數(shù)據(jù)中心節(jié)能制冷方案探討

宋俊峰，李猛，張?jiān)迄N，陳忠，劉波SONG Jun-feng, LI Meng, ZHANG Yun-juan, CHEN Zhong, LIU Bo（四川依米康環(huán)境科技股份有限公司）(Sichuan Yimikang Environmental Technologies Co., Ltd.)

數(shù)據(jù)中心節(jié)能制冷方案探討

宋俊峰，李猛，張?jiān)迄N，陳忠，劉波
SONG Jun-feng, LI Meng, ZHANG Yun-juan, CHEN Zhong, LIU Bo
（四川依米康環(huán)境科技股份有限公司）
(Sichuan Yimikang Environmental Technologies Co., Ltd.)

數(shù)據(jù)中心能耗問題長(zhǎng)期以來(lái)困擾著運(yùn)營(yíng)商，而機(jī)房空調(diào)能耗約占整個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房能耗的1/3以上。尋求節(jié)能制冷方案，降低數(shù)據(jù)中心PUE，成為IDC運(yùn)營(yíng)商重點(diǎn)關(guān)注的問題。論文從數(shù)據(jù)中心的布局，改善常規(guī)制冷方案，提出了節(jié)能制冷方案的冷量的精確利用和低成本冷源挖掘的有效措施。

數(shù)據(jù)中心；能耗；節(jié)能制冷方案

1 數(shù)據(jù)中心節(jié)能趨勢(shì)

當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心朝著高熱密度方向發(fā)展，由于小體積高功耗服務(wù)器的大量采用，機(jī)架熱功率越來(lái)越高，單機(jī)架熱功率在10kW左右已經(jīng)很常見，有的甚至達(dá)到40kW。一直以來(lái)，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中占有較為重要的位置，高熱密度機(jī)房的大量涌現(xiàn)更是使得冷卻系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

機(jī)房空調(diào)作為數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的核心設(shè)備，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，其能耗約占整個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的40%～50%，約為全民耗電量的2%，能耗巨大。數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排是大勢(shì)所趨，受到越來(lái)越多的重視，而降低冷卻系統(tǒng)能耗作為其中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，已經(jīng)成為行業(yè)節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品的戰(zhàn)略要地。為了將數(shù)據(jù)中心PUE值(數(shù)據(jù)中心能源效率指標(biāo)PUE=數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗)控制在一個(gè)較低的值，必須盡可能地降低機(jī)房空調(diào)的能耗，這也是創(chuàng)建綠色數(shù)據(jù)中心的必然趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)深入細(xì)致的探究，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)方案逐漸聚焦于兩大主題：冷量的精確利用和低成本冷源的挖掘。

在冷量的精確利用方面，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)模式呈現(xiàn)模塊化、集成化的潮流。模塊化并聯(lián)組合的數(shù)據(jù)中心和一體化集成的微型數(shù)據(jù)中心，這兩種形式將是未來(lái)的數(shù)據(jù)中心主導(dǎo)模式，其共同點(diǎn)就是通過(guò)環(huán)境冷卻設(shè)備和數(shù)據(jù)信息設(shè)備的緊密整合，精確控制冷熱氣流的運(yùn)動(dòng)和分布，使冷量得到精確、集約的利用。

在低成本冷源的挖掘方面，自然冷源作為真正的巨大冷量寶庫(kù)，是節(jié)能降耗的神兵利器，通過(guò)對(duì)多種自然冷源（自然風(fēng)、河水、地下水等）的直接和間接利用，實(shí)現(xiàn)冷量的低廉來(lái)源。對(duì)自然冷源高效可靠的持續(xù)利用，成為行業(yè)節(jié)能技術(shù)的重大突破點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)中心布局

數(shù)據(jù)中心制冷方式按照機(jī)房布局方式可以分為：房間級(jí)制冷和行間級(jí)制冷。常規(guī)數(shù)據(jù)中心主要采用房間級(jí)制冷，新型數(shù)據(jù)中心主要采用行間級(jí)制冷。

2.1 房間級(jí)制冷

房間級(jí)制冷布置如圖1所示，這種布局方式針對(duì)整個(gè)機(jī)房制冷，制冷需求非常大，冷量散失嚴(yán)重。這種布局方式也會(huì)導(dǎo)致機(jī)房?jī)?nèi)溫度分布很不均勻，存在較多溫度較高的區(qū)域（即機(jī)房熱點(diǎn)），最高溫度可達(dá)到35℃，在機(jī)房空調(diào)近端冷卻效果較好，遠(yuǎn)端的冷卻效果則較差。為防止機(jī)房熱點(diǎn)的出現(xiàn)，滿足近端和遠(yuǎn)端服務(wù)器達(dá)到設(shè)定的運(yùn)行溫度需求，需要加大制冷設(shè)備的數(shù)量以及能力配置。在運(yùn)行過(guò)程中為滿足遠(yuǎn)端服務(wù)器的需求，制冷設(shè)備需要長(zhǎng)期處于滿負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，需要消耗大量電力資源，造成了能源的浪費(fèi)。

