摘要
选取上海地区20个大型数据中心为研究对象，采用调研评估、数据分析的方式对各数据中心空调系统的现状和能耗进行了分析。结果表明，各数据中心空调系统的原有设计均存在提升空间，且95%的数据中心空调系统存在能耗较高现象，具有一定的优化空间和节能潜力。结合数据中心行业内文件或标准，根据各数据中心的实际情况，提出了一些空调系统的节能技术措施，并分析了这些措施的节能潜力。
关键词
空调系统 数据中心 节能技术 能效 调研
作者
上海市建筑科学研究院有限公司 朱伟峰
上海建科节能技术有限公司 郑竺凌 张玉燕
交通银行股份有公司 王 涛
上海建科节能技术有限公司 黄 璜
0 引言
近几年来，随着我国互联网、云计算和大数据产业的加速发展，数据中心产业进入了大规模建设，例如运营商、互联网企业、金融业、政府、制造业等都在规划、建设和改造各自的数据中心。由于数据中心机房单机柜的功率密度越来越高，长时间运行耗电量巨大，发热量集中，会使得机房出现局部过热现象，导致机房设备出现故障。因此，数据中心对可靠性、安全运行方面的要求极高。
研究表明，数据中心的能耗有超过1/3来源于空调系统，空调系统节能是降低能耗的关键，具有很大的节能潜力。提高数据中心空调系统效率不仅能够减少其自身耗电量，同时还可降低机房其他设备能耗，从而保障数据中心长时间的安全运行。所以研究和优选数据中心的空调系统节能技术十分重要。
本文以上海地区为例，选取20个大型数据中心为研究对象，通过现场调研评估、测试、数据分析，对数据中心空调系统节能技术措施进行探讨，并进一步提出数据中心空调系统节能技术路线。
1 数据中心概况
1.1 基本信息
本文所调研、测试的20个数据中心均为上海地区500个机架以上的大型数据中心，各数据中心的机架情况见图1。其中，7个数据中心的设计机架数在500～1 000个范围内，8个数据中心的设计机架数在1 000～2 000个范围内，5个数据中心的设计机架数在2 000个以上。这些数据中心主要涉及金融、通信和专门的互联网数据中心（IDC）运营商。
图1 数据中心机架数量分布情况
1.2 空调系统
数据中心机房的IT设备通常在高能耗情况下运行，且需要全年运行，而机房室内环境对IT设备的稳定运行和使用周期均有很大影响。因此，数据中心对空调系统的要求很高，不同于常规的空调系统。
调查研究表明，数据中心空调系统设计时通常要考虑稳定性、灵活性和节能性。其中，节能性要求空调系统能在较低能耗状态下运行，实现高效、低能耗的节能运行方式。随着数据中心建设量的不断增大，其能耗也相应增大，为了响应节能减排的号召，目前迫切需要建设绿色数据中心，全面提升数据中心节能环保水平。因此，数据中心空调系统的节能性是目前关注的焦点。
本文采取调研、评估的方式对上海地区20个大型数据中心空调系统的节能性进行深入分析，发现这些数据中心的空调系统均存在提升空间，详见表1。
1.3 空调系统的能耗情况
通过对20个数据中心的测评，统计分析各数据中心的能耗情况，得到各数据中心的年度总能耗和空调系统能耗，如图2所示。
图2中空调能耗占比为各数据中心空调系统耗电量占总耗电量的比值，除20号数据中心的空调能耗占比为20%左右外，其他各数据中心的空调能耗占比均在20%以上，甚至个别数据中心空调能耗占比高达60%。由此可知，研究涉及的20个数据中心中有95%的数据中心空调系统存在能耗较高现象，具有一定的优化空间和节能潜力。
图2 各数据中心的能耗
2 数据中心空调系统节能技术措施分析
2.1 工信部对绿色数据中心空调系统节能技术的要求
为了推动数据中心节能与绿色发展水平持续提升，工信部发布了《绿色数据中心先进适用技术产品目录（2019年版）》（以下简称《目录》），《目录》中提出了一些适用于既有数据中心空调系统的节能改进技术。通过对《目录》中节能改进技术的分析，并结合上海地区的实际情况，本文罗列了一些适合20个数据中心的空调节能技术措施，见表2。
2.2 GB 50174—2017《数据中心设计规范》对数据中心空调系统节能技术的要求
GB 50174—2017《数据中心设计规范》也对数据中心空调系统提出了明确要求，主要涉及冷源和空调系统室内设计两方面:机房内空调系统的气流组织形式应根据设备布置方式合理确定，并建议采取冷热通道隔离措施；同时，数据中心应根据当地气候条件充分利用自然冷源，建议空调系统采用变频、自动控制等技术进行负荷调节，并且对于机房专用空调建议采用出风温度控制。
3 数据中心空调系统的节能技术措施及节能技术潜力分析
3.1 数据中心空调系统的具体节能技术措施
结合以上行业内文件或标准对数据中心空调系统节能技术的分析，本文根据各数据中心空调系统的实际情况提出改进建议，如表3所示。
通过深入分析各数据中心空调系统的改进建议发现，所提出的节能技术措施主要分为加强免费冷源的利用和优化室内侧冷却系统2类。
在气候条件适合的地区，集中冷水空调系统加强免费冷源利用是较为普遍的节能技术，对于上海地区来说，特别是对于没有集中冷水空调系统的数据中心，可通过制冷剂泵改造、加装自然冷却设备等方式利用免费冷源；对于采用集中冷水空调系统的数据中心，可通过设备选型、系统设置、改变运行策略等措施，增加免费冷源利用时长，在高温供水的基础上，提高制冷站的综合控制水平。
优化室内侧冷却系统是指对室内机房专用空调进行优化。室内侧的机房专用空调是数据中心冷却系统的耗能设备之一。通过对机房专用空调压缩机和风机进行改造，实现变频控制，并采用合理的策略实现调节，可大幅度降低其能耗。同时，通过改造送回风管道、风口等，进一步调适优化机房专用空调的送风，采用冷热通道封闭并加强封堵，严格做好冷热通道的隔绝，降低冷却系统室内侧能耗。
3.2 节能技术潜力分析
本文对各数据中心采用节能措施后的节能潜力进行了分析，图3显示了各数据中心采用节能措施前后空调系统的能耗情况。
图3 各数据中心采用节能措施前后空调系统的能耗情况
观察图3可知，各数据中心采用节能措施后，其空调系统的能耗均有所降低，大部分数据中心空调系统的节能量较为显著，个别数据中心节电量高达600万kW·h/a左右，20个数据中心的总节电量可高达2 557万kW·h/a。
根据上述分析可知，本文提出的节能技术措施具有节能潜力，能够有效降低数据中心空调系统的能耗。
4 结论
1） 本文研究涉及的20个数据中心中，除个别数据中心外，大多数数据中心的空调系统能耗占比均在20%以上，有的甚至达到60%；95%左右的数据中心空调系统存在能耗较高现象，具有优化空间和节能潜力。
2） 结合数据中心行业内文件或标准，根据各数据中心的实际情况，提出了加强免费冷源的利用和优化室内侧冷却系统、优化气流组织等节能技术措施，分析发现这些节能措施具有一定的节能潜力。
另外，笔者目前正在与各数据中心沟通协调，推进各数据中心实现节能改造。后续还将协调各数据中心，进一步落实长期监测，深入分析。
本文引用格式：朱伟峰， 郑竺凌，张玉燕，等.上海地区数据中心空调现状分析[J].暖通空调，2021，51（7）：60-63
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