近年來，大數據、云計算、私有云等詞匯不斷被大家所關注，互聯網數據中心（Internet Data Center，簡稱IDC）也逐漸被大家所認識。數據中心為互聯網提供了必需的數據處理和信息存儲等功能，實現海量數據的存放、處理和傳輸。數據中心的基礎設施是為保障數據中心核心設備安全、穩定運行的必要條件，提供數據中心運行所需要的供電、制冷、安全及維護等各方面的要求。

　　

　　01、數據中心空調制冷方式發展概述　　

　　數據中心空調系統的作用是移除數據中心主要設備和配套設備運行時發出的熱量，調節機房內空氣的溫度、濕度、潔凈度等要求，保證機房內設備穩定運行。所以數據中心空調制冷方式的發展實際上是隨著數據中心IT設備的發展和數據中心規模發展而改變。

　　

　　一方面，數據中心的服務器、網絡交換設備的發熱量很大，隨著CPU運算速度的提升，服務器的功率快速攀升，在過去的幾年內，其功率密度增長了數倍，這就意味著服務器的散熱量提高了數倍。同時，各種計算機的集成度也在提高，在同等計算能力下，服務器的體積在變小，耗電比在增加。如果采用更高密度的服務器，如刀片式服務器，單機柜的功耗還將大幅度提高至15kW左右。

　　

　　另一方面，隨著因特網的日益普及，信息化的迅猛發展，互聯網、移動互聯網、網絡購物等新業務的需求，數據中心逐漸由分散向集中、小型向大型、自建型向托管型發展，大中型數據中心在全國大城市大量涌現。

　　

　　隨著機房負荷越來越大，數據中心的功率密度越來越高，機房規模也越來越大。數據中心的空調方式也在逐漸變化。國內數據中心以前比較常見的空調方式主要為直接膨脹式風冷空調系統（圖1）。直接膨脹式風冷空調系統適用于小型數據中心，系統室內機和室外機組成。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，空調系統效率較低（圖2）。于是，數據中心的空調方式逐漸發展為冷凍水型精密空調，由冷卻設備、制冷主機、水泵、管路、精密空調和控制系統組成（圖3）。系統較為復雜，需要專門的制冷機房，初投資較高，但是機組能效比高，單臺精密空調可提供的制冷量大。冷凍水型精密空調系統適用于中大型數據中心。

圖1直接膨脹式風冷空調系統

　　

圖2直接膨脹式風冷空調室外機 

　　

圖3冷凍水型精密空調系統

　　

　　02、綠色數據中心中空調的節能措施　　

　　2.1空調系統變頻節能　　

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

圖4水泵變頻示意圖

　　

　　如選用具有風機調速功能的機房專用空調時，也可以根據所需冷負荷的大小，調節風機的轉速，從而節省機房空調消耗的電能。

　　

　　一般機房精密空調按N+1或N+2冗余配置，若采用具有風機調速功能的精密空調時，也可以將原設計用作備份的空調也投入運行，降低精密空調風機的轉速，從而減少風機的耗電。

　　

　　2.2、利用冬季室外冷源　　

　　數據中心主要熱源是IT設備及附屬設備的散熱，建筑圍護結構得熱在數據中心的總冷負荷中所占的比例不到2%，因此可以認為數據中心的冷負荷在一年四季中是基本穩定的。數據中心需要全年制冷，而冬季大部分時間室外的環境溫度都是比數據中心要求的24℃要低，那么，如何能夠把室外的冷源利用起來為數據中心制冷，而關閉常規的制冷機或精密空調系統，將會取得可觀的能耗和運行效率。目前數據中心可以通過以下方式利用冬季室外冷源：水冷自然冷卻和風冷自然冷卻（圖5）。

圖5 水冷自然冷卻和風冷自然冷卻

　　

　　水冷自然冷卻節能技術是目前大型數據中心常用的節能技術。它是在室外溫度較低時，冷卻塔可提供較低溫度的冷卻水，此時關閉冷水機組，而使用板式換熱器換熱提供所需冷凍水，供精密空調使用。這期間稱為完全自然冷卻階段；在過渡季節，用較低溫度的冷卻水先進板式換熱器，與冷凍水回水換熱，先降低冷凍水溫度1~2℃，再進冷水機組，將冷凍水降低到設計供水溫度，此時冷水機組處于部分負荷運行，運行能耗較低。這期間稱為部分自然冷卻階段。

