摘要：作为占据数据中心能耗35%～45%的空调系统，为保证电子设备正常运行的辅助系统，数据中心空调系统的能耗问题随着机房电子设备对运行环境要求及其功率密度的不断提高而不断增长，降低能耗成为数据机房运营方越来越关注的问题。一方面要求数据中心保持高可用性特点，能高效安全
作为占据数据中心能耗35%～45%的空调系统，为保证电子设备正常运行的辅助系统，数据中心空调系统的能耗问题随着机房电子设备对运行环境要求及其功率密度的不断提高而不断增长，降低能耗成为数据机房运营方越来越关注的问题。一方面要求数据中心保持高可用性特点，能高效安全地运营；另一方面，用户会尽可能要求数据中心降低能耗和运行成本。
考虑到隔热、隔湿及清净度的要求，机房往往是全封闭的，机房建筑围护结构的保温性也很好，因此，即使冬季，机房也需供冷。在春秋、冬季，机房外环境温度相对比较低，甚至低于机房内温度。因此，机房空调的节能存在很大的空间。
1.直接引进室外新风
当室外空气低于室内空气温度时，就可以用室外冷空气直接来消除室内的热负荷。该节能技术多用于移动基站，比较常见的有两种形式：空调机加通风系统和节能一体机。
1.1空调机加通风系统
该系统主要由空调机、通风系统(进风和排风)、智能控制器等组成。智能通风系统在自动情况下，如果室内温度小于所设的下限值，关空调，关风机。如果室内温度大于所设上限值，强制开空调，关风机。室内温度大于下限值，小于上限值，室外湿度小于80%，室外温度比室内温度低，而且要温度大于所设的温差值，则开风机，关闭空调。这样利用室内外温差，充分利用自然资源，调节室内温度，达到节电节能目的。
1.2一体式基站节能空调机
一体式基站节能空调机是将压缩机制冷系统和通风系统整合在一个机柜内的空调设备，具有结构紧凑、使用维护方便等特点。根据室外环境温度的不同，这种带自然冷却功能的机组有三种不同的运行模式，即：全部机械制冷；混合制冷；全部自然冷却。节能一体工作模式如图1所示。
图1 节能一体工作模式
a) 全部机械制冷模式如图1(a)所示：当室外温度比较高时，机组处于全部机械冷却模式，压缩机工作，室内全部热负荷由压缩机制冷来承担。例如：室内温度设定为25℃，温度死区为1℃，制冷偏差为2℃。当室温达到27.5℃时，压缩机开始启动，室温降到25.5℃时,压缩机停止工作。
b) 混合制冷模式：当室外温度比室内温度低(2～6)℃时，引进的室外新风只能承担部分室内部分热负荷。
此时，机械制冷和新风自然冷却交替运行。例如：室内温度设定为25℃，温度死区为1℃，制冷偏差为2℃。当室温为25.5℃时风门开始动作，室温达到26.5℃时，风门全开，直到室温达到27.5℃，风门关闭，压缩机开启，室温温降低到26.5℃时，压缩机停止，风门开到最大。按此规律，风门和压缩机交替运行。
c) 全部自然冷却模式如图1(b)所示：当室内外温差比较大，室外新风完全可以消除室内的全部热负荷，仅通过风门的调节就可以控制室内温度，压缩机不需要启动。
此时，机组在全部自然冷却模式下运行。例如：室内温度设定为25℃，温度死区为1℃，制冷偏差为2℃。当室温为25.5℃时风门开始动作，室温达到26.5℃时，风门全开，室温基本稳定在25.5℃～26.5℃之间。
2.热交换新风系统
2.1 热管换热器
机房(基站)用热管换热系统是由热管换热器、风扇和控制器等组成，如图2所示。
图2热管换热器结构图
当室外温度低于20℃时，室内温度高于25℃，热管换热器开始工作。室内空气通过热管蒸发段时，热管内的工质蒸发吸收流经空气的热量，空气温度降低后回到室内，蒸发后的工质上升到冷凝段。当室外空气流经热管冷凝段时，热管内的工质冷凝放出热量，空气吸收热量后再排出室外。如此不断循环，达到制冷的目的。与压缩机制冷相比，热管换热器所需的功率极小，节能效果明显。
