数据中心动态自然冷却空调系统及其应用

数据中心动态自然冷却空调系统及其应用

叶志权

中睿通信规划设计有限公司510630

摘要：近年来，世界正处于大数据和云计算的高速发展阶段，数据中心大规模发展带来的能耗问题日益突出。空调系统能耗约占数据室总能耗的40%。因此，如何提供空调系统的运行效率，降低能耗，在数据中心的设计、建设和运行中尤为重要。本文介绍了数据中心动态自然冷却空调系统的系统组成、运行模式，并将其与制冷剂自然冷却系统进行性能对比，同时给出该系统的设计流程。依据各个不同制冷模式下系统耗能组件的运行状况对某数据中心进行了节能分析，计算结果显示100%机房负载下该项目空调系统的年部分电能使用效率值（pPUE）达1.23，进一步分析发现：若室内机组采用直流无刷电机（EC）调速涡旋压缩机或者室外采用闭式冷却塔作为散热设备，则系统的节能效果将进一步放大。动态自然冷却空调系统不仅安装便利、应用场合灵活、可靠性高，而且节能效果显著，其应用前景光明。

关键词：动态自然冷却；间接自然冷却；数据中心；机房空调；节能

引言

近年来随着互联网技术的快速发展，对数据处理的需求也在不断增长，因此对数据中心的需求量也越来越大。在数据中心有许多有效的方法来节省冷却能源，如室内空气分配优化，机架式服务器传热增强，冷却器热性能改善等。此外，自然冷却技术是一种新颖有前途的技术，通过充分利用自然冷却源，可以降低冷水机组的负荷率，从而节约冷却水的能耗[3]。由于效率高，排放低，数据中心采用的自然冷却技术近年来受到越来越多的关注。目前对室外自然冷源的利用主要有直接引入式和间接利用式两种方式。传统机房空调作为数据中心的主要耗电设备，约占机房设备耗电的30%～45%。由于机房空调机组一年365天每天24小时不间断运行，故充分利用自然冷却实现系统节能意义十分重大。水侧间接自然冷却技术由于室内气流与室外空气完全隔绝，室内空气品质不受室外影响，业界进行了大量的研究。带自然冷源的风冷冷水机组在数据中心的节能潜力，认为严寒和寒冷地区适合采用带自然冷源的风冷冷水机组；娄小军等人分析了当前数据中心常用的水冷冷水机组+热交换器+冷却塔的冷冻水系统及自然冷却方案（冬季采用冷却塔供冷），模拟计算出一些典型城市的全年能效，认为采用该系统可在全国范围内将机房PUE值控制在1.5以内。动态自然冷却空调系统是一种将室内末端、室外散热及室内负载综合控制，优化运行策略的整体式节能空调系统。本文从动态自然冷却空调系统结构及运行原理上介绍该系统，并介绍该系统的设计流程。

1动态自然冷却空调系统简介

1.1动态自然冷却空调系统

动态自然冷却空调系统是集微电脑技术、直流无刷电机技术和电子膨胀阀技术于一身的空调系统。该系统主要由空调室内机组、室外的干冷器机组（闭式冷却塔）和水泵等组成。室内机组由采用两通冷凝压力调节阀的水冷机组再加上一套自然冷却冷水盘管及两通自然冷却调节阀组成，室内风机采用直流无刷电机（EC）离心风机，制冷系统采用电子膨胀阀节流，可精确控制制冷剂流量。配置EC风机的干冷器（闭式冷却塔）产生的冷水通过两通冷凝压力调节阀控制进入板式换热器进行换热。在室外温度相对较低，水温低至一定程度时，两通自然冷却调节阀开启，利用冷水冷却部分或全部热负荷。因为制冷剂循环独立于自然冷却循环，所以该系统具有独特的混合模式，即在利用自然冷却方法的同时，依靠压缩机间隙性启动/降频运转来保证制冷量的要求。通过这种做法，可以扩大室外温度可利用范围，增加自然冷源可使用的时间，产生更大的节能效果。此外，采用变频技术的循环水泵可以精准控制流量实现节能运行。其系统示意图如图1所示。

