引言随着5G通信、大数据、云计算及物联网的快速发展，数据中心承载的业务量越来越大，数据中心总耗电量在全球总耗电量中的占比随之攀升。数据中心的高能耗直接影响到企业的经济效益，其制冷系统的高可靠性、冗余配置也需要投入较高的建设成本。数据中心对性能要求、节能目标、建设弹性等都采用相同的原则。制冷与空调系统作为组成之一，配置也与之一致，无法满足使用要求。EEUE(electricenergy usage effectiveness)反映数据中心基础设施的电能使用效率。EEUE定义为数据中心整体能耗与IT设备能耗之间的比值，EEUE指标主要考虑3种能耗：IT设备能耗、制冷系统损耗和配电损耗。数据中心空调制冷系统能耗是除IT设备能耗之外的最大能耗，是数据中心实现节能的关键。降低制冷系统能耗、提升制冷系统能效比对于降低EEUE值、提高数据中心经济效益尤为重要。运维过程中如何实现系统安全可控、高效运行、节能降耗，需结合数据中心水冷空调原理解决。1分时段切换冷源系统运行模式山西移动数据中心水冷系统冷源侧由离心式冷水机组+板式换热器+开式冷却塔组成。每台冷水机组配套1台板式换热器，机组与板式换热器串联。过渡季节或冬季，由开式冷却塔及板式换热器利用较低的室外气温提供冷源。系统采用N+1方式冗余配置，每台冷水机组控制与冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔对应，连锁控制[1]。冷水机组是水冷系统冷源侧耗电量的主体。冷源系统设备额定功率占比如图1所示。在保证末端空调制冷需求前提下，最大限度利用自然冷源缩短冷水机组运行时长是降低冷源系统能耗的最佳手段[2]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F001图1冷源系统设备额定功率占比按照设计要求水冷系统运行模式为3种：冷水机组模式、自然冷却模式和部分自然冷却模式。由于山西太原春秋过渡季昼夜温差较大，使用部分自然冷却模式时冷冻水温度波动较大，系统运行不稳定。通过人工调整的方式，依据山西太原地区实际情况，合理利用夜间气温偏低的自然冷源，将冷水机组模式和自然冷却模式的切换时间优化到以小时为单位，从而实现制冷系统降本增效的效果。根据山西太原4月、5月、10月天气昼夜温差大的实际工况，白天温度高时使用冷水机组模式制冷；夜间温度低时启用自然冷却模式（板式换热器）制冷。2019年4月17日至5月14日、10月8日至10月31日期间，经实际测算山西移动数据中心实际使用自然冷却模式的时长占总时长的48.67%，节电44.83%。2变频调节循环水泵为保证末端空调供水安全，山西移动数据中心水冷系统管路采用双（环）路形式：冷冻水系统采用闭式循环系统，并设置开式蓄冷罐兼作为冷冻水系统定压装置。每个制冷站均配置两套独立的分集水器，分集水器之间设置压差旁通装置。机楼启用初期，热负荷较低的情况下，通过旁通管调节冷冻水流量，旁通最大流量为单台冷水主机额定流量的40%[3]。从两套分集水器分别引出供回水管在每层机楼、每个机房模组内成环，管道设置必要的阀门以保证在管道故障、系统维护检修时可切换。集分水器及供回水管网结构如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F002图2水冷系统管网结构水冷系统循环水泵的能耗与其转速n、流量Q和扬程H有关，即当水泵转速为一定值时（额定转速n1），流量与扬程为反比关系。三者的关系如图3(a)所示，如果用水流量减少，从Q1减少到Q2，则扬程沿着n1曲线从H1增加到H2。当用水流量增加，从Q1变到Q3，扬程则沿着n1曲线从H1降低到H3[4]。水泵此时的能耗总是等于扬程与流量的乘积。并且在此3种流量和扬程的情况下，水泵始终在最佳工况点上工作，则水泵的能耗也基本相等，即：H1×Q1=H2×Q2=H3×Q3 （1）10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F003图3水泵流量—扬程曲线在实际运行过程中，冷冻水循环泵要保证整个系统中最不利压差点的最小压差。这就要求水泵工作时的管网压力，应满足末端空调冷冻水循环的基本要求。如果供水压力（扬程）升高，不仅造成能源浪费，同时管网因承受高压，缩短管网使用寿命，水泵电机也因水泵送不出水而持续发热，加速电机老化甚至烧毁机泵。如果供水压力（扬程）降低，系统热负荷增大导致用水流量增大，管网的末梢、远端或高处等最不利点压差就会减小，导致该点末端空调水流循环不畅，无法满足机房内的制冷需求。