數據中心空調系統節能分析

0需求中能耗比例的合理社會高度重視高效中心的快速發展，其特點是高能耗。這對節能改造或構建高效能的數據處理非常重要。數據中心的能耗主要由信息設備能耗、空調系統能耗、電源系統能耗三部分構成。信息設備能耗是數據中心能耗最大的部分,約占數據中心能耗的50%,空調系統能耗在數據中心總能耗中排第二位,約占40%,電源系統能耗約占數據中心能耗的10%。衡量數據中心是否節能實際上是衡量在保證設備安全穩定運行的前提下,各部分能耗的最佳比例,確保服務器和網絡存儲等設備能效比的最大化。目前有很多衡量數據中心能效的模型,其中比較有影響的是Malone等人提出的電能利用效率PUE(powerusageeffectiveness)模型。全球數據中心的平均PUE是2.0,發達國家數據中心的PUE約為1.8,日本部分數據中心的PUE可達1.5,Google的數據中心PUE可達1.2。在我國,80%以上的數據中心PUE均大于2.0,有的甚至高達3.0。PUE的定義為目前,數據中心能耗比例不合理的一個重要原因是空調系統的能耗過高。由于數據中心屬于高發熱量建筑,同時信息設備對溫度、濕度和潔凈度都有嚴格的要求,所以往往設計成全封閉的結構,依靠常年運行空調設備來達到控溫控濕的目的。數據中心空調系統的常年運行以及一些不合理工況導致了其高能耗,空調系統能耗平均占數據中心整體能耗的40%左右,部分數據中心甚至接近或超過50%。本文針對目前數據中心空調系統能耗比例過高的問題開展了一系列調研、考察。通過實地走訪考察國內各類數據中心,指出了目前我國數據中心空調系統使用中存在的主要問題,同時針對這些問題調研分析了數據中心空調系統各環節的主要節能思路及方法,并給出了具體案例,為數據中心空調系統的綜合節能建設與改造提供參考和依據。1中央供水系統現狀分析1.1數據中心環境數據中心空調系統由空調設備和通風循環設備構成。空調設備主要功能是處理機房回風,將其溫度、濕度以及潔凈度控制在送風要求范圍內,數據中心一般使用機房專用精密空調;通風循環設備主要負責將冷氣流送到機柜熱源附近,然后將與信息設備換熱后的空氣送回空調設備,它包括專用的氣流通道以及機房環境氣流通道。數據中心具有高發熱量、低散濕量的特性,因此要求空調系統具有大送風量、小送風焓差的特性,大送風量保證將設備散出的大量熱量及時排走,而小送風焓差主要是為了防止設備結露。除上述主要特性外,數據中心內各個設備都有相應的最佳溫度、相對濕度工作范圍,如表1所示。溫度和相對濕度過高或過低都會對設備造成較大的影響。溫度過高會降低電子元器件的工作效率,在規定范圍外溫度每增高10℃,其工作效率大約會下降25%;溫度過低會導致設備無法運行以及機械結構的硬化和脆化。相對濕度過大會嚴重影響電路的可靠性,造成短路等;相對濕度過小容易產生靜電,靜電對電子器件具有嚴重的破壞性。另外灰塵也會對設備運行產生嚴重的影響。因此不同國家的各機構及廠家都制定了相應的數據中心環境要求標準,如表2所示。數據中心空調系統的作用就是使數據中心的工作環境滿足相應的要求和標準,使各類設備都能工作在最佳狀態。1.2中央供水系統的高能耗分析通過對大量數據中心的實地走訪及調研發現,除了空調系統常年運行這一主要因素以外,空調系統的各環節都存在著一些問題,主要有以下幾個方面。1空調系統不濕數據中心環境要求恒溫、恒濕、無塵,因此空調系統一般不引入室外新風,而采用循環風帶走室內高密度的顯熱量。由于采用循環風的送風方式且內部無濕源,所以在正常情況下空調系統是不用除濕的。