1.2动态自然冷却

空调系统与制冷剂自然冷却系统性能对比制冷剂自然冷却系统，国内亦称“氟泵自然冷却系统”，是国内数据中心业界近年来炒作的一项技术。氟泵自然冷却系统是由贮液器、氟泵、管路阀门等组成的节能模块搭配专用型或者改装后的风冷型机房空调配套使用，组成2套制冷循环系统。制冷剂自然冷却系统与动态自然冷却空调系统性能对比如表1所示。

1.3动态自然冷却空调系统运行模式

动态自然冷却空调系统通常具有如下制冷运行模式：（1）机械制冷模式：当室外温度高于压缩机制冷模式预设值时，该系统此时与常规水冷机房空调系统无异，系统采用压缩机制冷。该模式室外温度预设值通常低于室内回风温度3℃左右。（2）混合制冷模式：过渡季节室外温度较低时，干冷器（闭式冷却塔）提供的部分冷水流向自然冷却冷水盘管首先冷却室内回风，另一部分冷水流经板式换热器带走机械压缩制冷循环的散热，被自然冷却冷水盘管预冷的室内回风由机械压缩制冷补冷冷却至设计的送风温度。此时机械制冷压缩机卸载运行，整个空调系统开始节能。（3）自然冷却制冷模式：当室外温度进一步降低，干冷器（闭式冷却塔）提供的冷水温度足够低从而可直接将室内回风降至要求的送风温度，此时压缩机完全不运转，节能效果显著。系统还可控制室内外全部机组的所有风机均全速运行加大换热效率，进一步提高进入自然冷却的室外温度，扩展自然冷却范围，此运行状态通常称作扩展自然冷却模式。系统进入自然冷却运行状态并不是由干冷器（闭式冷却塔）的出水水温决定的，而是由室外温度与室内送（回）风温度反映的室内负载决定的。故系统进入自然冷却的温度并不是一成不变，而是依据室内实时负载动态变化。100%设计负载下各个运行模式下系统组件及机组运行情况如表2所示。

2动态自然冷却空调系统设计流程

动态自然冷却空调系统的管路设计与常规水冷空调系统设计类似。可以设计成一对一系统，即系统由1台室内机组、1台干冷器、1台水泵及1组管路组成。也可以组成多对多系统，多对多系统中管路通常需要考虑双路或者环路；水泵数量与室外干冷器（闭式冷却塔）并不一一对应，通常一套系统仅考虑2台（组）泵，一主一备，而非常规的N+1的备用组合模式；而且水泵应按照N+X台室内机组夏季工况系统水流量进行选型。动态自然冷却空调系统设计流程图如图2所示

3数据中心机房的温度设计

提高机房的送风温度，可以有效减低空调能耗。尤其在使用自然冷却空调系统的数据中心，在规范指导范围内选择较高的送风温度，可以更充分发挥自然冷却空调系统的优势，达到节能的目标。

4结语

直接利用新风作为自然冷源在在夏热冬冷地区有明显的节能效果，该配置大幅度降低了数据中心机房的空调耗电量，在数据中心全年无休的用冷情况下，有巨大的经济效益，在其他地区的节能效果还需要根据不同地区的气候以及实际情况进行计算分析。动态自然冷却空调系统节能效果显著，满足各种应用场景，系统方便灵活，有利于空调制冷系统节能减排打造绿色数据中心。随着数据中心新国标的落地，该节能技术应用优势越发突出，将成为越来越多的数据中心制冷系统的理想选择。

参考文献：

［1］钱晓栋，李震．数据中心空调系统节能研究［J］．暖通空调，2012，42（3）：91－96．

［2］朱永忠．数据中心制冷技术的应用及发展［J］．工程建设标准化，2015，（8）：62－66．

［3］谷立静，周伏秋，孟辉．我国数据中心能耗及能效水平研究［J］．中国能源，2010，32（11）：42－45．