引言数据中心具有高能耗特性，暖通空调水冷系统是数据中心能源消耗的主要组成部分，对其进行节能控制和优化分析具有重要意义[1]。近年来，数据中心机房数量不断增加，每年约增长20%，其能源增长遵循摩尔定律。20世纪80年代，机房的负载约为5 kW，功率单位密度约为100 W/m2，此阶段依靠空调自身的弥漫性散热降温就能够解决散热问题[2]。现阶段，单个机柜的功率依然为5 kW，但功率单位密度达到800 W/m2，机房的热负荷大幅度增长，数据中心机房的功耗中空调散热占比高。1机房数据中心的能源消耗情况分析机房系统主要由5个部分组成，分别为场地动力监控系统、照明系统、供配电系统、空调系统以及设备系统[3]。场地动力监控系统主要负责对机房的日常运行进行管理、监控，保证机房的正常运行，是机房日常运行的基础保障，包括4个子系统，分别为门禁系统、可视监控系统、消防系统以及环境监测系统。照明系统主要为机房提供照明。供配电系统主要为机房的重要负载以及精密设备提供不间断的电力供应，保证日常供电的可靠性和安全性，系统由3个部分组成，分别为UPS不间断电源、配电系统以及供电系统。空调系统主要为数据机房提供加湿、通风和制冷功能，保证机房的湿度和温度，确保精密设备的安全运行，为了保证机房内的温湿度能够维持恒定，空调系统全年高负荷不间断运行。设备系统是数据中心机房的重要组成部分，主要包括计算机设备和网络，提供全天候不间断的信息服务以及网络服务，主要由网络通信设备、存储设备以及服务器等组成。本项目数据机房能耗主要为场地动力监控系统、照明系统、供配电系统、空调系统以及设备系统的电能消耗。场地动力监控系统能耗占比约为0.35%，照明系统的能耗占比约为0.69%，供配电系统的能耗占比约为5.85%，空调系统的能耗占比约为41.80%，设备系统的能耗占比约为51.31%。空调系统和设备系统的能耗占比占据机房总能耗的90%以上，是节能改造的重点内容[4]。数据机房的设备系统减排可行性较小，应加强对空调系统的改造和管理，加强对空调系统的有效利用。2项目概况以某数据中心1号机房为例，机房总面积约450 m2，设备主要包括100多套网络设备、微机服务器、小型机、机房场地辅助设施以及30多个机柜。设备设计负荷为260 kW，占总体冷负荷98%以上，可以认为设备机房空调冷负荷全年恒定。1号机房配备5台风冷空调，每台制冷量为80 kW，4用1备，制冷总量为320 kW。3设计改造要求3.1环境要求通常情况下，冷通道或机柜进风温度为18~27 ℃，露点温度为5.5~15.0 ℃，相对湿度低于60%；辅助区域的相对湿度通常为35%~75%，温度为18~28 ℃。机房开机、停机时的温度和湿度要求如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.023.T001表1机房开机、停机时的温度和湿度要求项目开机停机A级B级A级B级温度/℃夏季23±2；冬季20±215~305~355~35相对湿度/%45~6540~7040~7020~80温度变化/(℃/h)小于5，不可结露。小于10，不可结露。小于5，不可结露。小于10，不可结露。为了有效避免数据机房设备出现短路等故障，保证设备的可靠运行，对数据中心机房的空气悬浮粒子浓度制定了严格要求，机房空气中粒径超过0.5 μm的悬浮粒子数量应不超过1 800 000个/m3，洁净度要求等级为8.7级。数据机房改造完工投入使用前，应对其空气质量进行检查，相关指标应满足《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）[5]的要求。为了保证外部灰尘不进入机房影响设备运行，要求主机房为微正压运行，通常要求主机房与走廊和其他房间的压差大于5 Pa，与室外的气压差应大于10 Pa。如果数据机房设有新风系统，新风量应设定为40 m3/(h·人)。3.2负荷计算指标数据机房夏季冷负荷主要包括湿负荷（潜热负荷）、显热负荷以及附加冷负荷。显热负荷是主要负荷[6-7]，包括新风负荷、人体散热、透明外围护结构透入的太阳辐射、围护结构透入的热量负荷、照明设备散热以及设备的散热。潜热负荷包括围护结构散湿、新风负荷、人体散热以及散湿过程中的湿负荷。附加冷负荷包括冷水通过管道、水泵升温等产生的冷负荷以及空气通过管道和风机升温产生附加冷负荷。项目在最初设计方案阶段缺少具体的数据，无法精确计算空调系统的冷负荷，根据以往经验通过面积指标进行估算。常用冷负荷面积指标如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.023.T002表2常用冷负荷面积指标房间冷负荷指标中心主机房600~800计费中心300~500监控中心300~500计算机房300~500仪表间300~400UPS室300~500交换机房350~550金融机房500~600W/m23.3气流组织机柜采用风冷形式时，气流组织主要包括侧送风上回风、上送风上回风、下送风上回风。