但目前通過走訪觀察發現,即使在冬季,機房空調仍然有冷凝水流出,主要是因為空調輸出冷量中通常帶有部分潛冷量,即冷凝水攜帶的冷量。由于數據中心對空氣濕度有嚴格的要求,這就容易導致機房空調一方面對機房回風降溫冷凝除濕,另一方面又同時對其加濕,這種不合理的設備工作方式會導致大量不必要的能量浪費。甚至在下雪的時候數據中心空調系統仍運行在制冷狀態,同時不斷在除濕。2空調制冷設計不合理在調研過程中發現數據中心氣流組織也存在較多問題,在一些建設較早的機房中尤其突出,主要有以下幾類不合理現象:①機柜排列不合理。機柜同向擺放,前面服務器排出的熱空氣被后排服務器吸收,冷熱氣流混合導致空調制冷效率降低。②送風通道設計不合理。部分數據機房由老式辦公室改造而成,受層高限制,地板送風通道高度有限,導致機房空調送風阻力增大,送風量減小,送風距離縮短,極大地降低了機房空調的制冷能力;另外部分機房風道障礙物較多,如線纜、管路等,導致風道流通不暢、制冷效果下降;因此為了達到信息設備的冷卻要求,機房需要配置的空調制冷能力遠遠超出信息設備的發熱量,造成空調系統用電量大幅度升高。③地板出風口位置設置不合理。在離空調出風口較近或較遠的地方開置地板出風口,擺放機柜,導致出風量不足,造成局部過熱。3機房采用空調系統部分數據中心由于氣流組織不合理或者服務器分布不均勻,常出現局部溫度過高的情況。為解決這個問題,數據中心運行維護人員通常的做法是調低空調系統設備溫度,整體降低數據中心機房環境溫度。機房精密空調機組應用于電子計算機機房是按照現行國家標準A級電子信息系統機房設計規范進行設計的,運行工況參數為:溫度(23±1)℃,相對濕度40%~55%。現有機房空調生產廠家所提供的機型其室內機回風口工況參數多為溫度24℃,相對濕度50%,在此工況下進行機房選型設計選用的直接膨脹式空調壓縮機COP和整機顯熱比均較大,當前機房建設進行空調設計時多按照上述工況參數進行選型。但在實際調研中發現,大部分機房將空調系統調控溫度設定在22℃以下,有的甚至設定至18℃。當機房空調運行工況參數設定為溫度22℃,相對濕度50%時,傳統直接膨脹式空調機壓縮機COP同比下降約7%~8%,整機顯冷量相比原總冷量會下降8%~19.5%,對比回風溫度24℃,相對濕度50%工況,增加的能耗大約為15%~25%。若繼續調低空調機運行工況參數,對應的能耗會呈非線性的增長,因此空調系統溫度設定的不合理會極大地增加空調系統的能耗。4管路系統造成的沖擊目前大部分樓宇對建筑外觀要求十分嚴格,外墻上不允許安裝空調室外機及任何管路,導致機房空調連接管路需要繞行較遠的距離,有的連接管路長度甚至超過50m,這樣的管路系統大大增加了制冷劑的流動阻力,增加了空調壓縮機的功耗;同時,過長的管路導致制冷系統冷凍油循環不暢,空調壓縮機壽命縮短,增加運行維護費用;落差較大的管路管內壓力較大,還會帶來管道破裂的安全隱患。并且這種類型的數據中心機房空調的室外機通常在某一區域集中放置,例如走廊、樓頂等,室外機密集,空氣流通不暢,環境溫度比實際天氣溫度要高5~6℃,大大提高了空調的冷凝溫度,降低空調制冷效率約20%,進一步增加機房空調系統能耗。2空調系統的節能技術通過調研發現數據中心空調系統存在諸多用能不合理之處,如空調系統常年運行;空調系統的配置、工況的設定不合理;氣流組織及設備的布置不科學等等。空調系統的高能耗已成為數據中心能源利用效率低的主要癥結。