圖1 房間級(jí)制冷布置

2.2 行間級(jí)制冷

行間級(jí)制冷采用冷/熱通道封閉的布局方式，這種布局方式僅針對(duì)服務(wù)器機(jī)柜制冷，制冷需求僅需滿足服務(wù)器散熱要求，冷量散失非常小。隔離了機(jī)房?jī)?nèi)的熱氣流和冷氣流，杜絕冷熱氣流相互干擾。通過(guò)圖2可以看到列間空調(diào)制冷模塊與IT服務(wù)器設(shè)備之間呈現(xiàn)一種緊密配合的狀態(tài)，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部形成封閉的冷池，冷卻氣流從列間空調(diào)以水平方向直接送入冷池，然后流入IT服務(wù)器設(shè)備的入口，在冷卻服務(wù)器設(shè)備后流出，從水平方向回到列間空調(diào)，完成氣流的循環(huán)。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心布局方式相比，內(nèi)部溫度分布均勻程度大大提高，沒有冷熱不均的現(xiàn)象，也不存在機(jī)房熱點(diǎn)，最高溫度僅稍高于24℃，冷卻效果非常理想。

圖2 行間級(jí)制冷布置

3 常規(guī)制冷方案

數(shù)據(jù)中心常規(guī)制冷方案主要采用房間級(jí)空調(diào),包括：風(fēng)冷精密空調(diào)、水冷精密空調(diào)，冷凍水精密空調(diào)，而少數(shù)采用的雙冷源精密空調(diào)則是前三種機(jī)組的功能兩種疊加。

風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)由定頻壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器等部件組成，制冷量范圍：4kW～120kW；其優(yōu)勢(shì)是適用范圍廣、易安裝；其缺點(diǎn)是：受安裝距離限制、全年能效比較低；

水冷精密空調(diào)系統(tǒng)由定頻壓縮機(jī)、水冷冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器、冷卻塔等部件組成，制冷量范圍：25 kW～120kW；其優(yōu)勢(shì)是能效比較高、無(wú)安裝距離限制；其缺點(diǎn)是：受安裝環(huán)境供水問題限制、水系統(tǒng)管路較復(fù)雜；

冷凍水精密空調(diào)系統(tǒng)由冷凍水主機(jī)、水盤管、電動(dòng)二通閥、循環(huán)水泵等部件組成，制冷量范圍：25 kW～200kW；其優(yōu)勢(shì)是適用于集中供冷系統(tǒng)，冷量大；其缺點(diǎn)是：不適用于小型數(shù)據(jù)中心，主機(jī)與末端不是一個(gè)廠家，不能做到內(nèi)外機(jī)完美匹配。

4 節(jié)能制冷方案

4.1 房間級(jí)節(jié)能制冷方案

4.1.1 雙冷源空調(diào)

雙冷源機(jī)房空調(diào)包含兩套制冷系統(tǒng)：冷凍水系統(tǒng)和氟系統(tǒng)（風(fēng)冷機(jī)組或者水冷機(jī)組）。針對(duì)建設(shè)在寫字樓里的機(jī)房，高溫季節(jié)雙冷源機(jī)房空調(diào)白天可利用中央空調(diào)的冷凍水對(duì)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行冷卻，高溫季節(jié)夜晚或者涼爽季節(jié)等中央空調(diào)不開放的時(shí)候，雙冷源空調(diào)開啟氟系統(tǒng)，保證兩種系統(tǒng)始終運(yùn)行在高能效狀態(tài)，降低機(jī)房整體PUE值。

雙冷源機(jī)房面臨兩個(gè)問題：一是兩套制冷系統(tǒng)融合在一起導(dǎo)致機(jī)組尺寸增大，二是兩套制冷系統(tǒng)盤管布局及切換邏輯錯(cuò)誤可能導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定性或者盤管凍裂等問題。依米康雙冷源機(jī)房空調(diào)經(jīng)過(guò)CFD模擬計(jì)算和控制優(yōu)化，同冷量機(jī)組尺寸小于等于氟系統(tǒng)或者冷凍水機(jī)組，10年以上市場(chǎng)無(wú)問題運(yùn)行。

4.1.2 直流變頻模塊化空調(diào)

根據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)部實(shí)際熱濕負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，解決普通定頻空調(diào)輸出恒定制冷量的問題，從而降低能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

