1 引言

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的來臨，國家對節(jié)能減排工作日益重視。2009年12月哥本哈根氣候變化會議上，中國政府承諾到2020年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%.

隨著新一代移動通信和下一代互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)蓬勃發(fā)展以及視頻、圖像等新業(yè)務(wù)新應(yīng)用帶來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快速增長，大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建設(shè)使得集成度高、能耗大的數(shù)據(jù)單架設(shè)備大量增加，能源消耗總量呈指數(shù)增長。綠色數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必然。

眾所周知，空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心中能耗占比較大系統(tǒng)，僅次于IT系統(tǒng)。因此本文將重點闡述數(shù)據(jù)中心供電制冷系統(tǒng)中應(yīng)用的主要節(jié)能技術(shù)的原理、應(yīng)用情況以及其標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展情況等。

2 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)架構(gòu)及節(jié)能技術(shù)

據(jù)美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(ASHRAE)技術(shù)委員會9.9(簡稱TC9.9)統(tǒng)計報告顯示，數(shù)據(jù)中心各部分的用電量分布大致如圖1所示。

　　由圖可見，IT系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心能耗大戶。

本文主要介紹數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)總體架構(gòu)，其典型的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

　　3 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

為了滿足IT設(shè)備正常運行環(huán)境條件，數(shù)據(jù)中心需配備制冷系統(tǒng)。多個國內(nèi)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中提出了對數(shù)據(jù)中心的環(huán)境條件要求，如在GB/T50174數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范中提出數(shù)據(jù)中心主機(jī)房的環(huán)境溫度應(yīng)保持在18～27℃，允許工作溫度為15～32℃;而在ITU-TL.1300《數(shù)據(jù)中心最佳實踐》標(biāo)準(zhǔn)中提出最佳環(huán)境溫度范圍為18～32℃;在YD/T1821標(biāo)準(zhǔn)中提出的大型和超大型數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫度范圍為18～26℃，中小型數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫度范圍為15～27℃。在滿足數(shù)據(jù)中心環(huán)境條件要求的基礎(chǔ)上，各綠色數(shù)據(jù)中心開展了一系列的節(jié)能舉措。

其中，應(yīng)用比較廣泛的節(jié)能技術(shù)有近端制冷技術(shù)、氣流組織控制技術(shù)、自然冷卻技術(shù)和相變材料冷卻技術(shù)等。這里將針對上述技術(shù)的原理、數(shù)據(jù)中心應(yīng)用情況及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

(1)近端制冷技術(shù)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)制冷率低，散熱能力有限，無法滿足中高熱密度機(jī)柜的散熱需求，容易出現(xiàn)機(jī)柜局部過熱的情況，使機(jī)柜無法負(fù)載過多的服務(wù)器設(shè)備，從而導(dǎo)致機(jī)柜的容積率和機(jī)房的空間利用率降低。

①列間制冷技術(shù)

目前行業(yè)通常使用的一種制冷技術(shù)為采用把制冷設(shè)備安裝在機(jī)柜間，靠近服務(wù)器熱源，向電子設(shè)備提供諸如空氣循環(huán)、空氣過濾、冷卻、再熱及濕度控制的溫控設(shè)備，簡稱“列間制冷設(shè)備”。列間制冷技術(shù)在冷通道封閉采用組合模塊對冷通道區(qū)域進(jìn)行封閉處理，隔離機(jī)柜的冷熱通道，有效地減少冷量浪費，極大地提高了精密空調(diào)的效能，把空調(diào)設(shè)備安裝到IT設(shè)備近端，滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房不斷上升的散熱要求。具體平面俯視圖如圖3所示。

該項技術(shù)已在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會立項為《通信高熱密度機(jī)房溫控設(shè)備第1部分：列間式溫控設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)，目前已進(jìn)入報批階段。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工況條件為冷水式列間空調(diào)表冷凝器進(jìn)水溫度為7～21℃，水冷式列間空調(diào)冷凝器進(jìn)水溫度為4～34℃，風(fēng)冷式列間空調(diào)室外冷凝器環(huán)境溫度為-15～+45℃;配置適于低溫運行的選配件或方案，可適應(yīng)最低室外環(huán)境溫度至-35℃。其規(guī)定的主要指標(biāo)如能效比如表1所示。其冷風(fēng)比要求為在標(biāo)準(zhǔn)測試工況下，不應(yīng)大于5.

　　②背板熱管制冷技術(shù)

該技術(shù)利用熱管原理，結(jié)合通信機(jī)房設(shè)備發(fā)熱量大，需全年不間斷制冷的熱環(huán)境特點，當(dāng)室外溫度低于機(jī)房溫度時，熱管中的液態(tài)工質(zhì)在室內(nèi)的蒸發(fā)端吸收熱量后蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)，上升至室外的冷凝端，氣體工質(zhì)經(jīng)冷凝后將熱量釋放至室外環(huán)境變?yōu)橐簯B(tài)，并在重力作用下流回室內(nèi)，完成室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移至室外環(huán)境的制冷循環(huán)。同時，該產(chǎn)品充分考慮機(jī)房機(jī)柜的背板排風(fēng)溫度最高，設(shè)備的熱量都由背板處排至機(jī)房環(huán)境的工藝特點。因此將熱管蒸發(fā)端布置在熱管背板處，直接吸收設(shè)備散發(fā)的熱量，提高熱管換熱溫差與熱管的換熱效率。其原理如圖4所示。

該項技術(shù)同樣已在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會立項為《通信高熱密度機(jī)房溫控設(shè)備第2部分：背板式溫控設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)，目前已討論通過征求意見稿。在標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的熱點問題為機(jī)柜的出風(fēng)口溫度、顯熱比、能效比、安全要求等部分。由于該標(biāo)準(zhǔn)目前還在討論過程中，因此對于一些指標(biāo)的具體要求不宜進(jìn)行詳細(xì)的描述。

