大型數(shù)據(jù)中心節(jié)能冷卻系統(tǒng)鵬博士數(shù)據(jù)中心事業(yè)部王克寧李安平〔f81345@gmail〕目前就職于微軟的數(shù)據(jù)中心最有影響的專家ChristianBelady在2006年提出數(shù)據(jù)中心能源利用率〔PUE〕的概念。如今，PUE已開展成為一個全球性的數(shù)據(jù)中心能耗標(biāo)準。數(shù)據(jù)中心的PUE的值等于數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗的比值，比值越小，表示數(shù)據(jù)中心的能源利用率越高，該數(shù)據(jù)中心越符合低碳、節(jié)能的標(biāo)準。目前國內(nèi)一些小規(guī)模的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，PUE值可能高達3左右，這意味著IT設(shè)備每消耗1瓦特電力，數(shù)據(jù)中心根底設(shè)施便需要消耗2瓦特電力。據(jù)網(wǎng)絡(luò)上收集的相關(guān)信息，目前GDS在建的4個機房在與第三方設(shè)計單位簽約時，都是按照PUE值等于1.8的標(biāo)準進行規(guī)劃的。世紀互聯(lián)近五年建設(shè)的水冷數(shù)據(jù)中心的PUE值在1.5左右。鵬博士酒仙橋大型數(shù)據(jù)中心的PUE設(shè)計值不超過1.5。根據(jù)收集相關(guān)網(wǎng)站信息，全球最最節(jié)能的5個數(shù)據(jù)中心分別是：雅虎“雞窩〞式數(shù)據(jù)中心〔PUE=1.08〕雅虎在紐約洛克波特的數(shù)據(jù)中心，位于紐約州北部不遠的尼亞加拉大瀑布，每幢建筑看上去就像一個巨大的雞窩，該建筑本身就是一個空氣處理程序，整個建筑是為了更好的‘呼吸’，有一個很大的天窗和阻尼器來控制氣流。Facebook數(shù)據(jù)中心〔PUE=1.15〕Facebook的數(shù)據(jù)中心采用新的配電設(shè)計，免除了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心不間斷電源(UPS)和配電單元(PDUs)，把數(shù)據(jù)中心的UPS和電池備份功能轉(zhuǎn)移到機柜，每個效勞器電力供給增加了一個12伏的電池。同時Facebook也在使用新鮮空氣進行自然冷卻。谷歌比利時數(shù)據(jù)中心〔PUE=1.16〕谷歌比利時數(shù)據(jù)中心竟然沒有空調(diào)!根據(jù)谷歌公司工程師的說法，比利時的氣候幾乎可以全年支持免費的冷卻，平均每年只有7天氣溫不符合免費冷卻系統(tǒng)的要求。夏季布魯塞爾最高氣溫到達66至71華氏度〔19-22℃〕，然而谷歌數(shù)據(jù)中心的溫度超過80華氏度〔27℃〕。惠普英國溫耶德數(shù)據(jù)中心〔PUE=1.16〕惠普英國溫耶德數(shù)據(jù)中心利用來自北海的涼爽的海風(fēng)進行冷卻。微軟都柏林數(shù)據(jù)中心〔PUE=1.25〕微軟愛爾蘭都柏林數(shù)據(jù)中心，采用創(chuàng)新設(shè)計的“免費冷卻〞系統(tǒng)和熱通道控制，使其PUE值遠低于微軟其他數(shù)據(jù)中心的1.6。從上面可以看出，降低PUE最有效的措施是采用免費自然制冷措施和替代傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)。對于數(shù)據(jù)中心，其能耗一般由IT設(shè)備能源消耗、UPS轉(zhuǎn)化能源消耗、制冷系統(tǒng)能源消耗、照明系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗以及門禁、消防、閉路電視監(jiān)控等弱電系統(tǒng)能源消耗五局部組成。如果需要降低PUE的值，就需要從以下四個方面采取措施。■采用轉(zhuǎn)換效率高的UPS系統(tǒng)。目前，新一代數(shù)據(jù)中心的設(shè)計根本采用新型的高頻〔IGBT技術(shù)〕UPS系統(tǒng)，電源轉(zhuǎn)換效率和功率因數(shù)都比傳統(tǒng)的工頻〔可控硅技術(shù)〕UPS系統(tǒng)有非常大的提升，而且重量輕和體積小。