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,数据中心产业进入了大规模建设,例如运营商、互联网企业、金融业、政府、制造业等都在规划、建设和改造各自的数据中心^[1,2,3,4]。由于数据中心机房单机柜的功率密度越来越高,长时间运行耗电量巨大,发热量集中,会使得机房出现局部过热现象,导致机房设备出现故障。因此,数据中心对可靠性、安全运行方面的要求极高。

研究表明,数据中心的能耗有超过1/3来源于空调系统,空调系统节能是降低能耗的关键,具有很大的节能潜力^[5,6]。提高数据中心空调系统效率不仅能够减少其自身耗电量,同时还可降低机房其他设备能耗,从而保障数据中心长时间的安全运行。所以研究和优选数据中心的空调系统节能技术十分重要。

本文以上海地区为例,选取20个大型数据中心为研究对象,通过现场调研评估、测试、数据分析,对数据中心空调系统节能技术措施进行探讨,并进一步提出数据中心空调系统节能技术路线。

1 数据中心概况

1.1 基本信息

本文所调研、测试的20个数据中心均为上海地区500个机架以上的大型数据中心,各数据中心的机架情况见图1。其中,7个数据中心的设计机架数在500～1 000个范围内,8个数据中心的设计机架数在1 000～2 000个范围内,5个数据中心的设计机架数在2 000个以上。这些数据中心主要涉及金融、通信和专门的互联网数据中心(IDC)运营商。

图1 数据中心机架数量分布情况   下载原图

 

1.2 空调系统

数据中心机房的IT设备通常在高能耗情况下运行,且需要全年运行,而机房室内环境对IT设备的稳定运行和使用周期均有很大影响。因此,数据中心对空调系统的要求很高,不同于常规的空调系统。

调查研究表明,数据中心空调系统设计时通常要考虑稳定性、灵活性和节能性。其中,节能性要求空调系统能在较低能耗状态下运行,实现高效、低能耗的节能运行方式^[7]。随着数据中心建设量的不断增大,其能耗也相应增大,为了响应节能减排的号召,目前迫切需要建设绿色数据中心,全面提升数据中心节能环保水平。因此,数据中心空调系统的节能性是目前关注的焦点。

本文采取调研、评估的方式对上海地区20个大型数据中心空调系统的节能性进行深入分析,发现这些数据中心的空调系统均存在提升空间,详见表1。

1.3 空调系统的能耗情况

通过对20个数据中心的测评,统计分析各数据中心的能耗情况,得到各数据中心的年度总能耗和空调系统能耗,如图2所示。

图2中空调能耗占比为各数据中心空调系统耗电量占总耗电量的比值,除20号数据中心的空调能耗占比为20%左右外,其他各数据中心的空调能耗占比均在20%以上,甚至个别数据中心空调能耗占比高达60%。由此可知,研究涉及的20个数据中心中有95%的数据中心空调系统存在能耗较高现象,具有一定的优化空间和节能潜力。

表1 数据中心空调系统存在问题汇总 导出到EXCEL

 

 

数据中心 编号	目前存在问题
1	气流组织紊乱
2	气流组织冷热掺混严重,且未作冷通道封闭
3	冷却塔水量外溢,开启数量与负载实际需求不符,冷源利用效率低
4	地板送风但冷池未封闭,气流组织冷热掺混严重;盲板未封堵
5	地板送风但冷池未封闭,气流组织冷热掺混严重;盲板未封堵
6	存在局部热点,送风量与机柜实际需求风量不匹配;精密空调存在漏风
7	存在冷风下沉、无法上送风的现象;存在局部热点;过多冷风与热空气混合,导致冷量损失
8	送回风温度较低
9	送回风温度较低;精密空调存在漏风现象,无盲板
10	气流组织冷热掺混严重
11	存在局部热点,气流组织冷热掺混严重
12	存在局部热点,气流组织冷热掺混严重
13	机房虽为上送风,但机房内无送风管,送风效果较差
14	机房内风平衡较差,送回风温度较低
15	供回水温差小,气流组织不平衡;回风全靠负压,漏风严重;存在局部热点
16	存在局部热点;盲板未封堵全
17	盲板未封堵全
18	气流组织紊乱
19	气流组织紊乱
20	冷却塔水量外溢,开启数量与负载实际需求不符,冷源利用效率低