③頂置式制冷技術(shù)

這是一種將空調(diào)末端部署位置從遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的機(jī)房兩側(cè)移至機(jī)柜頂部的空調(diào)末端側(cè)的優(yōu)化技術(shù)。該技術(shù)通常應(yīng)用于封閉熱通道的模塊化機(jī)房，送、回風(fēng)方式是從熱通道內(nèi)部回風(fēng)，往兩側(cè)送風(fēng)。頂置冷卻單元與列間空調(diào)系統(tǒng)制冷循環(huán)很相似，但頂置冷卻單元僅由表冷盤管、水路調(diào)節(jié)裝置、溫濕度傳感器等組成，設(shè)備本身不再配置風(fēng)機(jī)，表冷盤管設(shè)置于機(jī)柜頂部。IT機(jī)柜風(fēng)扇將排出的熱空氣聚集到封閉的熱通道內(nèi)，通過熱壓的作用，熱空氣自然上升，經(jīng)過機(jī)柜頂部的頂置冷卻單元表冷盤管降溫后，因熱壓作用開始下降，并再由IT機(jī)柜風(fēng)扇吸進(jìn)IT設(shè)備降溫，實現(xiàn)垂直方向的空氣循環(huán)。頂置式空調(diào)因其本身就沒有配置風(fēng)扇，熱壓作用維持了空氣的自然流動循環(huán)，降低空調(diào)末端設(shè)備的能耗消耗。具體原理圖如圖5所示。

該項技術(shù)同樣已在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會立項為《通信高熱密度機(jī)房溫控設(shè)備第3部分：頂置式溫控設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)和信息化部已下達(dá)計劃編號，且為部重點項目。

(2)氣流組織控制技術(shù)

數(shù)據(jù)中心一般采用冷熱通道封閉方式，可采用冷通道封閉或熱通道封閉等。而從送風(fēng)方式分為下送風(fēng)方式(示意圖如圖6所示)，上送風(fēng)方式(示意圖如圖7所示)。

而對于機(jī)柜的送風(fēng)方式主要分為前進(jìn)風(fēng)機(jī)柜排列(如圖8所示)，下進(jìn)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜排列(如圖9所示)。

關(guān)于氣流組織控制方式，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會立項為《通信電源及機(jī)房環(huán)境節(jié)能技術(shù)指南第5部分氣流組織》標(biāo)準(zhǔn)，目前已進(jìn)入報批階段。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了氣流組織的基本原則、機(jī)柜的功率密度、氣流組織形式(分為下送上回風(fēng)方式、上送下回風(fēng)方式、機(jī)柜排級送風(fēng)方式)和機(jī)柜送風(fēng)方式等。

(3)冷卻塔自然冷卻技術(shù)

大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較為廣泛的水側(cè)自然冷源制冷技術(shù)，在常規(guī)空調(diào)冷水系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)部分管路和設(shè)備，當(dāng)室外濕球溫度低到某個值以下時，關(guān)閉冷水機(jī)組，以流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷，提供機(jī)房空調(diào)所需的冷負(fù)荷。用冷卻塔來替代冷水機(jī)組供冷，達(dá)到降低能耗的目的。

冷卻塔供冷大致有如下3種方式：①開式冷卻塔加過濾器;②開式冷卻塔加熱交換器;③閉式冷卻塔直接供冷。最常見的冷卻塔供冷方式是開式冷卻塔加熱交換器。詳見圖10.

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的冷凍水溫度一般為7/12℃，以北京地區(qū)為例，全年39%的時間可以利用自然冷卻，如果將冷凍水提高到10/15℃，全年自然冷卻時間將延長至46%.同時由于蒸發(fā)溫度的提高，冷水機(jī)組COP可以提升10%.另一方面，隨著服務(wù)器耐受溫度的提升，冷凍水溫度可以進(jìn)一步提高，全年自然冷卻的時間也將進(jìn)一步延長。目前國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)將冷凍水溫度提高至15/21℃，全年自然冷卻時間可以達(dá)到70%甚至更長。

關(guān)于該項技術(shù)在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會歸口并在工業(yè)和信息化部立項研究的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信電源及機(jī)房環(huán)境節(jié)能技術(shù)指南第2部分應(yīng)用條件》(修訂)標(biāo)準(zhǔn)中提出了應(yīng)用條件、同模式間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換和防凍措施等。目前該標(biāo)準(zhǔn)處于報批階段。

(4)相變材料技術(shù)

相變材料制冷系統(tǒng)在正常工作時(供電正常時)，給電信設(shè)備制冷的同時，使相變材料蓄冷能，冷能蓄滿后，不再吸收冷量;在斷電時，通過冷媒循環(huán)，逐步釋放相變材料的冷量，吸收通信設(shè)備產(chǎn)生的熱量，使通信設(shè)備的環(huán)境溫度滿足基本要求，直至完成釋冷過程。恢復(fù)供電后，冷媒溫度逐步降低，逐步完成蓄冷過程，直至過渡到正常狀態(tài)。

工業(yè)和信息化部于2016年發(fā)布了YD/T3033-2016《通信局(站)用相變蓄能設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)，主要定義了其工況條件，蓄能密度(不小于25kWh/m3)，釋冷過程時間和蓄冷過程時間等參數(shù)指標(biāo)。但此項技術(shù)目前應(yīng)用的范圍不是很大。

4 結(jié)束語

本文對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施制冷系統(tǒng)中所涉及的節(jié)能減排的技術(shù)進(jìn)行了分析，并對與此相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行了介紹和解讀，希望能給數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域內(nèi)的研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)人員提供參考。