数据中心双冷源空调系统能耗分析

数据中心双冷源空调系统能耗分析

窦海波,杨宜楠,晏长波,蒋良国,王刚

中国联合网络通信有限公司深圳市分公司  广东 深圳 518048

摘要：对数据中心空调系统的节能优化是解决数据中心能耗巨大问题的有效方法之一，是实现可持续发展和节能减排的重要手段。本文通过对数据中心双冷源空调系统的能耗分析，从自身风机功耗、不同负荷下的能耗等方面进行分析，提出双冷源空调节能运行策略，为同类型数据中心空调节能运行提供参考。

关键词：数据中心 双冷源空调 节能

1、前言

随着万物互联的推进，数据中心的发展也日益壮大，但其巨大的电力消耗也引人关注，空调制冷系统作为保证数据中心稳定运行的重要组成部分，其能耗约占数据中心总能耗的45%，降低制冷能耗是提高数据中心能效的有效方法之一[1]。因此，需对其空调制冷系统能耗进行合理分析，提出优化的节能运行方法，从而实现降低数据中心PUE的目的。本文将结合深圳联通某数据中心双冷源空调运营管理经验，从可靠性与节能性的角度出发，分析数据中心双冷源空调系统的运行特点。

2、数据中心空调系统特点

为确保制冷系统的高可用性，国内外数据中心机房建设标准规范均对制冷系统在冗余方面提出了严格要求。根据数据中心的规模以及当地气候环境等因素的不同，数据中心空调制冷系统的选择也存在差异。根据冷源选择的不同，目前常见的数据中心空调有风冷空调系统、水冷冷水空调系统、双冷源空调系统等。

1.1 风冷冷风型精密空调系统

风冷冷风型精密空调系统主要由室内精密空调与室外冷凝器组成，每台空调为一个独立的循环和控制[2]，一般采用制冷剂作为传热介质，主要依靠室外风冷冷凝器与外界进行换热。其主要特点是技术成熟，安装和维护方便，每个机房为“N+X”的冗余备机方式，不会因单台故障而使得机房高温的事故发生。但由于室外机数量较多，不仅需要较大的占地面积，还会影响其散热环境；同时室内机与室外机的安装也会受到二者的距离和高度的限制。由于自身的局限性，因此风冷冷风型精密空调系统主要在小型数据中心中应用较多，不适合在大型数据中心中使用。此外，风冷系统能耗主要受大气的干球温度影响，因此其能耗一般要高于水冷系统。

图1 风冷单冷源空调系统

1.2 水冷冷水空调系统

水冷冷水空调系统适合大中型数据中心，为了保证数据业务的可靠性，目前很多高规格的数据中心都要求达到Uptime Tier IV标准[3]，需要达到该标准，对于冷源、水源、管路共享的系统，一般采用N+X配合环网的方式进行冗余或者采用2N的系统架构进行冗余。

表1 Tier 4对空调水系统的要求

N+X配合环网的制冷系统架构是常见的冗余方式；对于单一冷源的制冷系统，由于部分共享冷源、管路、水源，水冷系统冗余数量要求较高，且容易产生单故障点，若要达到真正冗余的规模，势必在初期投资和后期运维中承担巨大的成本压力[4]。

图2 水冷冷水单冷源空调系统

1.3 双冷源空调系统

由于风冷式和水冷式空调系统都具有一定的局限性，因此便出现了对于双冷源空调系统的研究，所谓双冷源空调系统，就是结合了风冷型和水冷型空调，由两套相互独立的冷源组成，形成2N的制冷系统架构，可根据实际的应用情况，选择开启不同冷源。

双冷源空提系统作为两种空调系统的组合，增加了空调系统的可靠性，同时系统可根据数据中心负载情况进行主备机的切换，节能效果较好，整个空调系统没有单点故障，可以保障空调系统最高的冗余等级。但其也存在着前期投资较大、日常维护工作繁琐和占地面积较大等问题。

图3 风冷双冷源空调系统

从上图可以看出，双冷源空调有两套独立的制冷系统，相比单冷源系统，双冷源空调室内机有两套盘管，然而这两套盘管对风机的回风是有一定阻力的，因此导致了双冷源空调系统的克服风机阻力的能耗值会高于单冷源空调系统。