2.2 显热交换器
空气换热器的本体由换热芯体、室内外侧风机和控制器三个主要部分构成。
其工作原理是室内外空气同时逆向通过换热芯体，但彼此不接触，室内温度相对较高的空气把热量传递给温度较低的室外空气后，温度得以降低，然后又回到室内，室外空气吸收室内空气放出的热量后排出室外。如此循环不断，实现将室内热量传到室外的目的。一般机房(基站)内湿负荷很小，只需显热交换即可，因此，换热芯体为铝片。显热交换器的结构基本同热管换热器，只是芯体不同。
2.3 乙二醇换热器
乙二醇节能系统工作过程是：当室内温度高于设定温度值，控制系统发出信号给水泵，水泵开始运转，室外风机通电，再由室外温度传感器反馈信号，如果室外散热器盘管温度高于设置温度，风机启动，低于设置温度，风机停止运转；当室内温度低于设置温度，控制系统发出信号，水泵停止工作，室外风机断电，以此来保证室内的恒定温度。
当春秋季节，白天室外温度过高，乙二醇系统不能满足室内温度要求，空调压缩机系统启动，来保证室内恒定温度；如果室内温度低于原设备设定点，压缩机停止工作，乙二醇系统开始启动，来保持室内恒定温度，以达到省电的目的。
2.4自由节能机组
在标准型乙二醇冷机房空调上增加1只三通流量调节阀和1套室内乙二醇自然冷却换交换盘管就组成了自由节能机房机组。该类机组具有3种运行模式：全部机械制冷、混合制冷、全部自然冷却。下面介绍一下3种模式的原理。机组主要结构如图3所示。
图3自由节能机组结构图
a) 全部机械制冷模式：室外气温较高(15℃以上)时，机组处于全部机械制冷工作模式，三通阀AC接口连通，B接口关闭，乙二醇不经过自然冷却盘管，直接进入室内乙二醇冷凝器，冷量全部由压缩式制冷系统提供。
b) 部分自然冷却模式：当被干式冷却器冷却后的水温较低(比室内温度低2℃以上)时，三通阀AB连通，C位置关断，冷却水首先经过自然冷却盘管对室内空气进行预冷，压缩机根据室内负荷在必要时起动，因此这种情况为部分自然冷却模式。
c) 全部自然冷却模式：在全部自然冷却模式时，三通阀AB连通，C位置关断，全部制冷负荷由自然冷却热交换器盘管提供，不需要开压缩式制冷系统。在此工作模式下，当室外气温较低时，不需要开压缩机制冷，节能效果非常好。
3电子膨胀阀技术
机房空调一年四季都需要制冷，一般风冷机房专用空调的冷凝器按35℃进风的情况下设计，一年中大部份时间室外气温是低于35℃的。有的地区往往远远低于这一温度值。随着室外温度的降低，冷凝温度也随着降低。此时压缩机的输入功率也大大降低，机组的能效比就会提高。传统的热力膨胀阀的调节范围有限。当冷凝压力降到一定的时候，制冷系统就不能正常工作。电子膨胀阀用步进电机驱动，调节范围广。当室外冷凝压力降低到很低(比如：1100kPa)时，低压还能维持在正常的范围内。有试验表明用电子膨胀阀调节的机组能效比可达到4.0 (图4)，机组全年节能最高可达30%。
图4电子膨胀阀调节与热力膨胀阀调节
4变频技术
传统的机房专用空调和普通的民用空调一样，由于供电频率不能改变，传统的定频空调的压缩机转速基本不变，是依靠压缩机不断地“开、停”来调整室内温度，其一开一停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。机房专用空调压缩机变频技术通过变频器来改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的。空调在每次开始启动时，先以最大功率、最大风量进行制热或制冷，迅速接近所设定的温度后，压缩机便在低转速、低能耗状态下运转，仅以所需的功率维持设定的温度，这样不但温度稳定，还避免了压缩机频繁地开停所造成的对寿命的衰减，而且耗电量大大下降，实现了高效节能。