通常情况下，如果单台机柜的发热量超过4 kW，气流组织应采用下送风上回风的形式，实行冷热通道隔离，如热通道封闭或冷通道封闭[8]。现阶段，部分机房采用下送风上回风的气流组织形式，能够形成静压差，使送风更加均匀，有效控制机房的温度和湿度。但其缺点是需要在机房内铺设架空50 cm的防静电地板，且需要在楼板做保温层。4空调系统节能改造措施4.1冷却技术改造现阶段，数据机房常用节能措施主要包括蒸发冷却技术、自然冷却技术和冷热通道封闭技术。采用冷热通道封闭能够更好地提升机房和空调的利用率，最大限度发挥单台机柜的功率；采用机柜间前送风后回风的形式，能够减小风阻，进而减小风机压头，提升风机的能效。自然冷却利用天然的冷源，将机房设在干燥低温的地区，可以采用水冷、风冷进行机柜冷却，缩短制冷时间，降低能耗，节能效果较好[9]。蒸发冷却包括间接蒸发和直接蒸发方式，直接蒸发冷却使空气直接接触水，利用水蒸发吸热降温，间接蒸发冷却时空气不直接接触水。自然冷却的利用会受到地域限制。蒸发冷却应用范围较广，其冷却介质温度都比较低，机柜送风温度通常为18~27 ℃，因此蒸发冷却的冷却介质能够被机房直接利用。夏季空调湿球温度低、水资源丰富的地区可采用直接冷却技术，露点温度低的地区适合采用间接冷却技术。与传统电制冷相比，间接冷却技术可以节省45%的能源消耗。4.2机房布局改造科学规划数据机房的布局和机柜摆放，能够促进机房气流良性流动。本项目机柜进气口在正面，散热面在背面，可采用冷热通道设计进行布局。机柜冷热通道布置如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.023.F001图1机柜冷热通道布置机柜按照背对背和面对面进行摆放，建立冷热通道，冷空气通过通道到达服务器前的通风口，服务器背面的热气流从管道流出，避免同向的机柜散热空气和冷却空气混合，提升空调系统的制冷效率。4.3系统控制优化为了更好地控制和调节空调系统的运行状态，可以结合传感器技术对数据和输配系统的状态进行观测，实时监测数据中心的温度、湿度、压力等参数。传感器将信号传递给控制系统，控制系统根据预设的控制逻辑和算法进行决策，向执行器发送相应的指令，调节蒸发器的运行工况[10]。蒸发器的工作条件发生变化时，输配系统的状态也会改变。此时传感器再次检测输配系统的状态变化信息，反馈给控制系统，控制系统根据新的状态信息进行下一步控制决策，使设备进入下一个循环。通过结合传感器技术和控制逻辑指令，实现对蒸发器运行工况的准确调节和控制[11]。系统控制逻辑如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.023.F002图2系统控制逻辑5空调系统节能改造效果机房温度恒定时，风冷空调的系统能效与室外温度有关。改造后，空调系统采用冷却水进行冷却，设计供水温度30 ℃，回水温度35 ℃，项目采用定供水温度进行运行，冷凝温度可认为不变，机房空调能效可以认为保持恒定。利用配电柜智能电表读取设备和空调的耗电量，取项目3月至10月的耗电数据，对比机房电脑利用效率PUE和节能率。机房改造前后耗电量对比如表3所示。3月和4月进行设备调试，冷却水温度较高，因此水冷空调的能耗更高。调试完成后的5月为投产阶段，供水、回水温差较大，水冷空调能效明显优于风冷空调。改造后，空调系统节能率为16.2%。室外机风扇始终为备用装置，白天噪声为57.3 dB，夜间噪声为48.6 dB，符合《社会生活环境噪声排放标准》（GB 22337—2008）的相关要求。项目位置靠近城市主干道，白天环境噪声比较大，夜间环境噪声比较小。经过改造，夜间环境噪声明显减小。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.023.T003表3机房改造前后耗电量对比项目3月4月5月6月7月8月9月10月总计设备耗电/kWh改造前90 46890 46892 98590 68893 55694 55092 05695 349740 120改造后90 46890 46892 98590 68893 55694 55092 05695 349740 120空调耗电/kWh改造前58 75057 06268 55676 12274 29878 72468 74167 026549 279改造后58 78858 78860 52458 89460 15861 33860 12362 207480 820PUE/%改造前1.661.631.751.821.841.831.751.711.74改造后1.661.641.641.611.611.621.661.661.63节能率/%-0.1-3.212.222.519.521.812.57.816.26结语文中采用间接冷却技术、冷热通道、优化控制逻辑等措施对数据中心机房的空调系统进行设计和改造。通过能耗分析发现改造能够降低系统功耗，提高系统的稳定性和效率，有效减小了夜间的噪声影响。