由于UPS的電源轉(zhuǎn)換效率和負載率成正向關(guān)系，因此在設(shè)計和運維時要盡可能提高UPS的負載率。目前國內(nèi)電信和聯(lián)通都在提倡使用高壓直流UPS系統(tǒng)，取消了傳統(tǒng)意義上UPS的逆變功能，不僅電源轉(zhuǎn)換效率提高3到5個百分點，而且可靠性大大提高。上面介紹Google和Facebook干脆在數(shù)據(jù)中心取消了傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)，把電池和效勞器的電源相結(jié)合，在正常運營時完全沒有額外的能源消耗。■采用高效節(jié)能的綠色制冷系統(tǒng)。主要是采用水冷空調(diào)和自然制冷措施，下面做詳細介紹。■采用LED綠色節(jié)能光源取代或局部取代傳統(tǒng)光源，據(jù)了解，目前在世紀互聯(lián)和鵬博士的數(shù)據(jù)中心局部機柜上已經(jīng)安裝LED光源。另外就是運維管理，做到人走燈關(guān)，根據(jù)人員情況確定新風(fēng)系統(tǒng)的運行時間和風(fēng)量。■弱電系統(tǒng)總的能源消耗很小，一般不需要過多關(guān)注。但是如果可能的話，最好采用集中的高效直流供電系統(tǒng)，因為一般分布式的小型直流電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低，功率因數(shù)也低。1、適合數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)介紹由于數(shù)據(jù)中心的發(fā)熱量很大且要求根本恒溫恒濕永遠連續(xù)運行，因此能適合其使用的空調(diào)系統(tǒng)要求可靠性高〔一般設(shè)計都有冗余備機〕、制冷量大、小溫差和大風(fēng)量。空調(diào)系統(tǒng)的制冷能效比〔COP〕是指空調(diào)器在額定工況下制冷運行時，制冷量與有效輸入功率之比。該數(shù)值的大小反映出不同空調(diào)產(chǎn)品的節(jié)能情況。空調(diào)系統(tǒng)的制冷能效比數(shù)值越大，說明該產(chǎn)品使用時產(chǎn)生相同制冷量時所需要消耗的電功率就越小，那么在單位時間內(nèi)，該空調(diào)產(chǎn)品的耗電量也就相對越少。新的強制性國家標(biāo)準《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》〔GB12023.3-2023〕由國家質(zhì)檢總局、國家標(biāo)準委于2023年2月26日發(fā)布，從6月1日起將在全國范圍內(nèi)實施。此標(biāo)準規(guī)定14000W制冷量以下民用空調(diào)器能效等級指標(biāo)以及試驗方法、檢驗規(guī)那么、房間空調(diào)器產(chǎn)品新的能效限定值、節(jié)能評價值等。國家強制性房間空調(diào)器能效等級標(biāo)準類型額定制冷量〔CC)能效等級123整體式3.303.102.90分體式CC≦4500W3.603.403.204500W<CC≦7100W3.503.303.107100W<CC≦14000W3.403.203.00針對空調(diào)系統(tǒng)制的冷能效比，需要特別說明以下兩點：■廠家給出的空調(diào)系統(tǒng)制冷能效比是在額定的工況條件下測試的，實際工況一般都要比額定工況差很多〔包括負載和環(huán)境〕，因此空調(diào)系統(tǒng)的實際運行的能效比都要比廠家給出的低很多。■針對數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)尤其特殊，一是全年不間斷運行，工況差異非常的大；二是溫度濕度控制精度高，除濕、加濕、加熱、小溫差大風(fēng)量等比一般民用空調(diào)系統(tǒng)消耗的附加能量更多。1.1風(fēng)冷精密空調(diào)這是數(shù)據(jù)中心最傳統(tǒng)的制冷解決方案，單機制冷能力一般都在50到200KW之間，一個數(shù)據(jù)機房一般都是安裝多臺才能滿足需要。下面是風(fēng)冷精密空調(diào)的工作原理圖。