直流變頻模塊化空調(diào)原理：實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)負(fù)荷的變化，應(yīng)用直流變頻技術(shù)，通過(guò)智能變頻器控制壓縮機(jī)的輸出。當(dāng)室內(nèi)的負(fù)荷升高時(shí)，壓縮機(jī)增加能量輸出；當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷降低時(shí)，壓縮機(jī)減少能量輸出。節(jié)能的同時(shí)，具備快速動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力，確保在最短的時(shí)間內(nèi)形成均勻的水平溫度梯度和垂直溫度梯度，精度更高，更快速，穩(wěn)定性更強(qiáng)。制冷量范圍9kW～93kW,其優(yōu)勢(shì)在于：在高效節(jié)能的同時(shí)，模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能根據(jù)客戶的需求靈活組合，機(jī)房部署更加簡(jiǎn)單便捷（見圖3）。

圖3 直流變頻模塊化空調(diào)原理

4.1.3 模塊化室外機(jī)

模塊化室外機(jī)充分利用模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)， “V”型冷凝器設(shè)計(jì)充分提高了換熱效率。采用大風(fēng)量仿生學(xué)設(shè)計(jì)三相風(fēng)機(jī)，節(jié)能降噪；配合高精度風(fēng)機(jī)變頻器，實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)壓力變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速。高性能部件與仿真模擬設(shè)計(jì)的合理匹配，保證了室外機(jī)性能穩(wěn)定可靠。此外，通過(guò)CFD進(jìn)行氣流仿真模擬，不斷優(yōu)化氣流組織，使室外機(jī)單位面積換熱量達(dá)到最大。機(jī)組采用風(fēng)機(jī)傾斜安裝的方式，解決安裝空間局限的問題。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)不僅助于解決機(jī)組搬運(yùn)問題，相比普通外機(jī)設(shè)計(jì)可節(jié)省約50%的安裝空間，利用最小的空間發(fā)揮更大的散熱作用。

4.2 精確制冷節(jié)能方案

4.2.1 列間變頻風(fēng)冷和列間冷凍水

列間變頻空調(diào)系統(tǒng)由變頻壓縮機(jī)、風(fēng)（水）冷冷凝器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器等部件組成，制冷量范圍：20kW～40kW；尺寸為300mm或600mm與服務(wù)器機(jī)柜尺寸一致，與服務(wù)器機(jī)柜形成冷/熱通道隔離，避免冷量的散失、單位面積制冷量大、冷量自適應(yīng)調(diào)節(jié)、溫度控制精度高、易安裝；

控制原理：當(dāng)有制冷需求時(shí)，列間變頻空調(diào)開啟；當(dāng)制冷需求變大時(shí)，列間變頻空調(diào)通過(guò)模糊控制增大EC風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和EC壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，加大冷量輸出；當(dāng)制冷需求變小時(shí)，列間變頻空調(diào)通過(guò)模糊控制減小EC風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和EC壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，減小冷量輸出。當(dāng)無(wú)制冷需求時(shí)，列間變頻空調(diào)關(guān)閉，EC風(fēng)機(jī)保持最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

冷凍水列間空調(diào)系統(tǒng)由冷凍水主機(jī)、水盤管、電動(dòng)二通閥、循環(huán)水泵等部件組成，制冷量范圍：20kW～60kW；尺寸為300mm或600mm與服務(wù)器機(jī)柜尺寸一致，與服務(wù)器機(jī)柜形成冷/熱通道隔離，避免冷量的散失、單位面積制冷量大、冷量自適用調(diào)節(jié)、溫度控制精度高、易安裝；

控制原理：電動(dòng)二通閥開度隨制冷需求的變化比例調(diào)節(jié)。在電動(dòng)二通閥開度最大時(shí)，若制冷需求仍然無(wú)法滿足需求，列間冷凍水空調(diào)通過(guò)模糊控制EC風(fēng)機(jī)升速，增大制冷量輸出。

4.2.2 列間雙冷源

列間雙冷源空調(diào)系統(tǒng)有冷凍水系統(tǒng)與直膨式制冷系統(tǒng)組成，制冷范圍：10kW～30kW；機(jī)組寬度為300mm或600mm，與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜寬度保持一致。

列間雙冷源工作原理：當(dāng)機(jī)組控制檢測(cè)到有制冷需求時(shí)，冷凍水系統(tǒng)優(yōu)先開始工作。冷凍水系統(tǒng)采用高水溫設(shè)計(jì)，充分利用現(xiàn)有制冷能量，降低建筑整體能耗。在無(wú)現(xiàn)有冷源利用時(shí)，直膨式制冷系統(tǒng)充分保證系統(tǒng)制冷穩(wěn)定性。系統(tǒng)具備高精度控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)冷凍水系統(tǒng)與直膨式系統(tǒng)之間的無(wú)縫切換，此外，機(jī)組雙冷源系統(tǒng)間互為備份，保證空調(diào)系統(tǒng)不間斷提供冷源。機(jī)組與服務(wù)器并柜安裝，形成冷熱通道，送風(fēng)距離短，避免冷量的散失、單位面積制冷量大、冷量自適應(yīng)調(diào)節(jié)、溫度控制精度高、易安裝；

4.2.3 背板空調(diào)