目前,空調系統的節能改造技術發展相對成熟,節能技術種類也比較多,節能改造整體投資較小,實施難度也相對較低,而節能效果明顯,因此對空調系統進行改進是數據中心節能的首要任務。在調研過程中發現大部分數據中心沒有采用空調系統節能技術。在保證數據中心機房設備安全性、可靠性的前提下,綜合利用各種節能手段,可以降低空調系統用電量20%~50%,將空調系統用電量占機房總耗電量的比例降低至30%左右,即可將機房PUE降低至2.0以下,大大提高數據中心機房的能源利用效率。2.1空調設備的節能1溫濕度獨立控制空調系統采用溫濕度獨立控制空調系統,可避免常規空調系統熱濕耦合處理帶來的問題,可有效提高空調系統的能源利用效率。有研究表明,與同類建筑相比,采用溫濕度獨立控制空調系統的建筑節能約35%。數據中心空調系統溫濕度控制分離后,溫度調節能耗將成為空調系統的主要能耗。溫度調節系統可以通過引入中高溫冷源系統,避免冷卻過程的過度除濕,使制冷機性能明顯提高。目前中高溫冷源技術較為成熟,可根據不同的地理環境條件選擇適宜的技術來實施,可適用于數據中心的冷卻技術主要有間接蒸發冷卻技術和高溫冷水技術。常用的高溫冷源技術的比較見表3。2變動態測距技術數據中心的服務器功耗一般會隨著業務量的變動呈現一定規律的變化,因此數據中心信息設備的發熱量也會呈現周期性的變化,采用變頻壓縮機、風機、水泵等設備可以有效提高空調設備制冷效率。變頻技術可根據數據中心機房室內外不同的溫度通過調節轉速來改變泵和風機的性能曲線,在調整其出力的同時不影響管路系統的阻力特性,使系統能保持較高的效率運行。當流量減少一半時,普通空調系統的水泵或風機能耗僅減少20%~30%,而采用變頻技術時,可減少能耗70%~80%,極大地降低了設備能耗。此外變頻空調在工作時避免了設備工況的劇烈變化,如壓縮機的頻繁啟停等等,保證了設備工作的穩定性,可延長設備的使用壽命。2.2下風機風機選型和布置方式送回風系統是空調系統的另一個重要組成部分。空調系統的氣流組織優化是數據中心室內氣流循環的綜合優化過程,其優化設計包括送風方式的選擇、機柜與空調的布局、建筑結構及參數的選擇等等。通過優化機房氣流組織及布局,可以有效地降低空調系統的能耗。一方面可使機房氣流循環更加暢通,減少冷熱氣流間的相互影響,大幅提高冷空氣的利用效率,降低空調的循環風量;另一方面可通過合理的氣流和機柜布局使機房內溫度更加均勻,消除局部熱點,適當提高空調的運行溫度。數據中心機房的送風方式主要可分為上送風和下送風兩種。上送風方式是把空調機組處理過的冷空氣通過送風口送到信息設備上部,帶走信息設備和機房的熱量后通過機房下部空間回到空調機組內,進行冷卻降溫處理,從而構成一個循環;下送風方式是將機房地板抬高,形成一個架空層,經空調機組處理過的冷空氣從空調機底部送到架空層,冷空氣通過信息設備底部、開孔地板進入機房和信息設備內,帶走熱量后通過機房上部空間回到空調機組內,進行冷卻降溫處理,開始下一個循環。目前數據中心機房的地板設計有硬地板和架空地板兩類,送回風可采用開放式、局部管道式或全管道式三種類型,通過它們之間的不同組合可衍生出多種送風方式。針對不同類型的送風方式,國內外學者通過數值模擬和實驗測量等手段作了大量的研究,比較了各類送風方式的優劣、適用范圍等等。目前,數據中心較常見的送風方式有兩類,即硬地板配合開放式的送回風形式和架空地板配合開放式的回風形式。前者屬于典型的上送風類型,如圖1所示,其優點是結構簡單、安裝便利、整體成本較低,缺點是送風距離較近,一般有效送風距離為15m,送風不均勻,并容易出現冷熱空氣短路的現象,該類送風方式一般應用于小型機房。