風(fēng)冷精密空調(diào)一般采用渦旋壓縮機制冷〔一般安裝在精密空調(diào)內(nèi)〕，能效比相比照擬低，在北京地區(qū)一般在1.5到3之間〔夏天低，冬天高〕。風(fēng)冷精密空調(diào)在大型數(shù)據(jù)中心中使用存在以下缺乏：■安裝困難。大量的室外冷凝器安裝需要非常大的場地，銅管過長不僅影響制冷效率，本錢高，安裝難度大，而且影響建筑物外觀。室外冷凝器的安裝位置受空間限制，極可能出現(xiàn)熱島效應(yīng)，大大降低制冷效率。■在夏天室外溫度很高時，制冷能力嚴重下降甚至保護停機。目前國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心一般采用對室外冷凝器噴水霧或增加涼棚來改善其在夏天的制冷效果。因此數(shù)據(jù)中心在設(shè)計時不能按其額定的制冷量計算，需要留有足夠的冗余。■對于傳統(tǒng)多層電信機房，一般把室外冷凝器安裝在每層的四周，下層冷凝器的熱量將不斷向上散發(fā)，上層的冷凝器效率將大大降低，熱量散不出去，形成嚴重的熱島效應(yīng)。據(jù)了解，北方某聯(lián)通數(shù)據(jù)中心因為熱島效應(yīng)夏天機房的溫度高達35℃以上，大約10%的效勞器停機，用戶只好運來冰塊降溫。■精密空調(diào)內(nèi)部風(fēng)機盤管的工作溫度大大低于露點溫度，大量產(chǎn)生冷凝水，為了維持數(shù)據(jù)中心的濕度，需要啟動加濕功能。除濕和加濕都要消耗大量的能源。為了加濕，需要將自來水進行軟化，即便如此，還需要經(jīng)常清洗加濕罐中的水垢。1.2離心式水冷空調(diào)系統(tǒng)這是目前新一代大型數(shù)據(jù)中心的首選方案，其特點是制冷量大并且整個系統(tǒng)的能效比高〔一般能效比在3到6之間〕。離心式制冷壓縮機的構(gòu)造和工作原理與離心式鼓風(fēng)機極為相似。但它的工作原理與活塞式壓縮機有根本的區(qū)別，它不是利用汽缸容積減小的方式來提高氣體的壓力，而是依靠動能的變化來提高氣體壓力。離心式壓縮機具有帶葉片的工作輪，當(dāng)工作輪轉(zhuǎn)動時，葉片就帶動氣體運動或者使氣體得到動能，然后使局部動能轉(zhuǎn)化為壓力能從而提高氣體的壓力。這種壓縮機由于它工作時不斷地將制冷劑蒸汽吸入，又不斷地沿半徑方向被甩出去，所以稱這種型式的壓縮機為離心式壓縮機。壓縮機工作時制冷劑蒸汽由吸汽口軸向進入吸汽室，并在吸汽室的導(dǎo)流作用引導(dǎo)由蒸發(fā)器〔或中間冷卻器〕來的制冷劑蒸汽均勻地進入高速旋轉(zhuǎn)的工作輪〔工作輪也稱葉輪，它是離心式制冷壓縮機的重要部件，因為只有通過工作輪才能將能量傳給氣體)。氣體在葉片作用下，一邊跟著工作輪作高速旋轉(zhuǎn)，一邊由于受離心力的作用，在葉片槽道中作擴壓流動，從而使氣體的壓力和速度都得到提高。由工作輪出來的氣體再進入截面積逐漸擴大的擴壓器〔因為氣體從工作輪流出時具有較高的流速，擴壓器便把動能局部地轉(zhuǎn)化為壓力能，從而提高氣體的壓力〕。氣體流過擴壓器時速度減小，而壓力那么進一步提高。經(jīng)擴壓器后氣體聚集到蝸殼中，再經(jīng)排氣口引導(dǎo)至中間冷卻器或冷凝器中。水冷冷凍機組的工作原理如下：■冷凍水側(cè)：一般冷凍水回水溫度為12℃，進入冷凍器與冷媒做熱交換后，出水溫度為7℃。冷凍水一般通過風(fēng)機盤管、組合式空調(diào)機組或水冷精密空調(diào)機向IT設(shè)備提供冷氣。由于數(shù)據(jù)中心的制冷量大，要求溫差小風(fēng)量大且濕度需要控制，一般采用水冷精密空調(diào)機。■冷卻水側(cè)：一般冷卻水進水溫度為30℃，進入冷凝器與冷媒做熱交換后，出水溫度為35℃。冷卻水一般使用蒸發(fā)式冷卻塔通過水蒸發(fā)來散熱降溫。■冷媒側(cè)：冷媒以低溫低壓過熱狀態(tài)進入壓縮機，經(jīng)壓縮后成為高溫高壓過熱狀態(tài)冷媒。高溫高壓過熱狀態(tài)冷媒進入冷凝器后，將熱傳給冷卻水而凝結(jié)成高壓中溫液態(tài)冷媒。高壓中溫液態(tài)冷媒經(jīng)膨脹裝置，成為低壓低溫液氣混合狀態(tài)冷媒。低溫低壓液氣混合狀態(tài)冷媒進入蒸發(fā)器后，與冷凍水進行熱交換，冷凍水在此處被冷卻，而冷媒那么因吸收熱量而蒸發(fā)，之后以低溫低壓過熱蒸氣狀態(tài)進入壓縮機。