背板空調(diào)系統(tǒng)主要包括：背板冷凍水和背板熱管空調(diào)；

背板冷凍水系統(tǒng)工作原理：背板冷凍水盤管直接吸收服務(wù)器排出的熱量，熱量被水系統(tǒng)帶出被制冷主機(jī)冷卻。背板熱管系統(tǒng)工作原理：背板熱管吸收服務(wù)器排出的熱量，熱管內(nèi)循環(huán)工質(zhì)受熱由液態(tài)變成氣態(tài)，由氣體管路將熱量帶到CDU中；冷源設(shè)備提供的冷水吸收CDU內(nèi)的熱量，CDU內(nèi)循環(huán)工質(zhì)受冷由氣態(tài)變成液態(tài)，依靠重力沿液體管路回到熱管，完成一個(gè)熱力循環(huán)。

背板空調(diào)制冷量范圍：3kW～15kW，其優(yōu)勢(shì)是：制冷系統(tǒng)不占用機(jī)房空間，

冷卻效果好，無(wú)冷量散失，其缺點(diǎn)是：制冷量小，無(wú)冗余備份。

4.2.4 熱管空調(diào)

熱管首先是由美國(guó)俄亥俄州通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司的R.S.Gaugler于1944年在美國(guó)專利中提出的。熱管空調(diào)的工作原理：外部高溫?zé)嵩词拐舭l(fā)段內(nèi)的制冷劑汽化，蒸發(fā)段內(nèi)由于不斷產(chǎn)生蒸汽，因而壓力較高，依靠壓差使蒸汽經(jīng)熱管連接管路迅速流向冷凝段，在冷凝段內(nèi)冷凝成液體釋放出等量的冷凝潛熱。在管芯毛細(xì)力作用下液體又回到蒸發(fā)段，通過(guò)這種反復(fù)循環(huán)過(guò)程實(shí)現(xiàn)制冷，對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行降溫，熱管運(yùn)行條件是室內(nèi)室外必須存在溫差，且溫差越大制冷量越大（見圖 4）。

目前市場(chǎng)上主要有兩種熱管空調(diào)系統(tǒng)：1）純熱管系統(tǒng)，主要由蒸發(fā)器、冷凝器、風(fēng)機(jī)組成，制冷量范圍：3kW～15kW；其優(yōu)勢(shì)是：能效比高；缺點(diǎn)是：冷量較小，啟動(dòng)緩慢，需要額外增加一套空調(diào)系統(tǒng)；2）熱管和壓縮機(jī)耦合系統(tǒng)，即在壓縮機(jī)系統(tǒng)上增加一套熱管系統(tǒng)，主要由：蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、熱力膨脹閥、液路電磁閥、氣路電磁閥、風(fēng)機(jī)組成，制冷量范圍：4kW～12kW；其優(yōu)勢(shì)是：能效比高，無(wú)需額外增加一套空調(diào)系統(tǒng)；其缺點(diǎn)是：冷量范圍較??；

圖4 熱管式空調(diào)系統(tǒng)

熱管空調(diào)主要用于小型基站或冷熱通道封閉的微模塊。由于其換熱效果較差，對(duì)于冷量需求較大的場(chǎng)所不適用。

4.2.5 一體柜空調(diào)

一體柜空調(diào)SCI系列采用3種結(jié)構(gòu)形式，分別為機(jī)架式、列間式以及列間一體式，用戶可根據(jù)需求以及不同應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇。機(jī)架式為機(jī)架級(jí)制冷，嵌入服務(wù)器中，在服務(wù)器內(nèi)部形成冷熱通道；列間與列間一體式與服務(wù)器并柜直接對(duì)服務(wù)器進(jìn)行制冷，列間一體式蒸發(fā)器與冷凝器一體且都置于室內(nèi)，完成并柜即可投入使用。

一體柜空調(diào)優(yōu)點(diǎn)：

（1）一體式機(jī)柜空調(diào)和服務(wù)器機(jī)柜組成封閉式空間，空調(diào)送風(fēng)距離短，直接送達(dá)服務(wù)器進(jìn)風(fēng)口，減少氣流冷量損失，節(jié)約電能降低機(jī)房PUE值。

（2）采用直流變頻壓縮機(jī)，適用于獨(dú)立局部高密度散熱，適應(yīng)溫濕度快速變化的場(chǎng)合，及時(shí)調(diào)節(jié)冷量輸出，保持密閉空間穩(wěn)定溫濕度。采用電子膨脹閥，平滑調(diào)節(jié)開度，與變?nèi)萘繅嚎s機(jī)配合使用，更加高效節(jié)能。

（3）無(wú)需前期機(jī)房裝修，初期投資成本低。

（4）一體式機(jī)柜空調(diào)可靈活布置，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，多種結(jié)構(gòu)形式使其可廣泛應(yīng)用與多種IDC環(huán)境，解決機(jī)房熱點(diǎn)問題。

