数据中心制冷节能技术及应用

数据中心制冷节能技术及应用

王红卫

浪潮电子信息产业股份有限公司高效能服务器和存储技术国家重点实验室山东省济南市250000

摘要：近年来，众多行业的发展都渗透了绿色发展的概念，将节能技术大力推广到行业中各个生产环节，企业的整体能源消耗降低有了显著改善。但是随着能源的匮乏问题日益严峻，各企业越来越重视节能技术的应用，尤其是数据中心制冷节能技术的应用。本文主要针对数据中心制冷节能技术及应用进行简要分析。

关键词：数据中心；制冷节能；技术；应用

1常用节能制冷技术概述

通过数据调查显示，数据中心的制冷系统常采用热交换器，来达到数据中心制冷的目的。而大部分企业经常采用自然冷却技术改善能耗过高的问题，当然还有双冷源分布式热管背板冷却技术、优化数据中心空调气流、数据中心空调功效提高、高功率高密度机柜局部热点等解决途径。

2数据中心的能源消耗

关于数据中心能效，现阶段比较有影响的是绿色网格组织（GreenGrid）提出的能效指标：电能利用效率PUE（PowerUsageEffectiveness）。目前PUE已经成为衡量数据中心能耗的最重要的指标：PUE=所有设备的电耗/IT设备的功率。在保证数据中心稳定、安全运行的同时，如何提高能源利用率，降低PUE，已成为众多大型数据中心的目标之一。一个典型的数据中心的能耗分布大概如下：IT设备占总能耗的52%；空调系统占38%；UPS及配电系统的损耗大概占9%；其余的电力照明系统约为1%。对于大型数据中心而言，采用集中式水冷冷水系统进行制冷更节能、更经济、也更利于集中管理，是大型数据中心中主流的制冷方式。水冷冷水空调系统的能耗比例大约为：压缩机的能耗占到了54%，水泵占18%，冷却塔占9%，精密空调占19%。

3双冷源分布式热管背板冷却技术

3.1两种换热方式

热管循环换热和压缩制冷循环换热是双冷源热管背板制冷系统的两种方式，其实现热交换的途径是经过中间换热器，最终解决两个循环共用制冷剂造成的难以调节的流量等问题。

3.2两种换热方式的自由切换

根据室内外温度变化，制冷系统会自动选择两种换热方式和两种方式同时运行三种方式且不涉及任何人为操作的环节，基于各机柜发热量实现了背板风机自动调速，最终实现机组的能耗降低。

通过中多的实践数据分析，双冷源热管背板空调系统的节能效果显著，60kW的空调可每年节能7万度，可以进行大规模的推广。

4交直流双路直供电方案

目前较为常用的交流供电系统的路由、发电机组以及其他设备都是双份，早成结构过于臃肿，提升了供电系统的耗电量，与节能概念背道而驰。交流供电系统由于各项设备长期高负载运行，系统供电效率低下，所以采用交流直供供电模式改善这一状况。此种方法可以降低UPS供电过程中的电能损失，提升系统的供电效率，最终实现数据中心制冷节能的目标。通过众多的实践应用案例得出，此法的运行效率较传统的交流供电效率高，直接略过UPS双逆变环节，实现节能目标。此外，交直流双路直供电方案运行过程较为安全，改善了1+1的UPS工作模式，系统的可行性更高。还具有维护工作简便易操作的特点。混合供电系统采用模块化UPS，由能完成UPS基本功能的可拔插功能模块组成交流不停电供电系统，可实现在线更换维修，便于系统维护。

5水侧节能系统

数据中心运行产生的热量通过冷水的持续循环来实现热量输送的目的。当外界环境的温度符合既定的设置范围时，水冷机组制冷功能暂停，水侧节能系统将开始启动。水侧节能系统中冷水机组系统上安装附加风扇的换热器，被业界称为“干式冷却器”。当环境中的温度仅仅需要环境制冷途径就可以实现散热的目的时，水侧节能系统就会由冷水机组模式自动切换到“干式冷却器”，通过自动化的监测环境温度，自动切换制冷模式，实现数据中心节能目的。冷却机组和干式冷却器是最简单实用的制冷方式，一直被广泛使用。

