式利用冬季室外冷源：水冷自然冷卻和風(fēng)冷自然冷卻（圖5）。

圖5 水冷自然冷卻和風(fēng)冷自然冷卻

　　

　　水冷自然冷卻節(jié)能技術(shù)是目前大型數(shù)據(jù)中心常用的節(jié)能技術(shù)。它是在室外溫度較低時(shí)，冷卻塔可提供較低溫度的冷卻水，此時(shí)關(guān)閉冷水機(jī)組，而使用板式換熱器換熱提供所需冷凍水，供精密空調(diào)使用。這期間稱為完全自然冷卻階段；在過渡季節(jié)，用較低溫度的冷卻水先進(jìn)板式換熱器，與冷凍水回水換熱，先降低冷凍水溫度1~2℃，再進(jìn)冷水機(jī)組，將冷凍水降低到設(shè)計(jì)供水溫度，此時(shí)冷水機(jī)組處于部分負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行能耗較低。這期間稱為部分自然冷卻階段。

　　

　　2.3利用室外新風(fēng)制冷　　

　　當(dāng)室外干球溫度小于等于空調(diào)送風(fēng)溫度時(shí)，可以使用新風(fēng)制冷。直接引入室外的新風(fēng)，或通過電動閥控制新風(fēng)與回風(fēng)的混合比，經(jīng)過中效過濾、加濕后送入數(shù)據(jù)機(jī)房（圖6）。這種利用室外自然冷源代替壓縮機(jī)制冷的方式，也能節(jié)約大量電力能源。

圖6室外新風(fēng)利用示意圖

　　

圖7 Kyoto轉(zhuǎn)輪

　　

　　Kyoto轉(zhuǎn)輪也是一種熱回收式新風(fēng)冷卻裝置（圖7），這種裝置是將數(shù)據(jù)中心的熱量送到由馬達(dá)轉(zhuǎn)動的輪子一側(cè)，與室外新風(fēng)在高表面積的波紋鋁裝置處進(jìn)行熱傳導(dǎo)，使空氣得到冷卻，再將冷卻后的空調(diào)送入機(jī)房內(nèi)。

　　

　　Facebook在俄勒岡州建造了一座采用新風(fēng)制冷的數(shù)據(jù)中心，這座數(shù)據(jù)中心充分利用當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境，一年內(nèi)大部分時(shí)間只需引入室外新風(fēng)就足以降低數(shù)據(jù)中心的溫度，制冷原理圖見圖8。

圖8 Facebook數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)原理圖

　　

圖9 Facebook數(shù)據(jù)中心空氣過濾室

　　

　　目前利用室外新風(fēng)的設(shè)備和形式多種多樣，文中不一一列舉。

　　

　　利用室外新風(fēng)的制冷方式不僅與空調(diào)方案有關(guān)，與數(shù)據(jù)中心的建筑也有關(guān)。建筑的格局需要根據(jù)新風(fēng)制冷設(shè)備的布置進(jìn)行規(guī)劃，需要占據(jù)一定的空間，對層高和外立面也有一定要求。國外有較多的應(yīng)用案例，但國內(nèi)很多數(shù)據(jù)中心都是在既有建筑的基礎(chǔ)上改造而成，在設(shè)計(jì)之初，沒有充分考慮數(shù)據(jù)中心節(jié)能需求，因此新風(fēng)制冷并沒有得到廣泛應(yīng)用。

　　

　　03、數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)應(yīng)用分析　　

　　下面以北京某數(shù)據(jù)中心為例，從能效和運(yùn)行費(fèi)用等方面看水冷自然冷卻技術(shù)對數(shù)據(jù)中心的影響。經(jīng)計(jì)算，該數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜區(qū)面積8000m2，IT負(fù)荷為10506kW，冷負(fù)荷為13573kW。項(xiàng)目采用了水冷自然冷卻節(jié)能技術(shù)。為簡化計(jì)算，以下對比中未考慮加濕部分對制冷性能的影響。