一體柜空調(diào)冷量范圍及尺寸規(guī)格：直流變頻技術(shù)保證系列產(chǎn)品滿足2.5kW～10kW制冷需求，機(jī)架式制冷分6U、10U兩種外形尺寸，列間式為標(biāo)準(zhǔn)300mm寬標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜尺寸。

4.2.6 壁式空調(diào)

壁式空調(diào)機(jī)組是一種高效、節(jié)能的冷凍水末端機(jī)組，致力于解決數(shù)據(jù)中心能耗及空間的挑戰(zhàn)，為用戶提供制冷量更大、占地面積更小的制冷方案。

壁式空調(diào)機(jī)組工作原理：壁式空調(diào)的主要制冷部件為冷凍水盤管和EC風(fēng)機(jī)，冷凍水盤管直接吸收服務(wù)器排出的熱量，熱量被水系統(tǒng)帶出被制冷主機(jī)冷卻。其優(yōu)勢(shì)是：制冷量大、能效比高。充分利用機(jī)房的高度空間，回風(fēng)面積大，風(fēng)阻小，大大提高整機(jī)的制冷量。相比傳統(tǒng)的冷凍水機(jī)房空調(diào)，同尺寸規(guī)格下制冷量提高100%。缺點(diǎn)是：受機(jī)房空間影響較大。

壁式空調(diào)組制冷量范圍：100kW～300kW，由于其安裝及模塊組合靈活，冷量可根據(jù)機(jī)房空間進(jìn)行擴(kuò)展。

4.2.7 精確送風(fēng)單元

智能精確送風(fēng)單元是一種優(yōu)化機(jī)房氣流組織，減少冷量散失，對(duì)服務(wù)器進(jìn)行精確送風(fēng)的空調(diào)配套設(shè)備。送風(fēng)單元的外形尺寸根據(jù)機(jī)房專用防靜電地板大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，在安裝時(shí)，只需將機(jī)柜前面的防靜電地板去掉，將送風(fēng)單元和現(xiàn)有的空調(diào)機(jī)組的風(fēng)道進(jìn)行連接就可以正常工作了。它具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）送風(fēng)單元可根據(jù)機(jī)房服務(wù)器的溫度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)、定量輸送冷氣。改變以往機(jī)房局部散熱的問題，同時(shí)大大減少了機(jī)房冷氣的浪費(fèi)，節(jié)約了能源。

（2）送風(fēng)單元實(shí)現(xiàn)了冷、熱氣流通道完全分離，改變了傳統(tǒng)機(jī)房環(huán)境溫度的概念（將整個(gè)機(jī)房環(huán)境溫度將到要求的設(shè)定值）。將冷氣充分利用，并提高了機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)的效率。

（3）精確送風(fēng)方式的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)機(jī)房環(huán)境溫度的形成機(jī)制，不但可以提高機(jī)房設(shè)備散熱降溫效果，還為空調(diào)節(jié)能創(chuàng)造了有利條件。

（4）送風(fēng)單元為了使機(jī)房的服務(wù)器安全穩(wěn)定的運(yùn)行，該智能精確送風(fēng)單元在控制器上設(shè)定了來(lái)電自啟動(dòng)功能和控制器出現(xiàn)故障后可切換為全速運(yùn)行，為服務(wù)器工作提供保障。常規(guī)的設(shè)備只要控制上出現(xiàn)故障，整個(gè)停機(jī)。

4.3 自然冷源節(jié)能制冷方案

4.3.1 新風(fēng)制冷

新風(fēng)制冷空調(diào)系統(tǒng)包括兩種：（1）純新風(fēng)制冷系統(tǒng)，主要由蒸發(fā)器、濕膜、風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥組成；（2）新風(fēng)制冷與壓縮機(jī)制冷耦合系統(tǒng)，即在壓縮機(jī)系統(tǒng)上增加一套新風(fēng)系統(tǒng)。

新風(fēng)制冷系統(tǒng)工作原理：在室外溫度較低時(shí)，制冷引入室外冷凍空氣對(duì)機(jī)房降溫，制冷量范圍：30kW～100kW，其優(yōu)勢(shì)是：制冷量大、能效比高，其缺點(diǎn)是：室內(nèi)溫度波動(dòng)較大、濕度很難控制、室內(nèi)潔凈度很難保證、純新風(fēng)系統(tǒng)需要額外增加一套空調(diào)系統(tǒng)（見圖5）。

4.3.2 氟泵制冷

氟泵制冷空調(diào)系統(tǒng)包括：壓縮機(jī)制冷和泵制冷兩部分。

圖5 新風(fēng)制冷空調(diào)系統(tǒng)