離心式制冷壓縮機與活塞式制冷壓縮機相比擬，具有以下優(yōu)點：■單機制冷量大〔350到35000KW之間〕，在制冷量相同時它的體積小，占地面積少，重量較活塞式輕5～8倍。■由于它沒有汽閥活塞環(huán)等易損部件，又沒有曲柄連桿機構(gòu)，因而工作可靠、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音小、操作簡單、維護費用低。■工作輪和機殼之間沒有摩擦，無需潤滑。故制冷劑蒸汽與潤滑油不接觸，從而提高了蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱性能。■能經(jīng)濟方便的調(diào)節(jié)制冷量且調(diào)節(jié)的范圍較大。由于熱量是通過水的蒸發(fā)〔在冷卻塔中〕來散發(fā)的，因此夏天室外的高溫對其冷卻能力影響很小。離心式冷凍機組在小負荷時〔一般為滿負荷的20%以下〕容易發(fā)生喘振，不能正常運轉(zhuǎn)。因此，在數(shù)據(jù)中心水冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計中一般先安裝一臺小型的螺桿式水冷機組或風(fēng)冷水冷機組作為過渡。大型數(shù)據(jù)中心的水冷空調(diào)系統(tǒng)一般由以下五局部組成，示意圖如下。■離心式冷凍機組，一般為N+1配置，有一臺備機，安裝在冷站機房。■冷卻塔，安裝在室外，一般一臺冷凍機組對應(yīng)一組冷卻塔〔便于維修和保證備機系統(tǒng)正常待機〕。冷卻水通過冷卻塔來降溫，由于水在大氣中蒸發(fā)，因此要設(shè)計安裝水處理系統(tǒng)來除垢、除沙塵、除鈉鎂離子和病菌等，否那么將大大降低制冷效率。另外，由于數(shù)據(jù)中心是全年連續(xù)運行，還要設(shè)計冬季防結(jié)冰措施。■環(huán)形冷凍水管道。由于數(shù)據(jù)中心需要連續(xù)運行，因此冷凍水的進水和回水管道都要設(shè)計成環(huán)路，大型數(shù)據(jù)中心可能設(shè)計成二級或三級環(huán)路，這樣在局部冷凍水管道或閥門發(fā)生故障時可以關(guān)閉相鄰的閥門進行在線維護和維修。為了便于日后的維護、維修、更換和擴展，需要安裝設(shè)計相當(dāng)多的閥門。為了防止漏水和提高使用壽命，需要選擇優(yōu)質(zhì)的閥門，有些工程使用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管，甚至不銹鋼管。冷凍水管和冷卻水管不允許經(jīng)過機房區(qū)域。在水管經(jīng)過的區(qū)域需要設(shè)置下水道和漏水報警設(shè)備。為了節(jié)能和防止冷凝水，冷凍水管和冷卻水管都要采取嚴格的保溫措施。典型的冷凍水循環(huán)管道回路如以下圖所示。■水冷精密空調(diào)機。其實就是一個溫差小風(fēng)量大的大型風(fēng)機盤管，一般推薦采用地板下送風(fēng)和天花板上回風(fēng)。為了保證IT設(shè)備的絕對平安和便于設(shè)備檢修，推薦設(shè)置物理上獨立的空調(diào)設(shè)備間，四周做攔水壩，地面做防水處理和設(shè)置排水管道，安裝漏水報警設(shè)備。推薦采用N+1或N+2的冗余配置方案。■水泵。冷凍水和冷卻水的循環(huán)都是通過水泵進行的。水泵的節(jié)能除采用變頻裝置外，應(yīng)采用較大直徑的管道、盡量減少管道長度和彎頭、采用大半徑彎頭、減少換熱器的壓降等。冷凍機房、水泵、冷卻塔、板式換熱器和精密空調(diào)盡量設(shè)計安裝在相近的高度以減少水泵揚程。由于大型數(shù)據(jù)中心的水冷空調(diào)系統(tǒng)的電力負荷很大，一般需要為水冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計獨立的配電室。由上述可以看出，水冷空調(diào)系統(tǒng)比擬復(fù)雜，本錢也比擬高，維護也有難度，但是能滿足大型數(shù)據(jù)中心的冷卻和節(jié)能要求。2、免費冷卻技術(shù)和數(shù)據(jù)中心選址免費冷卻〔FreeColling〕技術(shù)指全部或局部使用自然界的免費冷源進行制冷從而減少壓縮機或冷凍機消耗的能量。