中小型数据中心空调系统节能改造探究与设计

李文双 谢拥华 李 凯

（广东邮电职业技术学院，广东 广州510630）

0 引言

近年来，中国的数据中心规模迅速扩大，但是，数据中心自身能耗上升较快不容忽视[1]。在数据中心不断扩建的同时，许多现有机房仍需得到最大化地利用。与此同时，数据中心产业能源消耗、绿色和低碳发展进程正在不断引发社会关注[2]。在我国早期对数据中心的建设规模较小、设计相对简单，加上投资和运行费用不高，节能未给与足够的重视。因此传统数据中心的节能改造问题日益突出，如何能有效实现绿色节能的数据中心改造成了不少运营商的难题。

数据中心总体能源消耗量巨大，且能源利用效率相对低，节能降耗成为通信数据中心行业快速发展中的热点问题。数据中心对于能源、资源的消耗量较大，各地方政府对于数据中心的能耗PUE也提出了要求[3]。数据中心机房中的电能消耗主要存在于主设备的用电和基础设施用电两大方面，而空调系统的节能潜力巨大，是数据中心节能的重点[4]。

1 空调系统节能方案制定

传统的典型数据中心是以设备为中心，本文将对比目前主流的新型冷却方式对传统数据中心节能、运维及可操作性等方面的影响，并提出适用于一般数据中心的冷却节能改进措施。

数据中心的节能改造通常可以发生在运行前期和运行中两个阶段，在运行前期的数据中心设计阶段，空调系统的节能可以在气流组织、制冷方案上进行节能设计。而对于运行中的数据中心，即在传统数据中心的空调制冷系统运行中，一般会面临设备老化和数据中心扩容两方面的问题，因此，针对传统中小型数据中心空调系统的节能改造是当下行业内的焦点问题。

在中小型数据中心不断扩容和制冷设备的逐渐老旧的背景下，数据中心精密空调制冷系统的能源利用率逐渐变低。一方面要注重关注空调设备的运行数据，深度挖掘空调制冷设备及各部件的性能状况及运行状况；另一方面要及时收集空调制冷设备运行过程中的故障率，对制冷系统故障告警数据进行分析，尤其对故障率高的问题点进行记录收集。综合分析进而评估空调设备运行状况，结合制冷设备的制冷方式和可改进的实际情况，完成制冷节能改造方案的设定。

在进行中小型数据中心空调制冷技术方向节能改造时，整体分析思路如图1所示。首先，要确定传统数据中心的制冷方式，深入了解对于制冷空调方面的使用痛点，从制冷效果、空调故障率及空调能耗等方面进行分析研究；其次，针对数据分析结果，制定传统数据中心的空调制冷系统节能改造措施，筛选出适用于华南地区的空调节能有效改进方案，并对比分析节能技术可行性及节能效果，进而制定节能改进措施；然后，对采样的传统数据中心进行节能方案的试用，对比空调系统能耗方面的改进效果，分析改进措施及存在的问题，制订改进优化方案；再次，将总结对比多方案传统数据中心的制冷节能措施进行提炼总结，进行节能改造效果的分析。

图1 已有空调系统节能改造思路

2 空调系统节能技术手段

对于使用中的传统数据中心空调制冷系统的节能改造，主要可以从运维角度和技术改造的角度入手，对使用中的空调制冷系统的设备和气流组织进行优化改造，提升空调系统的能效。

2.1 机房空调运维角度

从机房空调运维的角度，对运行中的数据中心空调系统稳定性进行全面提升。首先，对于机房运维人员培训，提高运维人员的技能水平，提升专业性；其次，对机房精密空调制冷系统进行预防性维护，提前进行设备运行状况评估，并制定相应的风险预案；再次，对于机房空调系统，进行定期巡检，实时监测制冷系统的运行参数，以免空调设备故障造成的通信系统异常现象；最后，运维部门制定出应急响应服务，在设备故障时提早确定出应急解决方案和设备维修方案。

2.2 机房空调技术改造角度

从机房空调技术改造角度，对数据中心的能效进行提升。具体可以从以下几个维度进行节能改造：

（1）动力侧优化。数据中心精密空调系统的动力设备主要有压缩机、风机及水泵等。一方面可以进行设备改造，对于机房精密空调，选用能耗低的设备进行替代化的设备升级改造，如将FC风机改为EC风机，使风机转速可调，做到高效节能，再如对变频压缩机的使用，可直接有效地降低空调系统持续运行过程中的能耗。也可以将定频压缩机改为变频压缩机，提升动力设备的运行效率；另一方面可以降低设备的运行时间，节省设备运行能耗，进而降低精密空调系统能耗，最终提升数据中心运行PUE。

（2）控制侧优化。数据中心的节能研究离不开控制技术，精密空调制冷系统的核心运行策略和控制策略即为制冷系统的最关键内容，因此，要从运行和控制策略上进行系统节能优化。合理运用动环监控系统对精密空调系统采集的运行数据，进行大数据故障预警分析，制定相应的制冷系统故障预判和运行策略。在优化空调制冷系统性能的运行策略制定中，结合环监控系统，对制冷系统运行过程的每个子系统进行逐一优化，并将各子系统的优化合并至自适应模糊控制系统（见图2）中，进而通过优化制冷系统的运行策略提升制冷系统的节能效果。

图2 自适应模糊控制系统基本结构示意图

（3）气流侧优化。数据中心的气流组织形式是影响精密空调耗电量的重要因素，早期的数据中心机房送风形式一般都采用硬地板送回风布局，其典型送风结构有地板上送风和下送风的送分布局。但随着机房通信主设备的不断扩容，机房发热密度越来越高，传统的架空地板送回风布局不能满足高热密度集中的通信设备的用冷需求，或者导致空调能耗偏大，机房用冷效率低。对于使用中的数据中心进行节能改造时，可以结合CFD气流仿真模拟软件进行分析，针对高热密度IT设备的局部发热量高的位置进行精准送风，同时进行机房内的设备温度场分析，控制送风量防止局部高温，解决弥漫性送风方式造成的冷量浪费。

对使用中的数据中心制冷系统进行节能改造时，运维角度和技术改造角度双维度的改进，能够更好地保障数据中心机房通信设备的高效、持续、稳定的运行。

3 结语

传统中小型数据中心的持续使用，既要满足制冷设备的不间断运行，又要满足数据中心扩容对制冷系统的挑战和需求。结合当下“双碳”政策的绿色节能大背景，本文主要通过分析传统中小型数据中心空调系统节能改进方案和设计思路的研究，针对空调系统持续运行存在的能耗问题，提出了一系列改进设计方案和改进的技术手段，在保证机房制冷系统持续、稳定运行的同时，提高了机房制冷设备的运行维护效率，最终实现中小型数据中心的空调系统节能改造。