氟泵制冷工作原理：在環(huán)境溫度較高的情況下，利用壓縮機(jī)制冷進(jìn)行制冷；在環(huán)境溫度較低的條件下，制冷系統(tǒng)動(dòng)力源由壓縮機(jī)變?yōu)榉茫梅米鳛橄到y(tǒng)的循環(huán)動(dòng)力。制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，在蒸發(fā)器側(cè)膨脹吸熱，在冷凝器側(cè)放熱冷凝，再回到氟泵。制冷量范圍：20kW～100kW，其優(yōu)勢(shì)是：制冷量大、能效比高，其缺點(diǎn)是：初期投資高、系統(tǒng)管路和控制復(fù)雜。

4.3.3 自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組

自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組一般配合微模塊機(jī)房的列間冷凍水空調(diào)或者大型數(shù)據(jù)中心的冷凍水精密空調(diào)使用。

自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組工作原理：夏季與常規(guī)風(fēng)冷冷水機(jī)組一樣開啟壓縮機(jī)制冷，過(guò)渡季節(jié)當(dāng)室外環(huán)境溫度低于冷凍水回水溫度時(shí)，開啟自然冷卻，冷凍水回水先經(jīng)過(guò)自然冷卻盤管預(yù)冷，再進(jìn)入蒸發(fā)器，壓縮機(jī)輸出部分能力。當(dāng)室外環(huán)境溫度足夠低時(shí)，壓縮機(jī)停止運(yùn)行，冷凍水完全由室外冷空氣進(jìn)行冷卻，只消耗風(fēng)機(jī)功耗。

自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組制冷量范圍：90kW～1500kW，制冷量120kW以下機(jī)組一般采用渦旋壓縮機(jī)，120kW以上一般采用螺桿壓縮機(jī)。其優(yōu)勢(shì)是：制冷量大、能效比高，其缺點(diǎn)是：初期投資高、主機(jī)占地面積較大。

4.3.4 蒸發(fā)冷卻（多模制冷）

依米康多模制冷機(jī)組是根據(jù)機(jī)房設(shè)備全年全天運(yùn)行的特點(diǎn)，結(jié)合新風(fēng)制冷和間接蒸發(fā)制冷特征開發(fā)的一款綠色高效的節(jié)能產(chǎn)品。

空氣質(zhì)量一直限制新風(fēng)制冷的推廣，循環(huán)水量大、循環(huán)水回收困難的問題約束間接蒸發(fā)冷的使用區(qū)域。依米康多模制冷采用專利換熱芯體和專利噴水機(jī)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)新風(fēng)間接制冷和間接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)，產(chǎn)品不受空氣質(zhì)量限制，同時(shí)做到小水量大冷量，打破了產(chǎn)品的使用區(qū)域限制

4.3.5 無(wú)水空調(diào)

無(wú)水空調(diào)制冷系統(tǒng)包括兩部分：水氟轉(zhuǎn)換主機(jī)與水氟轉(zhuǎn)換內(nèi)機(jī)，水氟轉(zhuǎn)換主機(jī)布置在數(shù)據(jù)中心外。

無(wú)水空調(diào)以氟泵代替壓縮機(jī)提供冷媒循環(huán)的動(dòng)力，采用空調(diào)冷凍水作為冷源。無(wú)水空調(diào)存在兩次熱量交換：水-氟熱量交換；氟-空氣熱量交換。水-氟熱量交換在水氟轉(zhuǎn)換主機(jī)內(nèi)完成，換熱后的低溫冷媒經(jīng)過(guò)氟泵加壓送到水氟轉(zhuǎn)換內(nèi)機(jī)。氟-空氣熱量交換在水氟轉(zhuǎn)換內(nèi)機(jī)，冷媒在水氟轉(zhuǎn)換內(nèi)機(jī)節(jié)流膨脹吸熱蒸發(fā)。水氟轉(zhuǎn)換主機(jī)能同時(shí)為多臺(tái)水氟轉(zhuǎn)換內(nèi)機(jī)供液，水氟轉(zhuǎn)換內(nèi)機(jī)與服務(wù)機(jī)柜配合形成冷（熱）通道封閉式微模塊數(shù)據(jù)中心。

水氟轉(zhuǎn)換主機(jī)在夏季采用空調(diào)冷凍水作為冷源，在冬季與春秋過(guò)渡季節(jié)，能直接或者間接適用自然冷源制取低溫冷水，不采用壓縮制冷獲取冷水。水氟轉(zhuǎn)換內(nèi)機(jī)與服務(wù)器機(jī)柜形成冷（熱）通道封閉式微模塊，避免通道內(nèi)外熱交換，減少不必要的冷量損失，增大冷量的利用效率。

在具有多個(gè)微模塊數(shù)據(jù)中心，能水氟轉(zhuǎn)換內(nèi)機(jī)與微模塊數(shù)據(jù)中心交叉布局，每臺(tái)水氟轉(zhuǎn)換主機(jī)與水氟轉(zhuǎn)換內(nèi)機(jī)互為備用機(jī)，極大提高運(yùn)行可靠性。水氟轉(zhuǎn)換主機(jī)制冷量：120kW～240kW。水氟轉(zhuǎn)換內(nèi)機(jī)制冷量：25kW～45kW。其優(yōu)勢(shì)是：制冷量大、能效比高，適用范圍廣，其缺點(diǎn)是：初期投資高。

