高英順

（中鐵鐵龍冷鏈發(fā)展有限公司，遼寧 大連 116103）

數(shù)據(jù)中心的建設(shè)可深刻改變?nèi)蚪?jīng)濟(jì)格局，拉動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)程，促進(jìn)大數(shù)據(jù)時(shí)代的更迭進(jìn)程，是人工智能技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等新型信息技術(shù)應(yīng)用的重要保障，也是國家信息安全的保障[1]。大型數(shù)據(jù)中心是各種大型計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等集中安放的建筑場所，需要24 小時(shí)不間斷運(yùn)行，這些設(shè)備運(yùn)行消耗大量電能的同時(shí)也產(chǎn)生同樣功率的熱能[2]。維持?jǐn)?shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境就需要用到大量空調(diào)制冷設(shè)備，空調(diào)制冷設(shè)備的能源消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般商業(yè)建筑，有效降低能源消耗水平，可緩解我國各個(gè)區(qū)域的用電壓力，減少大型數(shù)據(jù)中心的用電成本，推動(dòng)節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)中心能源消耗

現(xiàn)階段具備影響的國際綠色安全組織所提出的能效指標(biāo)便是電能利用效率，也是現(xiàn)下衡量數(shù)據(jù)中心能效的重要指標(biāo)。大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)發(fā)展目標(biāo)為數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，同時(shí)也要有效提升能源利用效率。[3]

典型數(shù)據(jù)中心的能源消耗主要是由四部分構(gòu)成：IT 設(shè)備能耗占據(jù)總能耗的52%，空調(diào)系統(tǒng)能耗占據(jù)總能耗的38%，USP 以及配電系統(tǒng)能耗占據(jù)總能耗的9%，其余電力照明系統(tǒng)能耗占據(jù)為總能耗的1%。

在大型數(shù)據(jù)中心主要采取集中式水冷冷水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能型制冷，積極開展集中管理活動(dòng)，是大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的主流制冷手段。而在水冷冷水空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)的能耗比例為54%，水泵能耗比例為18%，冷卻塔能耗比例為9%，精密空調(diào)能耗比例為19%。[4]

2 大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)特點(diǎn)

大數(shù)據(jù)中心主要是由機(jī)房空調(diào)建設(shè)、空調(diào)制冷以及電力供應(yīng)三大基礎(chǔ)性資源構(gòu)成，為此大數(shù)據(jù)中心的占地面積約為幾萬平方米。為了確保三大基礎(chǔ)資源的平衡性，提升大數(shù)據(jù)中心的能源利用效率，需要通過調(diào)整電力供應(yīng)資源與制冷資源來平衡整體資源的匹配性。通常情況下，單棟數(shù)據(jù)中心能耗水平占據(jù)運(yùn)營成本76%，建設(shè)成本中制冷成本占據(jù)21%，而運(yùn)營能耗成本卻占29%，為此需積極開展大數(shù)據(jù)中心的制冷節(jié)能工作。制度性的制冷設(shè)備維保作為降低大數(shù)據(jù)中心能耗的有效措施，可全面提升大數(shù)據(jù)中心的全生命周期，讓其能夠按時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況，迅速檢測出設(shè)備可能出現(xiàn)的故障問題。[5]

3 大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷方式分析

3.1 制冷方式分析

1.互為冗余的多冷源并聯(lián)系統(tǒng)，每套系統(tǒng)都是一個(gè)完整的制冷空調(diào)系統(tǒng)，從水冷機(jī)組、水系統(tǒng)至末端精密空調(diào)，每套系統(tǒng)都是完全獨(dú)立的。如果運(yùn)行中某一套系統(tǒng)某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，影響到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需自動(dòng)或人工切換到另一套系統(tǒng)運(yùn)行，繼而有效維持大數(shù)據(jù)中心的制冷需求，是目前大型數(shù)據(jù)中心普遍采用的制冷方式。

2.多冷源單水系統(tǒng)，由多臺(tái)冷水機(jī)組組成完整的一套冷水供應(yīng)系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)下并聯(lián)眾多末端設(shè)備，末端設(shè)備帶冗余。如果水系統(tǒng)主管道部分出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就無法正常運(yùn)行，在大型數(shù)據(jù)中心不建議采用。

3.單冷源單水系統(tǒng)，由一臺(tái)冷水機(jī)組組成完整的一套冷水供應(yīng)系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)下并聯(lián)眾多末端設(shè)備，末端設(shè)備帶冗余。如果冷水機(jī)組或水系統(tǒng)主管道部分出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就無法正常運(yùn)行，即使在小型數(shù)據(jù)中心基本也不會(huì)采用。

多冷源并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于所有設(shè)備都帶冗余，系統(tǒng)安全性更高，但每一套獨(dú)立系統(tǒng)均有獨(dú)立管路，因此水管路數(shù)量較大。多冷源單水系統(tǒng)的優(yōu)勢在于水系統(tǒng)管路少，但對(duì)水系統(tǒng)的安全性要求更高，一旦水系統(tǒng)主管道出現(xiàn)故障將影響整個(gè)制冷空調(diào)系統(tǒng)。單冷源單水系統(tǒng)安全性太差。