 

 

 

图2 各数据中心的能耗   下载原图

 

2 数据中心空调系统节能技术措施分析

2.1 工信部对绿色数据中心空调系统节能技术的要求

为了推动数据中心节能与绿色发展水平持续提升,工信部发布了《绿色数据中心先进适用技术产品目录(2019年版)》(以下简称《目录》),《目录》中提出了一些适用于既有数据中心空调系统的节能改进技术^[8]。通过对《目录》中节能改进技术的分析,并结合上海地区的实际情况,本文罗列了一些适合20个数据中心的空调节能技术措施,见表2。

表2 数据中心适用的空调节能技术措施 导出到EXCEL

 

 

技术措施	技术原理	适用范围
高效热管列间空调	利用室外自然冷却资源,在重力作用下,通过小温差驱动热管系统内部循环工质的气液相变循环,把数据中心的热量带到室外,将大空间集中制冷转变为局部区域制冷,减少冷量损失、减少冷源输送	新建数据中心或老旧数据中心改造
直流调速行级空调技术	将空调部署在机柜排中,紧靠热源安装,动态匹配数据中心负载需求,是中高密度数据中心的一种高效散热方案	大、中、小型数据中心
全密闭动态均衡送风供冷节能技术	在机柜前后门全密闭冷热隔离供冷的基础上,模组机柜内采用二维动态平衡变风量导流送风技术、气流组织静电消除技术和反向控制节能技术等解决中高密度机架的局部过热问题	存在局部过热问题的中小型数据中心
精密空调调速节能控制柜	在精密空调压缩机、室内风机供电前端增加精密节能控制柜,通过节能控制柜采集室内的温度信号,再由节能控制柜的控制器根据蒸气压缩式制冷理论循环热力计算结果输出相应控制信号控制压缩机、室内风机工作频率,进而达到降低能耗的目的	老旧数据中心改造
制冷剂泵循环自然冷却机组	低温季节,压缩机停止运行,制冷剂通过制冷剂泵在室外进行循环,将冷量带入室内;过渡季节压缩机与制冷剂泵一起使用,最大限度地利用自然冷源;高温季节,开启压缩机制冷模式	严寒、寒冷、夏热冬冷地区新建数据中心或老旧数据中心改造

 

 

 

2.2 GB 50174—2017《数据中心设计规范》对数据中心空调系统节能技术的要求

GB 50174—2017《数据中心设计规范》也对数据中心空调系统提出了明确要求,主要涉及冷源和空调系统室内设计两方面:机房内空调系统的气流组织形式应根据设备布置方式合理确定,并建议采取冷热通道隔离措施;同时,数据中心应根据当地气候条件充分利用自然冷源,建议空调系统采用变频、自动控制等技术进行负荷调节,并且对于机房专用空调建议采用出风温度控制^[9]。

3 数据中心空调系统的节能技术措施及节能技术潜力分析

3.1 数据中心空调系统的具体节能技术措施

结合以上行业内文件或标准对数据中心空调系统节能技术的分析,本文根据各数据中心空调系统的实际情况提出改进建议,如表3所示。

表3 各数据中心空调系统改进建议 导出到EXCEL

 

 

改进措施建议

数据中心编号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

增加免费冷源利用时长

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制冷剂泵综合改造

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制冷站增设免费冷源设备

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立足高温供水的综合控制

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专用空调压缩机变频控制

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专用空调风机变频改造

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送风调适优化

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冷热通道封闭并做好封堵

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送回风流场改造

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冷却系统的系统优化提升

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通过深入分析各数据中心空调系统的改进建议发现,所提出的节能技术措施主要分为加强免费冷源的利用和优化室内侧冷却系统2类。

在气候条件适合的地区,集中冷水空调系统加强免费冷源利用是较为普遍的节能技术,对于上海地区来说,特别是对于没有集中冷水空调系统的数据中心,可通过制冷剂泵改造、加装自然冷却设备等方式利用免费冷源;对于采用集中冷水空调系统的数据中心,可通过设备选型、系统设置、改变运行策略等措施,增加免费冷源利用时长,在高温供水的基础上,提高制冷站的综合控制水平。