常見的免費能源有：中北部地區(qū)的冬季甚至春秋季，室外空氣中儲存大量冷量局部海域、河流、地下水水溫較低，儲存大量冷量局部地區(qū)的自來水中也儲存了大量冷量壓縮燃氣在汽化過程中產(chǎn)生大量冷量目前常用的免費冷源主要是冬季或春秋季的室外空氣。因此，如果可能的話，數(shù)據(jù)中心的選址應(yīng)該在天氣比擬寒冷或低溫時間比擬長的地區(qū)。在中國，北方地區(qū)都是非常適合采用免費制冷技術(shù)。數(shù)據(jù)中心在環(huán)境溫度較低的季節(jié)，將室外空氣經(jīng)過過濾后直接送入機房作為冷源，也能節(jié)省大量能源，稱為風(fēng)冷自然冷卻。這種自然冷卻方式原理比擬簡單，本錢也比擬低，但存在以下缺乏之處：要保證空氣的潔凈度不是一件容易的事。雖然可以通過高質(zhì)量的過濾網(wǎng)保證空氣的潔凈度，但由于風(fēng)量特別大，需要經(jīng)常清洗更換，同時巨大的阻力也要消耗相當(dāng)?shù)哪茉础穸炔缓每刂啤＜訚窈统凉穸际窍喈?dāng)?shù)南哪茉础Ｈ绻捎煤唵蔚墓I(yè)加濕設(shè)備，需要對加濕的水源進行高度凈化〔本錢比擬高〕，簡單的軟化水不能滿足要求〔對設(shè)備有害，長時間會在設(shè)備內(nèi)部形成一層白色物質(zhì)〕。溫度過低，容易結(jié)露并除濕。因此需要進行細致嚴格的保溫處理。對于大型數(shù)據(jù)中心，由于距離遠，風(fēng)量特別大，這樣就需要很大的風(fēng)道，風(fēng)機的電能消耗也非常的大。實際的設(shè)計和安裝也是很困難的事。不可能實現(xiàn)全年自然冷卻，夏季的制冷方式還需要安裝單獨的空調(diào)設(shè)備。因此，在大型數(shù)據(jù)中心中對自然環(huán)境要求較高，因此不推薦使用風(fēng)冷自然冷卻方式。采用水冷空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時，可以關(guān)閉制冷機組，采用板式換熱器進行換熱，稱為水冷自然冷卻。這樣減少了開啟冷機的時間，減少大量能源消耗。濕球溫度在4℃以下時可以滿足完全自然冷卻，在濕球溫度4到10℃之間可是實現(xiàn)局部自然冷卻。在北京，一年內(nèi)平均有5個月左右可以實現(xiàn)完全自然冷卻，有2個月左右可以實現(xiàn)局部自然冷卻。節(jié)能效果將是非常明顯的。上述介紹的水冷自然冷卻由于只需要增加一臺不需要動力的板式換熱器，投資和占地都比擬少，是我們推薦的大型數(shù)據(jù)中心最正確免費制冷節(jié)能方案，系統(tǒng)的原理圖如下。上述帶自然冷卻水冷空調(diào)系統(tǒng)中具有以下三種工作方式：夏天完全靠冷凍機制冷，通過閥門控制使得板式換熱器不工作。冬天完全自然冷卻，冷凍機關(guān)閉，通過閥門控制冷凍水和冷卻水只通過板式換熱器。春秋季節(jié)局部自然冷卻。這時冷卻水和冷凍水要首先經(jīng)過板式換熱器，然后再經(jīng)過冷凍機組，阻力要大一些，水泵的揚程在設(shè)計時相應(yīng)要大一些。由于天氣在不斷的變化，上述三種工作方式也將不斷進行轉(zhuǎn)化。為了減輕運維人員的工作和精確控制，所有閥門建議采用電動閥，在空調(diào)系統(tǒng)管道假設(shè)干位置加裝可以自動采集數(shù)據(jù)的溫度計、流量計和壓力表等，通過一套自動化控制系統(tǒng)全年按最正確參數(shù)自動運行。對于大型數(shù)據(jù)中心，由于制冷量特別的大，同時考慮到降低N+1備機的本錢，一般采用2+1、3+1或4+1系統(tǒng)，為了便于檢修和提高整個系統(tǒng)的可靠性，推薦蒸發(fā)式冷卻塔、水泵、板式換熱器和冷凍機組一對一配置。3、采用變頻電機節(jié)約能源我們知道，空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力和環(huán)境密切相關(guān)，夏天室外溫度越高，制冷能力越低，因此大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的制冷量都是按最差〔夏天最熱〕工況設(shè)計的〔空調(diào)的制冷量一般要比其在理想工況下的額定值低，這時建筑物本身不但不散熱，反而吸熱。