3.2 可用度分析

空調(diào)制冷系統(tǒng)各種設(shè)備、附件和傳感器等設(shè)備均要選用成熟的、質(zhì)量穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品作為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。水冷機(jī)組是整個(gè)制冷系統(tǒng)中能耗最大的設(shè)備，在選型上除了質(zhì)量因素還要充分考慮其節(jié)能性。目前磁懸浮變頻離心水冷機(jī)組技術(shù)上的應(yīng)用已相對(duì)成熟，其在節(jié)能方面的優(yōu)勢也愈發(fā)明顯。冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻水泵和冷凍水泵也要選用節(jié)能型，節(jié)能加變頻技術(shù)是系統(tǒng)整體節(jié)能的必要條件。冷卻水的負(fù)載變化下變流量控制技術(shù)以及冷凍水泵供回水等壓差變頻控制技術(shù)都是保證系統(tǒng)節(jié)能的技術(shù)手段。充分發(fā)揮自動(dòng)化整體控制在系統(tǒng)安全節(jié)能方面的應(yīng)用，需要有很高實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)技術(shù)人員與軟件開發(fā)專業(yè)人員協(xié)同完成。

3.3 可維護(hù)性比較

在人力成本價(jià)值逐步提升的前提下，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)操作與維護(hù)水平，可全面提升大數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的工作效率，大大降低人力成本與維護(hù)成本，進(jìn)一步提升系統(tǒng)總體性能價(jià)格比。機(jī)房內(nèi)部的系統(tǒng)內(nèi)容構(gòu)成愈發(fā)復(fù)雜，系統(tǒng)管理任務(wù)也會(huì)不斷提升。為此，在進(jìn)行大型數(shù)據(jù)信息設(shè)計(jì)過程中，需要構(gòu)建全面機(jī)房監(jiān)管系統(tǒng)，所選用的設(shè)備需要具備可管理與智能化特征，利用先進(jìn)的管理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備與程序開展集中性的管理工作，及時(shí)確認(rèn)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中存在的故障，最大程度地確保系統(tǒng)的整體性能，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)需要簡化機(jī)房管理人員維護(hù)工作，為充分滿足其實(shí)際應(yīng)用需求，需進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)安全性與系統(tǒng)穩(wěn)定性，最大程度地確保管理的便利性，加快系統(tǒng)體系的構(gòu)建進(jìn)程。此外，為了能夠迅速適應(yīng)技術(shù)更新與系統(tǒng)運(yùn)行需求，需要做好系統(tǒng)升級(jí)管理活動(dòng)，對(duì)于系統(tǒng)故障等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)故障級(jí)別選擇相應(yīng)的處理方法。

4 大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房新風(fēng)空調(diào)節(jié)能技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

4.1 確定空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房環(huán)境設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)進(jìn)行機(jī)房空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定。

數(shù)據(jù)機(jī)房環(huán)境溫度為（22±1）℃，環(huán)境相對(duì)濕度設(shè)計(jì)為40%至50%，室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N 所對(duì)應(yīng)的溫度設(shè)計(jì)為22℃，相對(duì)濕度設(shè)計(jì)為50%。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)隸屬于工藝性空調(diào)，活動(dòng)地板下送風(fēng)溫差Δt 設(shè)計(jì)為6℃，送風(fēng)狀態(tài)下點(diǎn)S 所設(shè)計(jì)的溫度為17℃，比焓設(shè)計(jì)為39.4hJ/kg。

4.2 利用新風(fēng)降溫可行性分析

通過實(shí)時(shí)性檢測機(jī)房室外環(huán)境數(shù)據(jù)了解到，在冬季、春季以及秋季以及夏季的最低室外溫度時(shí)，需要引入室外低溫空氣，通過各級(jí)過濾后直接送入機(jī)房之內(nèi)，及時(shí)停止制冷機(jī)組，繼而有效降低制定空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗水平。大數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)所取地區(qū)在最冷月的溫度可達(dá)到零下28℃，最熱月時(shí)的溫度則能夠達(dá)到32℃，整年的溫度波動(dòng)相對(duì)較大，這代表所在區(qū)域室外所蘊(yùn)含豐富天然冷源，如若能夠高效性利用，可大大降低大數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗水平。

4.3 空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的新風(fēng)風(fēng)道按照全新風(fēng)送風(fēng)方法計(jì)算確定，通過加設(shè)排風(fēng)機(jī)、空氣混合箱、新風(fēng)調(diào)節(jié)閥以及回風(fēng)調(diào)節(jié)閥。