后者屬于典型的下送風類型,如圖2所示,架空地板高度為20~100cm,空調系統冷空氣送入地板下方形成靜壓箱,然后通過靜壓箱送風,該送風方式氣流穩定均勻,送風距離較遠,可達25m,并可將冷空氣送至服務器機架附近,經信息設備出來后的熱空氣從機房上部回收,可有效避免冷熱氣流摻混,冷空氣利用效率較高,對于高熱流密度的大中型數據機房建議使用該送風方式。早期建設的數據機房機柜布置未考慮氣流組織的因素,一般采用統一朝向的布置方式,如圖3所示。在該布置方式下,前排機柜散出的熱空氣與進入后排機柜的冷空氣相摻混,增加了機柜的進風溫度,大大降低了空調的制冷效率。目前機柜排布往往會考慮氣流組織的因素,一般采用面對面、背靠背的布置方式,如圖4所示。在該布置方式下,機柜間形成冷通道和熱通道,從空調系統出來的冷氣流從冷通道進入機柜,冷卻服務器后形成的熱空氣從機柜背部流出進入熱通道返回空調系統。冷熱通道將冷氣流和熱氣流隔開,可有效地抑制冷熱氣流的摻混,降低機柜的進風溫度,提高冷卻效率。另外在面對面、背靠背的機柜布置方式下,為了更好地將冷熱氣流隔離開,可在冷通道或者熱通道內布置一些擋板,或者完全將某一通道封閉起來,實現高效的冷氣流利用,如圖5所示。3開孔地板均勻性的影響因素除送風方式和機柜布局外,機房的建筑結構和參數的選擇對數據機房的氣流組織也起著重要的作用。Sorell等人通過數值模擬分析了天花板高度對機房整體氣流組織的影響;Gilder等人對開孔地板氣流均勻性的影響因素進行了詳細的論證:地板開孔位置要得當,出風口距離空調機組太近或太遠都不合適,離空調機太近,空氣的動壓很大,靜壓很小,會導致冷空氣出不來,機柜離空調太近時不宜開出風口;而出風口離空調機太遠,則冷風送不到;Patankar綜合分析了數據機房架空地板上下兩個空間對機房氣流組織的影響因素,如架空地板的高度、架空層管線的布局、地板的開孔位置和開孔率等等。2.3間接自然冷源利用根據電子計算機機房設計規范,數據中心要求溫度控制在(23±1)℃,而我國特別是北方地區,一年里冬、春、秋季及夏季的早晚時段大部分時間室外環境溫度均低于數據中心環境要求的溫度。如果能夠充分利用室外環境的冷源,在室外環境溫度比室內低一定程度時,依靠室外冷空氣將數據中心內的熱量帶走,空調的運行時間將大大縮短,從而實現大幅降低能耗的目的,并延長空調設備使用壽命。目前眾多學者對數據中心自然冷源的合理利用都非常關注,并在自然冷源利用方案、設備等方面作了大量的研究。自然冷源利用可分為兩大類:直接利用和間接利用。直接利用是將室外的冷空氣直接引入數據中心內部,帶走信息設備的熱量后再排至室外,由于數據中心對濕度和潔凈度有嚴格的要求,所以在室外空氣進入數據中心前需要進行控濕和過濾等處理。自然冷源的間接利用是室外空氣和室內空氣通過換熱設備進行冷熱量的交換,兩股氣流不直接接觸,可以在保證室內濕度和潔凈度的同時降低室內循環氣流的溫度。間接自然冷源利用方法的難點主要在于如何高效地實現室內外空氣的熱量交換。目前主要有兩種手段:利用空-空換熱器和熱管換熱技術。自然冷源利用方案的比較見表4。由表4可知,直接利用自然冷源雖然設計思路簡單,但除塵和控濕代價較大,日常維護成本較高,為了保證引入數據中心機房的空氣質量需要頻繁更換過濾網,而間接利用方案由于室內外空氣無直接接觸,能保證室內空氣的質量,所以在實際使用中間接利用方案是一種較好的選擇。對