〕。這樣，全年絕大局部時間空調(diào)系統(tǒng)運行在負荷不飽滿狀態(tài)。另外，大型數(shù)據(jù)中心的IT負荷從零到滿載也需要相當(dāng)?shù)臅r間，一般也在一到三年之間。還有，IT負載的能耗和網(wǎng)絡(luò)訪問量或運行狀態(tài)相關(guān)，根據(jù)其應(yīng)用的特點，每天24小時的能耗都在變化，一年365天的能耗也都在變化。比方，游戲效勞器在早上的負載和能耗都比擬低，但在晚上就比擬高；視頻效勞器在遇到重大事件時的負載和能耗就比擬高。因此，我們強烈建議在水冷空調(diào)系統(tǒng)中所有電機采用變頻系統(tǒng)，這樣可以節(jié)約大量的能量，其增加的投資一般在一年內(nèi)節(jié)省的電費中就可以收回〔根本滿負荷情況下〕。要注意的是在選用變頻器時，要求諧波系數(shù)一般小于5%，不然將對電網(wǎng)造成不良影響。對于風(fēng)機和水泵，輸入功率和這些設(shè)備的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。例如，如果風(fēng)機或水泵的轉(zhuǎn)速為正常轉(zhuǎn)速的50%，僅需要同一設(shè)備運行在100%額定轉(zhuǎn)速時理論功率的12.5%。因此，當(dāng)設(shè)備運行在局部負荷時，變速裝置的節(jié)能潛力十清楚顯。變頻冷水機組，冷水機組采用變頻電機并作相應(yīng)的特殊設(shè)計，節(jié)能效果非常明顯。根據(jù)YORK公司提供的文件，其變頻冷水機組不僅能大大降低喘震，而且重啟時間從一般的3到5分鐘減少到25至50秒之間。下表是YORK公司提供的一臺制冷量1000冷噸的變頻冷水機組相對常規(guī)定頻機組不同負荷的節(jié)能效果，負荷越低，節(jié)能效果越明顯。負荷百分比定頻機組COP變頻機組COP變頻機組節(jié)能效果100%5.9595.850-1.83%90%6.4586.7043.81%80%6.8777.70612.05%70%7.2188.88523.10%60%7.53410.34137.26%50%7.77912.12455.86%40%7.40211.72058.34%30%6.35410.76369.39%20%5.4098.90164.56%15%4.8078.01166.65%即便是數(shù)據(jù)中心處于滿負荷狀態(tài)，但由于數(shù)據(jù)中心的冷水機組需要常年運行，而室外的氣溫不斷變化，對應(yīng)冷卻塔的供水溫度也在不斷變化，壓縮機的工作壓頭也隨之變化，在這種情況下，采用變頻驅(qū)動的離心機組能夠不斷的根據(jù)壓頭的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，到達節(jié)能效果。下表為機組在室內(nèi)負荷恒定，機組100%滿負荷運行狀態(tài)下，定頻機組與變頻機組的節(jié)能比擬。冷卻水溫度定頻機組COP變頻機組COP變頻機組節(jié)能效果325.965.851-1.83%316.0536.0530.00%306.2246.2680.71%296.4056.4881.30%286.5856.7242.11%276.756.9643.17%266.9367.2063.89%257.1047.4354.66%247.2267.6956.49%237.4357.9567.01%227.6128.1787.44%217.788.4949.18%207.9388.79210.76%198.1039.08712.14%188.2749.42813.95%178.4339.74115.51%168.57710.04817.15%158.74810.34318.23%148.90310.62419.33%139.06410.95520.86%129.20611.30822.83%變頻冷卻塔。冷卻塔采用變頻電機可以在局部負荷和滿負荷的不同氣象條件下實現(xiàn)節(jié)能效果。一般冷卻塔的變頻電機根據(jù)冷卻水的溫差進行控制，溫差一般為5度，假設(shè)高于5度，將降低頻率減少冷量來降低溫差，假設(shè)低于5度，將增加頻率加大風(fēng)量來提高溫差。