大數(shù)據(jù)中心機(jī)房在應(yīng)用新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)過程中，所采用空調(diào)系統(tǒng)定風(fēng)量系統(tǒng)，在保障總送風(fēng)量不變的前提下可改變新風(fēng)的比例，引入新風(fēng)后需要排風(fēng)繼而維持機(jī)房內(nèi)的正壓，甚至?xí)黾訑?shù)據(jù)中心系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)的能耗水平，繼而大大增加新風(fēng)過濾成本。為此需要利用新風(fēng)免費(fèi)冷卻系統(tǒng)增加排放能耗、加濕能耗以及預(yù)熱能耗。

第一，排風(fēng)能耗。根據(jù)暖通設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范了解到，為了確保大數(shù)據(jù)中心室內(nèi)正壓，設(shè)計(jì)排風(fēng)量為新風(fēng)量85%時(shí)，系統(tǒng)增加的排風(fēng)能耗為2.74×10-4Gw。

第二，加濕能耗。大數(shù)據(jù)中心機(jī)房需要選取濕膜加濕器，所設(shè)計(jì)的單位加濕量能耗為0.02kW/（kg/h），制冷系統(tǒng)的加濕能耗為2.4×10-4Gw（dN-dW）。

第三，預(yù)熱能耗。大數(shù)據(jù)中心機(jī)房的室外新風(fēng)溫度相對(duì)較低時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱后方可與回風(fēng)混合。室外新風(fēng)預(yù)熱期間所需要的熱量為3.33×10-4Gw（hW’-hW）。

Gw 代表的是大數(shù)據(jù)中心機(jī)房系統(tǒng)引入的新風(fēng)量，單位用m3/h 表示，dN以及dW分別代表的是室內(nèi)以及室外的空氣含濕量，單位用g/kg 表示。hW’代表的是新風(fēng)預(yù)熱后的比焓，單位用kJ/kg 表示，hW代表的是新風(fēng)比焓，單位用kJ/kg 表示。

為了達(dá)成新風(fēng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能需求時(shí)，只有確保室外新風(fēng)溫度以及相對(duì)濕度均可低于室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)時(shí)，大數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)可引入新風(fēng)進(jìn)行降溫，所應(yīng)用的新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)才能達(dá)到節(jié)能需求。

4.4 空調(diào)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)

新風(fēng)豐源空調(diào)系統(tǒng)不同區(qū)域的運(yùn)行模式如下：

第一，Ⅰ區(qū)域所采取的系統(tǒng)運(yùn)行模式為，在室外新風(fēng)預(yù)熱后，方可與回風(fēng)混合處理到送風(fēng)點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)間可設(shè)計(jì)成為1884h。

第二，Ⅱ區(qū)域所采取的系統(tǒng)運(yùn)行模式為，室外新風(fēng)與回風(fēng)混合處理后方可送至送風(fēng)電，運(yùn)行時(shí)間可設(shè)計(jì)成為4574h。

第三，Ⅲ區(qū)域所采取的系統(tǒng)運(yùn)行模式為，表冷器處理回風(fēng)至送風(fēng)電，運(yùn)行時(shí)間可設(shè)計(jì)成為2302h。

4.5 空調(diào)系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

4.5.1 新風(fēng)系統(tǒng)能耗計(jì)算

新風(fēng)系統(tǒng)能耗主要是由風(fēng)機(jī)能耗、加濕能耗以及Ⅰ區(qū)預(yù)熱能耗所構(gòu)成。

第一，風(fēng)機(jī)能耗。大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的最大風(fēng)量為284653m3/h，排風(fēng)量為241933m3/h。為此選擇三臺(tái)參數(shù)功率為38kW 帶有變頻器的排風(fēng)機(jī)，利用調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速繼而有效改變排風(fēng)量，而排風(fēng)量設(shè)計(jì)的變化范圍是10%至100%。

第二，加濕能耗。Ⅰ區(qū)域的加濕量為965.54g/kg，Ⅱ區(qū)域的加濕量為4716.68g/kg。

第三，Ⅰ區(qū)域預(yù)熱能耗設(shè)計(jì)為90101kW·h。

4.5.2 效益分析

大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房新風(fēng)系統(tǒng)年節(jié)電情況如表1所示。

表1 大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房新風(fēng)系統(tǒng)年節(jié)電數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提升的背景下，大數(shù)據(jù)技術(shù)以及云計(jì)算技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，在高新技術(shù)全面應(yīng)用下提供數(shù)據(jù)信息的海量生產(chǎn)、存儲(chǔ)與傳輸。為了充分滿足需求量逐步提升的行業(yè)發(fā)展需求，數(shù)據(jù)中心應(yīng)成為新經(jīng)濟(jì)形勢下極具戰(zhàn)略性地位的產(chǎn)業(yè)，是我國信息產(chǎn)業(yè)的重要構(gòu)成。現(xiàn)如今數(shù)據(jù)中心呈現(xiàn)出集中化、大型化的發(fā)展趨勢，超大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)的建設(shè)數(shù)量不斷增加，對(duì)于能源的節(jié)約型利用勢在必行。為此，我們需積極開展大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)的研究分析工作，全面提升大型數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。