4.4 浸沒式液冷

近年來(lái)，液冷發(fā)展勢(shì)頭較好，液冷分為間接液冷和直接液冷，間接液冷要低于直接液冷。

直接液冷即浸沒式冷卻系統(tǒng)，需設(shè)置密封的冷卻箱，服務(wù)器可高密度放置與冷卻箱中，利用冷卻液浸沒服務(wù)器主要散熱部件。服務(wù)器運(yùn)行時(shí)散熱部件產(chǎn)生大量的熱，如CPU熱量，加熱冷卻液；由于冷卻液沸點(diǎn)較低，受熱后達(dá)到沸騰，使冷卻液從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，從而隨蒸汽帶走熱量，蒸汽在上方的冷凝器中冷凝為液體回到冷卻箱下部。如此來(lái)回循環(huán)，保證服務(wù)器的溫度恒定。

浸沒式冷卻系統(tǒng)冷量范圍非常大，其優(yōu)勢(shì)是：能效比高、設(shè)備簡(jiǎn)單、節(jié)約空間、不損耗冷卻液和水。其缺點(diǎn)是：主要適用于大型數(shù)據(jù)中心，小型數(shù)據(jù)中心使用成本較高。

5 制冷系統(tǒng)以外的節(jié)能方案

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的節(jié)能不僅需要考慮制冷系統(tǒng)本身的節(jié)能效率，還應(yīng)考慮機(jī)房環(huán)境對(duì)制冷效果的影響。

5.1 機(jī)房維護(hù)結(jié)構(gòu)

機(jī)房維護(hù)結(jié)構(gòu)的密封性及隔熱性不佳不僅會(huì)造成數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)冷量的散失、能源的浪費(fèi)，也會(huì)使機(jī)房的潔凈度無(wú)法保證。機(jī)房建設(shè)應(yīng)該嚴(yán)格按照GB50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。

5.2 機(jī)房氣流組織

機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的布局會(huì)對(duì)制冷系統(tǒng)的制冷效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。比如：某機(jī)房?jī)闪蟹?wù)器機(jī)柜同一朝向布置，導(dǎo)致冷熱未隔離，能耗增大；某機(jī)房采用地板送風(fēng)，由于地板高度不足，導(dǎo)致冷風(fēng)不能送到遠(yuǎn)端服務(wù)器，必須新增空調(diào)設(shè)備……

合理布置機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備，優(yōu)化機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織，成為了消除機(jī)房局部熱點(diǎn)、降低機(jī)房能耗的重要手段。由于在機(jī)房建設(shè)初期我們很難預(yù)估機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織，所以我們可采用CFD仿真預(yù)先對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的氣流進(jìn)行模擬，以模擬結(jié)果來(lái)作為機(jī)房布局的重要參考。

5.3 制冷設(shè)備群控策略

5.3.1 群控概述

空調(diào)群組控制是指多臺(tái)空調(diào)通過(guò)一定的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組之間的備用、輪巡和層疊等功能，以達(dá)到機(jī)房多臺(tái)空調(diào)資源的優(yōu)化配置?？照{(diào)群組控制可以協(xié)調(diào)多臺(tái)空調(diào)資源，在節(jié)能控制、溫濕度穩(wěn)定性控制、多臺(tái)壓縮機(jī)長(zhǎng)壽命控制等方面有突出的優(yōu)勢(shì)，是大多數(shù)空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)都關(guān)注和追求的重要技術(shù)。

5.3.2 術(shù)語(yǔ)定義

LR：本地需求；

TR：群組需求；

UR：總需求

N：運(yùn)行機(jī)組數(shù)量；

X：備用機(jī)組數(shù)量。

5.3.3 群控模式

1）輪值備用模式

該模式下，所有機(jī)組根據(jù)本地需求獨(dú)立工作；各機(jī)組不共享參數(shù)和測(cè)量值；允許備用和輪巡功能，不允許層疊功能（見圖6）。

2）同向自主模式

該模式下所有機(jī)組共享參數(shù)；主控機(jī)組根據(jù)運(yùn)行機(jī)組的測(cè)量值計(jì)算出平均測(cè)量值；主控機(jī)組根據(jù)平均測(cè)量值計(jì)算是否需要制冷（加熱/除濕/加濕）；運(yùn)行機(jī)組在主控機(jī)組計(jì)算為制冷（加熱/除濕/加濕）時(shí)只能制冷（加熱/除濕/加濕），再根據(jù)自己的設(shè)定值和測(cè)量值計(jì)算是否啟動(dòng)制冷（加熱/除濕/加濕）；