　　

　　2.3利用室外新風制冷　　

　　當室外干球溫度小于等于空調送風溫度時，可以使用新風制冷。直接引入室外的新風，或通過電動閥控制新風與回風的混合比，經過中效過濾、加濕后送入數據機房（圖6）。這種利用室外自然冷源代替壓縮機制冷的方式，也能節約大量電力能源。

圖6室外新風利用示意圖

　　

圖7 Kyoto轉輪

　　

　　Kyoto轉輪也是一種熱回收式新風冷卻裝置（圖7），這種裝置是將數據中心的熱量送到由馬達轉動的輪子一側，與室外新風在高表面積的波紋鋁裝置處進行熱傳導，使空氣得到冷卻，再將冷卻后的空調送入機房內。

　　

　　Facebook在俄勒岡州建造了一座采用新風制冷的數據中心，這座數據中心充分利用當地的自然環境，一年內大部分時間只需引入室外新風就足以降低數據中心的溫度，制冷原理圖見圖8。

圖8 Facebook數據中心制冷系統原理圖

　　

圖9 Facebook數據中心空氣過濾室

　　

　　目前利用室外新風的設備和形式多種多樣，文中不一一列舉。

　　

　　利用室外新風的制冷方式不僅與空調方案有關，與數據中心的建筑也有關。建筑的格局需要根據新風制冷設備的布置進行規劃，需要占據一定的空間，對層高和外立面也有一定要求。國外有較多的應用案例，但國內很多數據中心都是在既有建筑的基礎上改造而成，在設計之初，沒有充分考慮數據中心節能需求，因此新風制冷并沒有得到廣泛應用。

　　

　　03、數據中心節能技術應用分析　　

　　下面以北京某數據中心為例，從能效和運行費用等方面看水冷自然冷卻技術對數據中心的影響。經計算，該數據中心的機柜區面積8000m2，IT負荷為10506kW，冷負荷為13573kW。項目采用了水冷自然冷卻節能技術。為簡化計算，以下對比中未考慮加濕部分對制冷性能的影響。

　　

　　3.1水冷自然冷卻技術對初投資和運行費用的影響

　　

　　項目所用的制冷系統設備配置如表1。

表1 制冷系統設備配置

　　

　　表1項目所用的制冷系統設備配置表采用水冷自然冷卻技術的項目需要多投資的設備是板式換熱器，此項目板式換熱器及相關工程的初投資約100萬。

　　

　　根據北京典型年逐時氣象參數統計數據，可知，北京市滿足各運行模式的小時數如表2：

表2 北京市滿足各運行模式的小時數

　　

　　假定數據中心達到滿負荷，如未采用水冷自然冷卻技術，則制冷系統全年耗電量為8760×（2193+396+330+270+769.5）=3467.65萬度，按北京市一般工商業峰谷分時電價計算的全年平均電價0.9141元/度計算，全年電費3169.78萬元。

　　

　　采用水冷自然冷卻技術后，假定部分自然冷卻時冷機處于80%負載率下運行，冷水機組此時耗電功率為551.4kW，則制冷系統全年耗電量為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，全年電費為2294.72萬元。耗電量比未采用自然冷卻時減少27.6%，節省電費875.06萬元。

　　

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

　　

　　3.2、水冷自然冷卻技術對系統能效的影響　　

　　PUE（Power Usage Effectiveness）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=數據中心總能耗/IT設備能耗，PUE是一個比值，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能技術，項目的PUE=[IT設備功率×（1+UPS損耗+其他損耗）+冷水機組功耗+冷卻塔、水泵、精密空調的功耗]×（1+變壓器損耗+低壓配電損耗）/IT設備的功率=[10506×（1+6%+3%）+2193+396+330+270+769.5]×（1+1%+1%）/10506=1.496。

　　

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

　　

　　由以上計算可知，采用自然冷卻節能技術比未采用自然冷卻節能技術的PUE降低0.091。

　　

　　3.3、數據中心空調節能方式的選擇　

　　通過以上兩個方面比較可以看出，采用水冷自然冷卻技術的數據中心不論是運行費用還是運行能效都具有顯著節能效果。在北京地區不到一個冬季就可收回自然冷卻部分增加的投資。如果配合其他節能技術，更符合數據中心節能環保的趨勢。