数据中心暖通空调系统之冷冻水系统节能思考

一、引言

从20世纪九十年代初期，数据中心的概念逐渐形成，到目前已经经历了近30年的发展。随着云计算、大数据等技术水平的不断革新，数据中心的建设规模越来越大，规范程度越来越高，从原来写字楼改造的几百平米机房，逐渐演变成上万平米的大型数据中心，年用电量规模突破千万度，某些超大型数据中心的年用电量规模甚至能够达到上亿度。

2021年北京市发改委公布了《关于印发进一步加强数据中心项目节能审查若干规定的通知》，其中明确北京市将对新建、扩建数据中心项目进行更严格的审查。而早在2018年，北京市政府颁布的《北京市新增产业的禁止和限制目录（2018）》就要求北京市全市范围内禁止新建和扩建PUE在1.4以上的数据中心。这次为了响应国家碳达峰、碳中和的战略要求，更是把PUE门槛提升到了1.3，且规模越大的数据中心门槛越高，可见北京市政府对数据中心节能降耗工作的重视程度之高，能源高效使用的关注。在这样的背景下，G行生产数据中心的绿色运营也将面临诸多挑战，今天我们就来讲讲存量数据中心的节能工作怎么开展。

二、节约的能源从何而来？

数据中心有三个重要的能耗指标，分别是PUE、CLF、PLF。

2.1 PUE

PUE(Power Usage Effectiveness)即电源使用效率，是2007年由美国绿色网格组织提出的用以评价数据中心能源利用效率的一种指标，目前被国内外数据中心行业广泛使用，PUE值越接近1，表示数据中心的能效水平越高。

2.2 CLF和PLF

CLF（Cooling Load Factor）即制冷负载系数；PLF（Power Load Factor）即供电负载系数。这两项指标作为PUE概念的延伸，能够更加清晰反映各类设备在PUE指标中的贡献度。

大型数据中心的制冷系统能耗能够占到所有辅助设施能耗的50%以上。以一个设计PUE1.5的数据中心为例，其CLF约为0.3,PLF约为0.2。两个系数虽然相差不大，但PLF受设备选型和配电系统架构影响，主要构成是配电设备的自身电能损耗，可压缩空间十分有限，因此数据中心节能工作的开展一般优先考虑从CLF入手，也就是制冷系统切入。

三、制冷是怎么实现的？

制冷系统虽然形态千变万化，但基础结构和原理百变不离其宗。

3.1 基础结构

最简单的制冷系统主要由4大部件组成，分别是压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器，它们由铜管按下图顺序连接成一个封闭系统，系统内冲注制冷剂。目前大型数据中心主流采用的冷冻水系统中的冷水机组也脱离不了这四个基本部件。

冷水机组的基础构成

3.2 制冷原理

冷机的制冷原理其实是从它的反向过程研究发展而来的。而理想的热机工作过程由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出，并被命名为卡诺循环(Carnot cycle)。这是一个只有两个热源的简单循环，由于工作物质只能与两个热源交换热量，所以可逆的卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。

这一过程在T-S图（温熵图）中比较容易理解，纵坐标T代表温度，横坐标S代表熵。图中气态液态分界线左侧区域为液态，分界线与横坐标之间区域为气液混合态，分界线右侧为气态，循环过程在T-S图中的面积即代表外界对系统的做功大小。

卡诺循环过程（T-S图）

可以看到整个卡诺循环的工作物质都是在气液混合态下进行的，共包括四个步骤：可逆定温吸热，可逆绝热膨胀，可逆定温放热，可逆绝热压缩。即理想气体从状态1定温吸热到状态2，再从状态2绝热膨胀到状态3，此后，从状态3定温放热到状态4，最后从状态4绝热压缩回到状态1。而这一过程的逆向，就成为了分析压缩机制冷系统工作的基础理论，被称之为逆卡诺循环。

制冷的原理也是一个循环过程，是基于逆卡诺循环的改进，在循环中增加了制冷剂的相变。首先，压缩机将气态的制冷剂压缩为高温高压气态，并送至冷凝器进行冷却，随后冷却后的中温高压液态制冷剂经节流机构降压后变为低温低压气液混合态，在蒸发器吸收外部热量并汽化，同时实现制冷，最后回到压缩机，进入下一个循环。对应到常见的家用空调，蒸发器就是室内机，制冷剂在蒸发器内蒸发吸热，实现制冷，再通过室外机中的冷凝器将热量散到室外。