　　

　　3.1水冷自然冷卻技術(shù)對初投資和運(yùn)行費(fèi)用的影響

　　

　　項(xiàng)目所用的制冷系統(tǒng)設(shè)備配置如表1。

表1 制冷系統(tǒng)設(shè)備配置

　　

　　表1項(xiàng)目所用的制冷系統(tǒng)設(shè)備配置表采用水冷自然冷卻技術(shù)的項(xiàng)目需要多投資的設(shè)備是板式換熱器，此項(xiàng)目板式換熱器及相關(guān)工程的初投資約100萬。

　　

　　根據(jù)北京典型年逐時(shí)氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可知，北京市滿足各運(yùn)行模式的小時(shí)數(shù)如表2：

表2 北京市滿足各運(yùn)行模式的小時(shí)數(shù)

　　

　　假定數(shù)據(jù)中心達(dá)到滿負(fù)荷，如未采用水冷自然冷卻技術(shù)，則制冷系統(tǒng)全年耗電量為8760×（2193+396+330+270+769.5）=3467.65萬度，按北京市一般工商業(yè)峰谷分時(shí)電價(jià)計(jì)算的全年平均電價(jià)0.9141元/度計(jì)算，全年電費(fèi)3169.78萬元。

　　

　　采用水冷自然冷卻技術(shù)后，假定部分自然冷卻時(shí)冷機(jī)處于80%負(fù)載率下運(yùn)行，冷水機(jī)組此時(shí)耗電功率為551.4kW，則制冷系統(tǒng)全年耗電量為4078×（2193+396+330+270+769.5）+1260×（551.4+396+330+270+769.5）+3422×（396+330+270+769.5）=2510.36萬度，全年電費(fèi)為2294.72萬元。耗電量比未采用自然冷卻時(shí)減少27.6%，節(jié)省電費(fèi)875.06萬元。

　　

　　在完全自然冷卻階段，每天可節(jié)省4.6萬元電費(fèi)，冬天一個(gè)月就能收回自然冷卻部分增加的投資。

　　

　　3.2、水冷自然冷卻技術(shù)對系統(tǒng)能效的影響　　

　　PUE（Power Usage Effectiveness）是評價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載使用的能源之比。PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗，PUE是一個(gè)比值，一般處于2之間，越接近1表明能效越低。

　　

　　如未采用自然冷卻節(jié)能技術(shù)，項(xiàng)目的PUE=[IT設(shè)備功率×（1+UPS損耗+其他損耗）+冷水機(jī)組功耗+冷卻塔、水泵、精密空調(diào)的功耗]×（1+變壓器損耗+低壓配電損耗）/IT設(shè)備的功率=[10506×（1+6%+3%）+2193+396+330+270+769.5]×（1+1%+1%）/10506=1.496。

　　

　　采用自然冷卻節(jié)能技術(shù)，項(xiàng)目的PUE=[IT設(shè)備功率×（1+UPS損耗+其他損耗）+冷水機(jī)組功耗+冷卻塔、水泵、精密空調(diào)的功耗]×（1+變壓器損耗+低壓配電損耗）/IT設(shè)備的功率=[10506×（1+6%+3%）+2193×4078/8760+1654.2×1260/8760+1765.5]×（1+1%+1%）/10506=1.405。

　　

　　由以上計(jì)算可知，采用自然冷卻節(jié)能技術(shù)比未采用自然冷卻節(jié)能技術(shù)的PUE降低0.091。

　　

　　3.3、數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能方式的選擇　

　　通過以上兩個(gè)方面比較可以看出，采用水冷自然冷卻技術(shù)的數(shù)據(jù)中心不論是運(yùn)行費(fèi)用還是運(yùn)行能效都具有顯著節(jié)能效果。在北京地區(qū)不到一個(gè)冬季就可收回自然冷卻部分增加的投資。如果配合其他節(jié)能技術(shù)，更符合數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保的趨勢。