根据图3(b)所示，当系统热负荷波动导致冷冻水循环流量降低，从Q1变化到Q2或Q3时（Q1为水泵满足冷冻水供水扬程H1的最大流量），如果能及时调整电机转速，从原来的n1值，调整为Q2时的n2值或Q3时的n3值，根据水泵在一定转速下的流量、扬程关系，水泵工作在n2曲线上的Q2流量所对应的扬程为H1；工作在n3曲线上的Q3流量所对应的扬程也为H1。当用水量变化时，如果能及时调整电机转速，就可以实现冷冻水压力不变的情况下，降低水泵出水量，并且实现节能，即扬程不变时，3种转速和流量条件下的能耗满足以下不等式：H1×Q3H1×Q2H1×Q1 （2）保证最不利末端压差的前提下，通过调节电源频率，调节水泵转速和流量。实际运行生产过程中调整频率会影响到水泵压力扬程、流量，同时还要保证水泵工作在高效点附近，水泵调频范围在35~50 Hz；根据理论计算能耗变化与频率变化的三次方程线性关系，通过调频节能效果比较明显。3末端空调联机群控根据数据中心机房用途及设备要求不同，选用不同形式的末端空调。列间空调、热管背板空调、地板下送风空调、风帽送风空调等，但控制原理基本相同，都是通过调整电动水阀和风机实现制冷量和气流组织的调整。空调制冷量取决于单位时间空调内冷水的流量和进出水温差，控制器通过检测送风温度对电动水阀进行PID调节。由于机房内设备散热密度高，需要风机调节气流组织，将冷风源源不断地送入电子信息设备进风口，末端空调单机控制策略如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F004图4末端空调控制原理图送风温度PID控制器根据设定送风温度值，实测送风温度，PID输出0~100%对应水阀开度0~100%，根据回风温度调节风机。此时风机的输出由回风温度及回风温度设定值按比例调节，比例输出为回风温度差值/回风温度制冷比例带，比例输出0~100%对应风机最小风量到最大风量。以封闭冷通道列间空调为例，如图5将一个冷通道内9台空调联机作为一个协同工作组，实现工作组内设备定期轮询，确保每台设备运行时间的均衡，延长设备寿命。冷通道内热负荷不均衡时，工作组自动进行设备制冷量调节和风量调节，实现热负荷与制冷量的精确匹配，在安全的前提下始终保证系统节能优先级[5]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F005图5封闭冷通道列间空调系统结构图4机房全生命周期管理数据中心水冷空调系统的节能效果就像是一条“长尾曲线”。前端通常由冷机能耗、水泵能耗、末端空调风机能耗等“大指标”组成，而曲线尾部则由气流组织设计、设备摆放位置、机柜之间的距离等无数“小指标”组成[6]。数据中心机房需要全年制冷，对夏季需要供冷的各个机房的最大负荷进行计算，具体包括设备热负荷、机房照明热负荷、建筑围护结构热负荷、人员的散热负荷、新风热负荷[7]。为尽可能减少建筑维护结构热负荷，设计阶段将数据中心空调房间集中布置，使用功能、温湿度相近的空调房间相邻布置。数据中心机房最主要的房间包括业务机房、电力电池室、高低压配电室。业务机房推荐的环境参数温度（25±2）℃，相对湿度40%~50%。电力电池室及高低压变配电室的温度及相对湿度可变区间大于业务机房。机房推荐的环境参数能满足电子信息设备对环境的要求，对电子信息设备在可靠性、能耗、使用性能、寿命等方面更有利，在主流数据中心允许温湿度范围内。环境温度超出推荐值，就有可能出现服务器性能下降、服务器寿命缩短、运行噪声过大等不良影响，当数据中心安置的电子信息设备不发生或可以接受这些不良影响时，制冷与空调系统又能节约更多能耗时，环境温湿度可以放宽到允许值[8]。不同电力设备、电子信息设备对运行环境的要求不同，宜布置在不同的空调房间内，结合机房经济性兼顾运维管理要求，设计不同种类的机房、选用不同形式的空调。山西移动数据中心机房有多种空调形式。封闭冷通道内机柜采用面对面、背对背的冷热通道分离的布置方式，是一种简单易行的节能手段。运维阶段将冷热通道封闭后，有效提升送回风温度，更有利于提高冷风利用率，减少冷热气流的混合，降低空调系统能耗[9]。对于机架可能出现漏风的位置，日常维护中需要维护人员对机架空位安装盲板，安装空洞毛刷（漏风封堵器）或盖板等。在满足电子信息设备运行的情况下，提高送回风温差，减少循环风量，降低风机能耗，有利于节能。5结语研究结合数据中心水冷空调系统构成及原理，定性分析水冷系统的节能措施，对运维过程中实现水冷空调系统安全可控、高效运行、节能降耗具有重要意义。从机房规划、设计、空调设备选型、施工、运维全生命周期内进行精细化管理，降低制冷系统能耗成本，最终实现绿色节能的数据中心。