某模块化数据中心节能空调系统的实践

 刘芳1，2,3刘海静1，2杨晖1，2

1北京建筑大学北京市“供热、供燃气、通风及空调工程”重点实验室2北京建筑大学环境与能源工程学院3北京建筑大学科技处

摘要：本文从设计、运行、测试和节能角度全面介绍了天津某数据中心模块化空调系统示范工程，推荐了一种顺应数据中心模块化、可扩展、快速部署、高保障性的模块化节能空调系统。

关键词：模块化空调系统数据中心节能

0  引言

 近几年来，随着我国互联网、云计算和大数据产业的加速发展，数据中心产业也进入了大规模的规划建设阶段。2011年到2013年上半年全国共规划建设数据中心255个，已投入使用173个，总用地约713.2万m2，总机房面积约400万m2。在投产方面，255个数据中心的总设计服务器规模约728万台，实际投产服务器数约57万台，占设计规模的7.8%，超大型、大型、中小型数据中心的投产率分别为1.8%、21.5%和40%。在能效方面。255个数据中心中近90%的设计PUE（Power Usage Effectiveness，能源效率指标）低于2.0，平均PUE为1.73。

 然而实际运行的数据中心PUE基本达不不到设计的效果，主要原因是服务器投产基本需要分步实施，如上数据中提到的实际投产率仅占设计规模的7.8%。通信设备的建设通常按3～5年甚至更长时间的业务需求来做规划。而数据中心的空调和土建等基础设施通常需要一步到位，即使做预留，灵活性也不好控制，特别对于集中水系统，空调系统的匹配灵活性不足，致使空调系统长期处于大马拉小车的运行状态，很难实现真正的节能，目前在运行的数据中心实际运行PUE多数在2.0～2.5左右。

 基于这个考虑，本文将介绍一个实际工程案例，将模块化、灵活可扩展和节能理念应用于数据中心空调系统，运行效果良好。

1  模块化空调系统设计理念

 模块化空调系统的设计理念以模块化数据中心机房平面为对象设置冷冻水空调系统，空调末端和冷源部分都与机房模块一一对应设置。模块化空调系统可以随着机房模块的扩展而扩展，空调模块之间不存在相互影响，可以分别独立开启。

 模块化空调系统定位在解决中高密度通信设备的散热问题，主要针对单机柜功耗为5～10 kW的服务器系统，空调末端采用冷冻水型列间空调的形式。列间空调布置在机柜相邻的位置，空调在外形尺寸上与机柜宽度、深度模数相同，外形与机柜很相像，布置在机柜间，不需额外设置空调区域，机房利用率高。

 模块化空调的冷源采用了带自然冷源的风冷冷水模块化机组，同时将系统循环水泵、定压装置等集成在风冷冷水机组内，就近布置在机房模块，节省了冷冻站的机房面积。

 模块化空调系统结合数据中心空调需要全年供冷和系统保障性要求高的特点，采取相应措施来提高系统的节能性和安全保障性。

2  示范工程介绍

2.1设计概况

 本示范工程位于天津某物流仓库内，是仓储机房的一部分。仓储式机房的特点是快速部署，灵活扩展。仓储机房的模块单位如图1所示，是一个宽4.5 m，长14.4 m，高3.3 m的机房模块为单元，可布置机柜数量为2x20个，机柜的布置遵循冷热分区的原则。本示范工程设置单机柜功耗为5 kW和10 kW两个模块。

2.2系统设计

2.2.1设计参数

 夏季室外空调设计参数33.4℃，夏季空调室外计算湿球温度26.9℃；冬季空调室外计算干球温度-11℃，冬季空调室外计算相对湿度54%。

 室内计算参数：冷通道22 ℃，相对湿度55%；热通道34℃。

2.2.2设计负荷

 5 kW模块：IT负荷156 kW，围护结构负荷5 kW，空调设计负荷161  kW；

 10 kW模块：IT负荷285 kW，围护结构负荷5 kW，空调设计负荷290 kW。

2.2,3空调系统形式及气流组织

  模块化空调系统采用列间空调，空调设备布置在机柜间，气流输送距离短。对单机柜功耗5 kW和10 kW的高发热密度机柜可以有效散热。空调送风采用前送风后回风方式（图2），气流分布均匀。

2.2.4空调冷源

  本示范工程采用了2台带自然冷源的风冷冷水机组作为冷源，冷水机组供／回水温度10/15℃。当室外温度低于空调系统供水温度2℃时开启自然冷源模块先对空调系统回水进行预冷，不足冷量由压缩机供冷提供。当室外低至自然冷却盘管能够提供系统所需冷量时，压缩机全部关闭。

2.2.5空调水系统

 如图3所示，空调水系统采用定流量系统，空调末端采用二通调节阀。供水干管形成环路，从环路的两个支管差排接至每台空调末端，保证在部分管路出现故障时环路的另一侧提供持续供水。同时对一台空调而言，两个支路交叉为其提供冷冻水，提高了空调供水系统的保障性和安全性。

 数据中心空调系统因为业务性质的关系要求具有高保障性，因此空调水系统需要备份。本工程在每个空调模块设置蓄冷罐1个，在市政断电时为系统提供备用冷冻水，防止服务器的空调系统暂停致使机房温度迅速升高，服务器报警或停止工作。水系统的以上设计都在一定程度上提高了空调系统的保障性。

2.2.6模块空调系统主要设备配置表

表1为模块空调主要设备表。

3  运行实践

 该工程自2012年投入使用，运行情况良好。对模块化数据中心进行动态监控，PUE测试数据如表2、表3所示。

  数据显示，5 kW模块的PUE全年大部分时间在1.7以下，使用自然冷源是最好的二月份PUE达到1.22，年平均PUE为1.54，空调系统能耗占到非常小的份额。10 kW模块实际IT负荷达不到设计值，因此系统PUE略高于5 kW模块，但年平均PUE值为1.74以下。

 由于自然冷源的运行和系统的优化设计，对于小的数据中心系统来讲，PUE实际运行数值在节能效果方面还是比较理想的。

4  节能分析

 本模块化空调的节能效果主要体现在以下几个方面：

 1)数据中心的空调负荷以显热为主，室内空调可以在干工况运行。设计空调回水温度为10/15℃，冷水机组供回水温度比常规的7/12℃提高3℃，高的供水提高了冷水机组的运行效率。

 2)空调末端采用列间空调方式，直接对机柜进行降温，减少了其他气体输送的能耗。

 3)空调末端和室外风冷机组都采用EC风机能够很好地实现无级变频调速，降低系统能耗。

 4)风冷冷水机组采用带自然冷源的机组，在室外较低温度时关闭压缩机，利用免费冷源减少冷水机组的运行时间，降低系统能耗。

 5)空调系统与服务器系统的较好匹配使得空调冷量得到了充分使用。

5  结论

 模块化数据中心空调系统具备灵活、可扩展和节能的特性，在能够利用自然冷源的严寒寒冷地区节能效果尤为显著。对于距离城区较远、占地面积大的、数据中心规划需要分期建设、灵活扩展的数据中心基地值得大力推广。