目前，变频压缩机单机容量还是比较小。一般只能用在较小的机房或基站，另外，变频器对通信电源低压配电系统的谐波干扰以及通信设备的电磁干扰不容忽视。
5.数据机房空调系统存在的问题分析
目前，很多数据机房都存在空调制冷量过大、冷气流短路、机房内部分区域温度过高的情况，这主要是由以下几个方面的原因造成的：
（1）空调设备选型不合理。目前，空调系统设计的一个主要问题就是空调设备选型的不合理。在空调设备的选型过程中，机房冷负荷是最为重要的参数依据，机房中服务器散热形成的冷负荷是机房冷负荷的主要组成部分，其电功率97%以上转化为热量散发到机房内。每台设备在出厂时均有一个额定功率，它代表了该设备最大的使用功率，在计算设备发热量时，设计人员通常会直接用设备额定率乘以热转化率（90%～97%）作为该机房设备的发热。但在实际应用中，根据服务器的用途不同，其正常运行功耗仅为额定功率的40%～60%，有时甚至更低，因此在空调设备选型时，就会出现制冷量过大的情况。而在空调运行过程中，为了达到设定的环境温度，制冷的同时需要消耗大量的电力制热，产生不必要的能耗。
（2）气流组织不合理。一方面，由于用户的传统观念，有些数据机房的空调设备不是放置在机房内，而是被搁置在“空调机房”内，这就造成无论采用地板下送风、吊顶风管回风的形式还是采用吊顶风管送风，地板回风的形式，都会出现送回风短路现象，由于无组织的送风/ 回风，使冷热风混合在一起，无法有效带走服务器的热量。另一方面，目前大多数数据机房都是利用架空地板作为静压箱，在机柜附近开口，采用自由出流方式送风，但由于架空地板的高度不够高，一般只有300～450mm，很难达到《数据中心设计规范》推荐的600mm，有些地方甚至低于250mm 并且地板内布置有大量的线槽和线缆，导致各个地板送风口风量分配不均匀，出现部分区域温度偏低，而部分区域机柜内服务器的温度过高的现象。
（3）机柜布置不合理。一些早期建设的数据机房，对机房内气流组织考虑的较少，在布置机柜时采用的是同一方向分多排布置，采用架空地板送风时，空调送风口通常都会开在机柜的前面，在这种布置方式下，冷气流从机柜前部进入机柜，吸收热量升温后从后部排出，与进入后排机柜的冷空气混合，增加了后排机柜的进风温度，使空调制冷效率大幅度降低。同时，即使采用了冷热通道的数据机房，有时为了便于管理及检修，会将处理信息职能相同的高负载密度、高功率机柜放置在同一个冷热通道内，造成该通道制冷不足而出现高温报警。除此之外，空调工况设定不合理、空调系统冷媒管路过长、空调冷源形式选用不当等都是造成目前数据机房空调系统能耗高的原因。
6 数据机房空调系统优化措施
1）选取合理的机房运行温度
随着节能要求的日益提高，以及电子信息设备对物理环境要求范围的宽松，包括我国在内的很多国家，都对机房设计参数进行了大范围调整，但许多数据中心依旧是按照23℃±1℃作为设计取值和机房运行温度。
表1 数据中心环境要求
在实际的机房运行过程中，环境温度的控制要求可以参考表1中的标准以及季节等因素进行区别设定，可以将机房环境温度控制在23～27℃，从而提高空调送、回风温度，通过调整空调设备运行工况的方式提高制冷系数，保证机房设备正常运行的同时，可以减少机房制冷、加热、加湿、除湿的能耗，并且环境温度设定的越高，节能效果越明显。
2）提高空调冷负荷计算的准确度