蒸发冷却系统因为具备可供选择的多种功能且受环境因素影响较小，得到了行业内得到了大力的推广和普及。该系统的制冷循环通过板式热交换器和冷却水塔循环得以实现，节能目的轻易实现，为提升数据中心供配电系统效率提供了最优的节能方式，提升了整体工作效率，大大降低了时间和人力的输出成本。而有些企业采用地热系统来进行热量的疏散，并不能实现持续有效的实现节能，是因为产生冷水温度高于数据中心要求而无法长期使用，从而影响制冷环节节能的进展。

6风侧节能系统

风侧节能系统在行业内被广泛的应用和推广，尤其是在暖通空调领域，更是人人耳熟能详的节能技术，下文将讲述风侧节能系统的众多优势以及节能方法。在高纬度地区最常用的就是风侧节能系统。此系统通过利用外界环境的低温空气传送至数据中心的产热位置，进行热量的交换，同时将热空气输送至外部环境。风侧节能系统主要的工作职责就是将主系统的热负荷进行疏散、制冷。是否采取空调制冷或者外部空气制冷这个取决于用户的需求，根据实际情况进行方案的变动。

风侧节能系统进行开放窗口的具体操作时，其具体的实施高度则受到数据中心运营商的制约。数据中心运营商会根据美国暖通工程师协会标准规定的要求设置一个可操作性的温度差值，风侧节能系统的操作高度需要符合此范围内进行工作。根据以往的实际操作案例，制冷环节需要密切关注机房内的相对湿度，即要控制在40%~50%范围内。经过多年的技术变更和数据中心结构的优化，针对空气湿度，美国暖通工程师协会标准放宽了其范围，大大增加了风侧节能系统的实际操作的可行性。即露点温度在5.5~15℃之间，温度变化在17.8~26.7℃之间；相对湿度在40%~55%之间，温度变化在20~25℃之间。

通过风侧节能系统在美国多个范围内的试用可以得出的结论就是，美国暖通工程师协会放宽的相对湿度范围呈现了一定的积极效果。通过众多地区的地域特点，美国暖通工程师协会标准透漏出了大多数地区都可以采用风侧节能系统实现制冷环节的节能目的，且要比水侧节能效果更胜一筹。总体来说风侧节能系统交水侧节能系统更加渐变易操作，只需要开关及时切换就可以实现。

针对外界空气污染机房的整体环境，可根据用户的需求进行过滤操作降低风险。还有就是机房内要有相关的预防意外的相关举措，比如火灾、化学易燃品等等。大数据时代下的节能设备比传统的节能设备具有更好的抵抗空气盐分、污染物的能力，但是也需要额外注意，以免引起安全隐患，造成数据中心的巨大损失。

7经济与社会效益

通过上述的众多节能技术的实践应用数据，得出的结果让行业内部人士很振奋。双冷源热管背板空调系统和交流直供与蓄电池双路混合供电技术的运行数据表明，每年可以节省总体电量的24%~39%，虽然引进的新设备比传统的空调硬件设施的投入成本高达百分之二十，但是通过精密计算得知，一台20kW空调，投资成本的回收需要1.7年的时间，但是每年可以节省高达7万余度电，节能效果显著。

由于该制冷节能设备在使劲运行中安全性较高，工作效率高，已经众多地区的银行系统投入使用，并得到了很好的节能效果。采用交流直供与蓄电池双路混合供电系统，UPS设备采用模块化UPS价格与普通UPS基本一致，但其系统运行效率提高了10%以上。经过精密的计算，每年可以缩减六万余人民币的资金投入。数据中心的制冷环节中，将磷酸铁锂电池安装在UPS机柜或标准机柜里，同传统的普通机相比，具有同样的重量可以取消电力电池室，降低对机房承重的要求，简化设计，装机率提高30%。IDC机房安全节能制冷及供电系统的应用研究成果推广应用，有助于集团实现节能减排的目标，扩大移动品牌影响力，引导更多的企业加入绿色阵营。

8结束语

综上所述，在经济迅速发展的过程中，各行业中企业的数据中心的能耗大大增加，为现存的能源局势增加了压力，所以通过数据中心制冷节能技术的应用和推广，充分发挥自然冷源系统和主动制冷系统达到绿色工程，节能减排的目的，积极响应国家的政策，实现能源的可持续利用。

参考文献

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[2]数据中心水冷节能技术设计与应用[J].董昌海.信息与电脑(理论版).2017(07)

[3]大数据云计算时代下企业数据中心节能技术的探讨[J].张会会.工程建设与设计.2018(02)

[4]2016中国数据中心基础设施技术年会在北京举行[J].吴延鹏.暖通空调.2016(06)