空调制冷的循环过程（T-S图）

四、数据中心节能思考

下表为G行某数据中心2021年制冷系统主要设备的能耗占比，可以看到末端精密空调和冷水机组能耗占比最大，合计接近80%。因此要实现冷冻水系统的显著节能，就要从这两类设备切入。

2021年制冷系统能耗占比

4.1 精密空调的运行参数优化

冷冻水型精密空调是通过控制风机的转速和冷冻水的流量来调整制冷量的输出，而空调自身的电能消耗主要就是输出风量的EC风机。2021年制冷系统能耗占比中，精密空调能耗高达57%，理论上风机的能耗与频率的立方呈正相关，风机频率的降低能够为节能做出非常明显的贡献。然而要在风机频率降低的措施下保证精密空调能够满足机房原有的制冷需求，冷冻水的流量需求势必增加，这将导致系统前端的冷冻泵运行频率上升，甚至需要加开水泵，局部出现能耗的增加。因此冷冻水系统的节能不能只观测单一对象，而需要按照全局最优原则部署相关措施。

4.2 冷水机组的工况调整

（1）提高冷冻水供回水温度，充分利用自然冷却

制冷的实现，实际上是利用冷媒将热量从室内搬运到室外过程，除电制冷外，在一些特定场景下也可利用自然冷源实现制冷。2021年G行某生产中心冷水机组电制冷模式运行167天，占全年45.75%，预冷模式运行59天，占全年16.16%，自然冷却模式运行139天，占全年38.08%。对比2021年被评为国家绿色数据中心的某数据中心，节能模式下的运行时间基本一致。如果适当提高冷冻水供回水温度，进一步延长自然冷却的运行时间，理想情况下整个制冷系统能够实现20%左右的节能效果。

2021年制冷系统运行模式天数占比

（2）提高冷冻水供回水温度，提升冷水机组的使用效率

提高冷冻水供回水温度不仅仅能够延长自然冷却模式的运行时间，还能够提高冷水机组的使用效率，在一定程度上解决数据中心投产初期经常出现大马拉小车现象，可谓一举两得。

下图中蓝色循环代表冷水机组在冷冻水供水温度12℃工况下的运行过程，红色循环代表冷水机组在冷冻水供水温度16℃工况下的运行过程，两个循环的冷凝温度相同，区别在于红色循环下冷水机组的蒸发温度上升了4℃。前文已经讲到过，卡诺循环过程在T-S图中的面积即代表外界对系统的做功大小，不难看出冷水机组蒸发温度升高后，红色循环围成区域的面积明显小于蓝色循环围成区域，也就是说冷冻水供水温度越高，冷机做功越小，相应的电能消耗也就越低。

不同工况下冷水机组的电能消耗

冷冻水供回水温度的提高，实际上是通过牺牲部分系统可靠性换取能耗的降低，这种节能手段也存在着一定的副作用。其一是降低了蓄冷罐的蓄冷能力，在冷机失效场景下，放冷后备时间将会缩短，但只要是在15分钟以上，风险还是基本可控的；其二是末端空调的供风温度可能略有升高，在末端空调失效的场景下，环境温度上升至服务器宕机温度的时间将会缩短；其三是冷冻水供回水温度升高将导致空调制冷量降低，需重新评估机房的制冷能力，避免冷量不足，对机房运行造成影响。

五、总结与展望

2021年以来，在国家能耗双控要求下，数据中心节能降耗工作正如火如荼地开展。目前G行总、分行数据中心已采取众多节能措施，包括液冷服务器部署，风冷精密空调氟泵改造，智能照明控制等。后续G行将继续保持对数据中心先进节能技术的高度关注，在光伏发电、间接蒸发冷却、液冷等技术领域进行深入探索。在银行业数据中心的高冗余度要求下，谨慎、高效的开展节能相关工作，最大限度响应国家碳达峰、碳中和的战略要求，助力一流财富管理银行建设再上新台阶。

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