另外，冷卻水的溫度越低，冷水機組的效率就越高。根據(jù)YORK公司在網(wǎng)絡(luò)上公布的材料，冷卻水溫度每提高一度，冷水機組的效率就要下降4%左右。因此，在進行冷卻塔的變頻控制時還要考慮這個因素。變頻水泵。冷卻水和冷凍水的水泵由于常年運轉(zhuǎn)，耗能相當(dāng)?shù)捏@人。變頻水泵可以在局部負荷時降低水的流速來節(jié)能。一般變頻水泵的變頻電機根據(jù)冷卻水或冷凍水的溫差進行控制，溫差一般為5度，假設(shè)高于5度，將降低頻率減少流量來降低溫差，假設(shè)低于5度，將增加頻率加大流量來提高溫差。為了降低水泵的揚程和能耗，建議冷凍機房、冷卻塔和機房的垂直距離越小越好。水冷精密空調(diào)采用調(diào)速〔EC〕風(fēng)機。調(diào)速風(fēng)機一般根據(jù)回風(fēng)溫度控制風(fēng)機的功率，假設(shè)回風(fēng)溫度較低，就降低調(diào)速風(fēng)機的功率減少風(fēng)量，假設(shè)回風(fēng)溫度較高，就提高調(diào)速風(fēng)機的功率增加風(fēng)量。根據(jù)艾默生公司提供的材料，采用下沉方式安裝調(diào)速風(fēng)機還可以進一步節(jié)省能耗，對于能夠提供16400CFM〔每分鐘立方英尺〕風(fēng)量的精密空調(diào)設(shè)計安裝三臺風(fēng)機，采用普通風(fēng)機、普通EC風(fēng)機和下沉式EC風(fēng)機分別對應(yīng)的風(fēng)機功率為8.6KW、6.9KW和5.5KW。4、提高冷凍水的溫度節(jié)省能源冷水機組標(biāo)準的冷凍水溫度為7到12℃，水冷空調(diào)的標(biāo)準工況也是認為冷凍水溫度為7到12℃。但是這個溫度范圍對于數(shù)據(jù)中心來說有點低，帶來以下兩個不利因素：這個溫度大大低于數(shù)據(jù)中心正常運行在40%左右相對濕度的露點溫度，將在風(fēng)機盤管上形成大量的冷凝水，需要進一步加濕才能保持機房的環(huán)境濕度。這個除濕和加濕過程都是非常消耗能量的過程。冷凍水的溫度和冷水機組的效率成正比關(guān)系，也就是說冷凍水的溫度越高，冷水機組的效率也就越高。根據(jù)YORK公司在網(wǎng)絡(luò)上公布的材料，冷凍水溫度每提高一度，冷水機組的效率就可以提高大約3%。目前，在集裝箱數(shù)據(jù)中心和高功率密度的冷水背板制冷技術(shù)中都把冷凍水的溫度設(shè)計為12到18℃，已經(jīng)高于露點溫度，完全不會除濕，也就不需要加濕。冷凍水的溫度提高后，水冷精密空調(diào)的制冷能力會下降，實際的制冷能力需要廠家提供的電腦選型軟件來確定，一般會下降10%到15%。但是由于冷凍水溫度提高后很少或根本不除濕和加濕，加上采用EC調(diào)速風(fēng)機，電機產(chǎn)生的熱量減少，整個水冷精密空調(diào)的實際制冷能力〔顯冷〕下降并不多。5、選擇節(jié)能冷卻塔設(shè)備冷卻塔本身的結(jié)構(gòu)和體積決定著消耗能量的多少。對于一般的高層寫字樓，由于安裝冷卻塔的位置有限，一般選擇體積小的冷卻塔，為了到達規(guī)定的散熱量，只能加大風(fēng)機的功率，靠強排風(fēng)來加大蒸發(fā)量。如果安裝場地允許，請選擇體積較大的冷卻塔來節(jié)能能耗。根據(jù)某公司的冷卻塔招標(biāo)信息，相同的制冷量，益美高推薦的產(chǎn)品電機功率為55KW〔體積比擬大〕，馬利推薦產(chǎn)品的電機功率為120KW，BAC推薦產(chǎn)品的電機功率為90KW。可以明顯看出，大體積的冷卻塔明顯比小體積的冷卻塔節(jié)能。在制冷能力等條件相同的情況下，盡量選擇風(fēng)機功率小的冷卻塔。依據(jù)風(fēng)機軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，對多臺冷卻塔采用變頻裝置運行可能比單臺冷卻塔風(fēng)機全速運行效率更高。對于風(fēng)機選型，螺旋槳式風(fēng)機一般比離心式風(fēng)機的單位能耗低。6、封閉冷通道節(jié)約能源經(jīng)過多年的實踐和理論證明，數(shù)據(jù)中心最正確的風(fēng)流組織是地板下送風(fēng)，天花板上回風(fēng)，精密空調(diào)設(shè)置單獨的設(shè)備間，機柜面對面擺放冷熱通道隔離并實現(xiàn)冷通道封閉〔防止冷氣短路〕，示意圖如下。