3、双冷源空调系统运行能耗分析

3.1 空调系统风机功耗分析

机房空调的室内机的换热器是铜管铝翅片类型，当空调为双冷源时，机房空调的室内机盘管的面积相比单冷源增大一倍。翅片管的压力降可通过下式进行计算[5]：

式中，△p为流动阻力，Pa；N为流动方向上的管排数；Gm为最小断面质量流速，kg/㎡；ρ为气体密度，kg/m³；f为阻力系数，无量纲参数。

由此可见，翅片管换热器的阻力与管盘数N成正比，由于双冷源空调的翅片换热器管排数N是单冷源空调管排数N的2倍，也就是双冷源空调的翅片阻力是单冷源空调的阻力的2倍。而且这个阻力造成的功耗损失会伴随空调系统整个运行的生命周期，无法消除。

为展现实际运行中双冷源空调与单冷源空调风机功耗的大小，选取两台均为100kW冷量，均有3台内风机且占地面积相同的某品牌空调进行对比，经计算，一台100kW冷量的双冷源空调风机功率对比相同占地面积的单冷源空调功率大1700W左右，相比单冷源空调系统，双冷源空调系统PUE制冷影响因子CLF可能会提高0.005~0.007之间。这就决定了双冷源空调系统很难将PUE下降到理想值，这个是在实际的空调系统选型中需要提前考虑的。

3.2空调系统不同负荷能耗分析

风冷型空调的能耗主要受室外干球温度变化影响，水冷型空调的能耗主要受室外湿球温度变化影响。对于空调本身来说，室外机大小的配置会影响空调的能效。由于干球温度一直都是高于湿球温度，所以水冷型空调可以做到更高的能效。而风冷空调需要做到与水冷空调接近的能效则需要更大的成本投入。

（1）不同负荷下空调系统能效

一般情况下，为了保证系统的可靠性，双冷源空调应该以冷冻水模式为优选模式，风冷模式为备用模式。由于中央空调冷却塔受湿球温度影响，所以一般情况下冷冻水模式下的空调能效会略高于风冷模式。

但是中央空调的能效比随着负载率的逐步降低，而风冷空调系统由于有多台空调组成，所以可以认为此时风冷空调的能效比几乎是维持不变的，根据《GB 19576-2019》给定值，得出风冷空调系统能效比与中央空调系统能效比的曲线变化图，其中风冷空调系统能效比选择为单冷型一级能效。

图4 部分负荷下空调系统能耗对比

（2）双冷源空调系统运行现状

以上的分析都是基于目前变频的空调系统，空调系统的能效都比较好。但是目前一些双冷源空调系统能耗远达不到以上的能效数据。在一些早期的数据中心，双冷源空调系统配置定频水泵+末端三通水阀，整个制冷系统的能耗非常高。由于定频的中央空调水系统，所以在部分负荷时关闭中央空调，开启风冷空调反而系统会更节能。以下曲线是深圳某双冷源空调系统数据中心中央空调系统能效比与风冷模式运行能效比对比图。

图5 某数据中心双冷源系统空调系统全年CLF

从图中可以看出，相比变频的系统，当负荷下降时，定频水系统的中央空调应该更快切入风冷模式运行，系统会更节能。但是双冷源空调系统一般都不会配置应急蓄冷装置，所以如果在关停中央空调进入风冷模式，空调系统的冗余可靠性会有所下降，此时需要在冗余可靠性与系统节能性作出选择。

4、结论

通过以上的对比，对于双冷源空调系统总结以下几点：（1）相比于单冷源空调系统，双冷源空调系统冗余可靠性更高，但是双冷源空调系统的风机功耗比较高，双冷源空调系统PUE制冷影响因子CLF可能会比单冷源空调提高0.005~0.007之间，导致采用双冷源空调系统的数据中心PUE很难下降到理想值。（2）双冷源空调系统在运行维护时，中央空调空调系统能效比随着负载降低逐步下降，当下降到一定比例时切换到风冷模式运行系统更节能，但切换到风冷模式运行系统冗余可靠性有所下降，此时需要在冗余可靠性与系统节能性作出选择。（3）对于配置了双冷源空调的数据中心，在生命周期的前期或者后期，机房上架率低、负载较小时，应当考虑优先使用风冷模式运行，对于数据中心节能有一定的帮助。

参考文献：

[1]郑勇锋,苑学贺,张金帅,梅玉娜.高效能数据中心制冷技术研究[J].科技经济导刊,2020,28(02):5-7.

[2]马燕，徐强 . 数据中心节能技术应用指南，2019

[3]Uptime Institute.Data Center Site Infrastructure Tier Standard［S］:Topology，2018

[4]铁锦程,金成城,彭克坚.数据中心制冷系统在冗余和节能上的平衡[J].中国金融电脑,2018(02):75-80.

[5]史美中，王中铮. 热交换器原理与设计（第4版），2009（6）：168