数据中心制冷系统的节能研究

一

数据中心的环境要求

数据中心制冷系统是对数据中心机房内空气进行调节的系统，其作用是为关键设施和基础设施提供适宜的温度、湿度、洁净度、气流速度（简称“四度”）。除数据中心IT系统耗能外，制冷系统是最大的耗能单元，因此制冷系统的节能效率一定程度上决定了数据中心的整体能耗水平。根据《数据中心设计规范》，数据中心的环境要求如下表 1所示：

根据《数据处理环境热指南》（Thermal Guidelines for Date Processing Environments），数据中心温、湿度等要求如表 2所示。

表 2  数据中心温、湿度等要求

通过以上国内外机构对于数据中心的环境要求来看，数据中心所处的环境是数据中心设备稳定、可靠运行的重要条件，不同等级的机房、不同类别的设备对数据中心的环境要求是有差异的，因此在进行数据中心制冷系统节能体系研究时必须以保障数据中心的运行安全为前提。

二

数据中心制冷系统架构及形式

数据中心制冷系统构

如图1所示，制冷冷源和空调末端组成了数据中心的制冷系统[35]。其中，制冷冷源系统的主要功能是为数据中心机房提供冷源，通过冷水机组与室外大气进行能量交换，将数据中心空调末端系统热量排向室外大气中；空调末端系统的主要功能是为机房内通信设备送去冷量，与通信设备产生的热量进行通过空气循环进行能量交换，进而通过循环管路、换热器与制冷冷源系统连接。

图 1  数据中心制冷系统架构图（以水冷冷水机组为例）

数据中心制冷系统形式

数据中心制冷系统按照制冷冷源的主要设备形式不同，制冷系统主要分为水冷冷水机组、风冷冷水机组、风冷型空调和间接蒸发制冷系统四类。

1）水冷冷水机组系统：水冷冷水机组系统主要由水冷型冷水机组（简称“水冷冷机”）、冷却塔、板式换热器、冷冻/却水泵、空调末端（CRAH）及管路阀门等组成。

2）风冷冷水机组系统：风冷冷水机组系统由风冷型冷水机组、冷冻/却水泵、空调末端及管路阀门等组成，是目前行业内应用较为广泛的制冷系统。

3）风冷型空调系统：风冷型空调系统每台机组独立运行，每台机组是1个独立的制冷循环系统，由压缩机、冷凝器、室内机和膨胀阀组成。其典型的特点是每台机组自成体系，互不干扰。

4）间接蒸发制冷系统：间接蒸发制冷系统将空气-空气热交换器与机械制冷系统集成在一起，采用间接蒸发冷却技术，实现数据中心高效换热。其典型特点是数据中心内部无空调末端

不同制冷系统的适用性比较

三

数据中心制冷系统的节能方向研究

制冷系统作为数据中心的能耗结构中除IT系统外的最大耗能单元，从大量的实践案例来看，很多的制冷系统能耗浪费都是由于系统规划选型不当、自然冷源利用不充足、运行模式不合理、机房气流分配不均匀、制冷系统运行维护手段不智能、能源利用不充分而造成的，针对以上问题，数据中心制冷系统的节能可从以下几个方向来研究。

01

制冷系统的选择与数据中心的建设规模、当地的气候条件、市政配套条件都有着密不可分的关系，需要考虑各种因素的限制，系统相对复杂，部分数据中心未在建设初期选择合理的制冷系统导致系统选型不当造成能耗浪费。如水冷冷水机组系统不适用于缺水地区。

02

制冷冷源系统的能耗占比达到整个制冷系统耗能的70～80%，制冷冷源系统的运行效率和能源利用率将决定整个制冷系统的能耗水平，充分利用自然冷源、优化系统运行模式可以显著制冷冷源系统的能源消耗。

03

作为制冷系统的另外一个组成部分，空调末端系统的耗能约占整个制冷系统耗能的20%～30%，传统的机房采用先冷却空间再冷却机架的模式，机房采用地板下送风或者风帽上送风模式，空调送风距离较长，这样容易在机房内部造成局部热点，为解决该问题通常采用加大空调末端的送风量或者增加空调末端来解决，不仅造成了机房能耗浪费而且导致机房装机规模下降，因此，需要合理选择机房空调末端、优化机房气流组织，降低空调末端能耗。

04

数据中心制冷系统与IT系统散热、设备配置、机房环境、室外大气环境等相互关联，如何实现机房IT系统散热、空调末端送风、制冷冷源系统三者之间的最佳匹配，减少空调末端无效送风和制冷冷源的过量制冷大多是依靠实践经验，在达到一定的运维成熟度之后，传统的维护和实践经验已无法降低制冷系统的能耗。伴随着IoT和AI技术的快速发展，智能化的运维将有效解决上述问题，AI能效优化，AI运维与巡检、预测性维护、实时调节参数将成为未来制冷系统发展的方向。

03

数据中心作为高耗能场所，制冷系统在完成对IT系统的降温后，将产生大量的余热，存在很大的利用价值及空间，可通过热泵机组，利用余热进行供暖或提供生活热水。如此可实现能源的梯次利用，提高能源综合利用率。

作者简介：

胡鹏涛，广东南方电信规划咨询设计院有限公司数据中心行业专家，兰州大学电子与通信工程硕士，专注数据中心相关的园区规划、机电配套、节能减碳等专业领域，发表专业学术论文7篇，近年来主持完成多个数据中心规划设计工作。

文章来源：数据中心机房设计