國內(nèi)電信運營商早期的數(shù)據(jù)中心多采用風(fēng)道上送風(fēng)方式，缺點是風(fēng)道前后的風(fēng)速差異很大，很難控制每個出風(fēng)口的風(fēng)量均勻。雖然每個風(fēng)口具有調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，但是最大風(fēng)量無法調(diào)整，在高空調(diào)節(jié)不方便，一般運維都做不到及時調(diào)整。前幾年，國外的一些工程采用熱通道封閉技術(shù)，一般是在機柜后門安裝通道天花板的熱通道，取得了比擬好的節(jié)能效果，示意圖如下。熱通道封閉相比冷通道封閉設(shè)備本錢相比照擬高，運行費用也比擬高，因為一般在機柜后門安裝有風(fēng)機，需要消耗能源。另外，熱通道封閉要做到完全不漏風(fēng)也是比擬困難的，一旦漏風(fēng)將造成大量冷空氣短路。因此，目前冷通道封閉成為最正確推薦方案，APC和日本日東公司都有完整的解決方案，國內(nèi)的機柜加工企業(yè)也可以生產(chǎn)相應(yīng)的產(chǎn)品。冷通道封閉要求做到以下四點：地板安裝必須不漏風(fēng)。只有在冷通道內(nèi)才能根據(jù)負荷大小替換相應(yīng)的通風(fēng)地板。通風(fēng)地板的通風(fēng)率越大越好，建議采用高通風(fēng)率地板。不建議使用可調(diào)節(jié)的通風(fēng)地板，一是阻力大，二是運維一般做不到這么精細的管理。冷通道前后和上面要求完全封閉，不能漏風(fēng)。建議采用能自動關(guān)閉的簡易推拉門，在門上建議安裝觀察玻璃。目前很多冷通道上部的封閉板采用透明板，因為透明板長時間后上面會形成一層灰塵，定期清洗工作量特別大。建議冷通道上部的封閉板采用不透光的金屬板，機柜前面安裝LED節(jié)能燈解決冷通道照明問題。機柜前部的冷通道必須封閉，沒有安裝設(shè)備的地方必須安裝盲板，建議使用免工具盲板。機柜兩側(cè)的設(shè)計不能漏風(fēng)。機柜如果有前后門，建議使用直徑超過8mm的六角形孔，通風(fēng)率不低于70%，風(fēng)阻要小。如果管理上沒有要求，建立機柜盡可能不安裝前后門。地板下電纜、各種管道和墻的開口處要求嚴格封閉，不能漏風(fēng)。地板上的開口或開孔也都要嚴格封閉，不能漏風(fēng)。地板下除消防管道外，建議盡可能不要安裝任何電纜、線槽或管道等，這些干擾物會強烈干擾地板下空間的送風(fēng)氣流分布，增加風(fēng)阻，使不同機柜中設(shè)備的冷卻性能不均勻。每個機柜的功率密度低于3KW時建議地板的高度為600mm，功率密度在3到5KW之間地板高度建議800mm，功率密度大于5KW時建議地板高度為1000mm。由于防靜電地板的尺寸為600mmX600mm，因此對于單個機柜功率密度小于5KW時的最正確布局是7塊地板擺兩排機柜，設(shè)備對其冷通道，示意圖如下。對于高密度機柜，可以根據(jù)功率密度和通風(fēng)地板的通風(fēng)率決定8塊或9塊地板擺放兩排機柜，示意圖如下。標(biāo)準機柜的寬度為600mm，剛好對應(yīng)一塊地板。效勞器機柜的長度一般為1000mm到1100mm之間，相應(yīng)的熱通道寬度為1000mm到800mm之間。為了不使熱通道過窄，我們建議機柜的前門及前門框為外掛式，后門為內(nèi)嵌式，這樣前門框和前門的厚度就安裝到冷通道內(nèi)〔機柜本身的深度一般1000mm就能滿足需要〕，熱通道的寬度相應(yīng)的不至于過窄，示意圖如下。采用冷通道封閉技術(shù)后，整個機房除冷通道外都屬于高溫區(qū)，溫度將在30到40℃之間。一年內(nèi)絕大局部時間的室外空氣溫度低于機房的熱通道溫度，因此機房外墻建議不進行保溫處理。7、提高機房溫度節(jié)約能源根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準GB50174-2023《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計標(biāo)準》，A類和B類機房的主機房溫度要求保持在23