圖6 群組控制輪值備用模式

圖7 群組控制同向自主模式

該模式允許備用，不支持輪巡和層疊，會(huì)帶來(lái)工作時(shí)間不平衡。

說(shuō)明：該模式下如果本地計(jì)算需求方向和群控需求方向相同，則按照本地需求執(zhí)行，如果不同，則按復(fù)位需求(0需求)執(zhí)行；

3）平均分配模式

該模式下所有機(jī)組共享參數(shù)，任何有關(guān)參數(shù)的修改保存在主控機(jī)組；主控機(jī)組根據(jù)運(yùn)行機(jī)組的測(cè)量值計(jì)算出平均測(cè)量值；主控機(jī)組根據(jù)平均測(cè)量值計(jì)算平均需求后，通過(guò)廣播報(bào)文下發(fā)。

該模式支持備用、輪巡和層疊功能（見圖8）。

4）按需分配模式

該模式下所有機(jī)組共享參數(shù)；主控機(jī)組根據(jù)運(yùn)行機(jī)組的測(cè)量值計(jì)算出平均測(cè)量值；主控機(jī)組根據(jù)平均測(cè)量值計(jì)算平均需求，并用平均需求乘運(yùn)行機(jī)組數(shù)，計(jì)算出系統(tǒng)總需求；主控機(jī)組按照需求由大到小的順序分配系統(tǒng)總需求；運(yùn)行機(jī)組根據(jù)主控機(jī)組分配的需求運(yùn)行（見圖9）。

該模式允許備用和層疊，但不支持輪巡，會(huì)帶來(lái)工作時(shí)間不平衡。

5.3.4 群控總論（見表1，表2）

5.3.5 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

圖8 群組控制平均分配模式（6+2）

采用工業(yè)環(huán)境下最常用RS485串行說(shuō)明：該模式下計(jì)算的總需求UR=480，運(yùn)行機(jī)組數(shù)為N=6，則平均需求AR=480/6=80；群控主機(jī)按照80對(duì)所有機(jī)組進(jìn)行下發(fā)。

圖9 群組控制按需分配模式（6+2）

說(shuō)明：該模式下計(jì)算UR=480，按照需求從大到小進(jìn)行下發(fā)，最大需求的前4臺(tái)均為滿需求100，第5臺(tái)則為80，最后一臺(tái)運(yùn)行機(jī)組需求為0。通訊總線，平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信，最大通信距離可達(dá)1km以上（見圖 10）。

表1 群控模式比較

表2 群控模式適用環(huán)境

1）監(jiān)控RS485物理連接方式

2）監(jiān)控RS485通信端子

空調(diào)機(jī)組之間通過(guò)手拉手連接方式用網(wǎng)線（直連線）連接控制器通訊口。

3）監(jiān)控RS485總線控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

相較傳統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

通信端子采用普通網(wǎng)口，接插方便；通信電纜采用普通網(wǎng)線，方便線材獲取；群控及監(jiān)控公用一根網(wǎng)線，節(jié)約線材和布線時(shí)間；SPAX總線采用雙網(wǎng)口，手拉手連接方式方便現(xiàn)場(chǎng)布線；選配SNMP卡實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，支持SNMP V1（見圖11）。

6 結(jié)束語(yǔ)

綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)必然伴隨節(jié)能制冷方案的選用。合理的節(jié)能制冷方案能夠?yàn)镮DC運(yùn)營(yíng)商節(jié)約大量的耗能，降低運(yùn)營(yíng)成本。

數(shù)據(jù)中心節(jié)能制冷方案的選用應(yīng)根據(jù)各數(shù)據(jù)中心具體情況來(lái)制定，因地制宜，不可一概而論。中國(guó)北方地區(qū)氣溫較低的時(shí)間很長(zhǎng)，應(yīng)充分利用自然冷源，選擇新風(fēng)制冷、氟泵制冷、自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組。在水資源豐富的地區(qū)，應(yīng)選擇水冷卻制冷系統(tǒng)。在小型數(shù)據(jù)中心，應(yīng)選擇微模塊機(jī)房的布局形式，采用列間空調(diào)制冷系統(tǒng)。在小型基站，應(yīng)采用新風(fēng)制冷與壓縮機(jī)耦合系統(tǒng)、熱管制冷與壓縮機(jī)耦合系統(tǒng)。

圖10 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)RS485串行總線布置

圖11 RS485總線控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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Internet Data Center Energy Saving Cooling Solution Discussion

Large energy consumption is a big problem which bothers IDC service providers for a long time, and at least one-third of the total energy is consumed by CRAC. Thus, it's becoming a keypoint to find energy saving cooling solutions to decrease PUE of IDC. The paper improves conventional refrigeration scheme, and provide the cooling capacity use method of energy saving cooling solution and developing lowcost cooling resource.

internet data center (IDC); energy consumption; energy saving cooling solution