在计算空调夏季冷负荷时，不能采用经验方法按照单位面积冷量估算数据中心的空调负荷，应对设备散热、围护结构传热、太阳辐射热、人体散热、照明设备散热、新风冷负荷及伴随各种散湿过程产生的潜热进行逐时详细计算。且对于占主要部分的设备散热，不能简单地把设备额定率乘以热转化率作为该机房设备的发热，应要求供应商提供根据电子信息设备所配置的处理器频率、处理器数量、内存卡容量规模与数量、PCI 卡数量、硬盘容量规模与数量计算出的该设备的运行功耗与发热量的参考值，作为空调负荷计算的输入值。
3）优化气流组织模式
气流组织模式不合理是造成数据中心能耗高的主要原因，根据数据机房的规模和使用情况，选择能够有效地排除机房内余热的气流组织，确保电子信息设备对环境温湿度的需求。数据机房的气流组织不仅包括数据机房整个空间的气流组织，还包括机柜内部的气流组织，当机房内气流组织合理、机柜具有良好的散热工艺结构且摆放位置合理时，就可提高机柜内服务器的散热效率，减少机柜内外的温度差，从而适当降低机房环境湿度要求，达到节能效果。目前，数据中心机房空调系统多采用上送下回/ 侧回、下送上回及列间送风的气流组织模式。
（1）机房气流组织。在上送风方式中，多数机柜的制冷进风口在下部或前方，排风口在机柜顶部或后方，冷空气从顶部被送入机房，会先与机房内上升的热气流混合，再进入机柜进行冷却，如此就会减小机柜内对流换热温差，从而影响机柜的散热效率。而对于下送上回的气流组织模式，冷空气通过地板送风口送入机房，被机柜吸入升温，然后排出，排出的热空气自动上浮，符合空气梯度分布规律，然后经回风口返回至空调设备，相对上送风方式增加了机柜内对流换热温差，提高了散热效率，并且减少了气流组织分配的阻力。
“冷热通道”的布置方式是对下送上回气流组织模式的进一步优化。在机柜数量众多的机房，将机柜“背靠背、面对面”摆放，这样在两排机柜的正面通道中的地板上布置空调出风口，形成一个冷空气区—“冷通道”。冷空气经过设备后形成的热气流，排放到两排机柜背面的“热通道”中，通过布置在热通道中的回风口回到空调设备，使整个机房气流流动畅通，提高了空调的制冷效果。另外在“冷热通道”布置方式下，为了更好地将冷热气流隔离开，可在冷通道或者热通道内布置一些挡板，或者完全将某一通道封闭起来，实现高效的冷气流利用。
列间送风是伴随高密度数据机房出现的一种送风模式，通常与封闭“冷热通道”的布置结合在一起使用，将列间空调放置在机柜之间。列间空调是通过多个小风扇将冷空气水平送出，由于与机柜紧密安装在一起，水平送出的风与机柜内服务器后部安装的风扇形成一个有效的气流循环，空调制冷量得到充分利用，与传统空调模式相比，节能效果更明显。
（2）机柜气流组织。机柜按行进行排列，采用冷热通道技术，避免统一方向布置；在机柜内空闲的U 位靠近进风口的位置安装盲板，避免热空气在出风口收到轻微增压后（再加上设备进气口的吸力）被重新吸入服务器的进气口，形成短路循环；使用带有风扇系统的机柜，可主动将热空气从机柜顶部或后部排出；对机柜之间的间隙、机柜底部与活动地板间的间隙进行封堵。
4）合理应用自然冷源技术
自然冷源技术指的是全部或部分应用自然界的免费天然冷源进行制冷，从而降低空调能耗。当前，较为常用的自然冷源主要是冬季及过渡季节的室外低温空气，将室外空气过滤后直接引入机房作为冷源，此种冷却方式原理简单，成本也相对低。由于利用自然冷源对机房设备进行降温的效果，易受室外温度变化、太阳辐射变化等因素影响，因此，利用自然冷源的新风系统需与机房空调联动，从而保证机房设备的正常运行。
分析了在空调设备及选型、气流组织、机柜布置等方面存在的问题，结合实际，从机房运行温度、设备负荷计算、气流组织模式等方面提出了优化措施，为数据中心空调系统的综合节能建设与改造提供参考和依据。
来源：暖通南社