优化室内侧冷却系统是指对室内机房专用空调进行优化。室内侧的机房专用空调是数据中心冷却系统的耗能设备之一。通过对机房专用空调压缩机和风机进行改造,实现变频控制,并采用合理的策略实现调节,可大幅度降低其能耗。同时,通过改造送回风管道、风口等,进一步调适优化机房专用空调的送风,采用冷热通道封闭并加强封堵,严格做好冷热通道的隔绝,降低冷却系统室内侧能耗。

3.2 节能技术潜力分析

本文对各数据中心采用节能措施后的节能潜力进行了分析,图3显示了各数据中心采用节能措施前后空调系统的能耗情况。

图3 各数据中心采用节能措施前后空调系统的能耗情况   下载原图

 

观察图3可知,各数据中心采用节能措施后,其空调系统的能耗均有所降低,大部分数据中心空调系统的节能量较为显著,个别数据中心节电量高达600万kW·h/a左右,20个数据中心的总节电量可高达2 557万kW·h/a。

根据上述分析可知,本文提出的节能技术措施具有节能潜力,能够有效降低数据中心空调系统的能耗。

4 结论

1) 本文研究涉及的20个数据中心中,除个别数据中心外,大多数数据中心的空调系统能耗占比均在20%以上,有的甚至达到60%;95%左右的数据中心空调系统存在能耗较高现象,具有优化空间和节能潜力。

2) 结合数据中心行业内文件或标准,根据各数据中心的实际情况,提出了加强免费冷源的利用和优化室内侧冷却系统、优化气流组织等节能技术措施,分析发现这些节能措施具有一定的节能潜力。

另外,笔者目前正在与各数据中心沟通协调,推进各数据中心实现节能改造。后续还将协调各数据中心,进一步落实长期监测,深入分析。

参考文献

[1] 申沛.数据中心空调系统节能技术分析[J].上海节能,2015(10):555-558

[2] 曾伟.数据中心用空调系统设计探讨[J].建筑热能通风空调,2018,37(8):90-93

[3] 杨菲菲.浅析数据中心空调节能技术[J].洁净与空调技术,2019(1):80-82

[4] 中国电子技术标准化研究院,全国信息技术标准化技术委员会,信息技术与可持续发展分技术委员会,等.绿色数据中心白皮书(2019)[M].北京:中国电子技术标准化研究院,2019:21-31

[5] 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

[6] 陈胜朋,梁立平,陈红,等.机房空调节能技术探讨[J].制冷与空调,2013,27(5):458-461,465

[7] 高轶.数据中心空调设计问题解析[J].中国新通信,2014,16(24):8-9

[8] 中华人民共和国工业和信息化部.绿色数据中心先进适用技术产品目录(2019年版)[EB/OL].[2020-04-17].ttps://www.miit.gov.cn/cms_files/filemanager/oldfile/miit/n1146295/n7281310/c7291102/part/7291108.pdf

[9] 中国电子工程设计院.数据中心设计规范:GB 50174—2017[S].北京:中国计划出版社,2017:6-10

 

 

作者简介：朱伟峰，男，1972年12月生，博士，教授级高级工程师;*郑竺凌（通信作者）200032上海市徐汇区宛平南路75号建科大厦4楼E-mail:zhengzhuling@sribs.com.cn;

收稿日期：2020-04-17

基金：上海市科委科研计划项目“超低能耗互联网数据中心节能关键技术研究与示范”(编号:19DZ1208500);

Analysis of air conditioning status for data centers in Shanghai

Zhu Weifeng Zheng Zhuling Zhang Yuyan Wang Tao Huang Huang

Shanghai Research Institute of Building Sciences Co.,Ltd.

Abstract：

Selecting 20 large-scale data centers in Shanghai as the research objects, analyses the present situation and energy consumption of each data center's air conditioning system by means of investigation, evaluation and data analysis. The analysis results show that there are some problems in the original design of these air conditioning systems, and 95% of the data centers have high energy consumption, which has a certain optimization space and energy saving potential. Combining with the data center documents or standards and each data center's actual situation, puts forward some energy saving technical measures for air conditioning systems and estimates their energy saving potential.

Keyword：

air conditioning system; data center; energy saving technology; energy efficiency; investigation;

 

Received： 2020-04-17