前言：

隨著高性能服務器等IT設備的應用，高熱密度數據中心對機房制冷提出更高的要求，而冷凍水型空調系統在數據中心機房早已是一個成熟應用，但不少用戶對該系統的應用還存在保守的現象，本文將分析冷凍水空調系統的幾種節能措施，以幫助數據中心用戶更好的實現節能增效，下面介紹數據中心機房冷凍水空調系統的一般組成、管路設計模式以及節能方法等，對于相關工程的咨詢設計工作有一定的借鑒與指導。

目前數據中心機房空調大多數采用風冷型專用空調機組，其具有裝置靈活、可靠安全的優點，但也存在性能系數較低、運行性能不穩定、受室外環境溫度變化動搖較大、室內外機組裝置管線較短、室外冷凝器占用大量建筑面積的缺點。隨著機架熱負荷在逐漸上升，考慮到室外冷凝器對建筑立面影響較大且冷凝器的安裝位置受室內機位置和建筑立面的限制，風冷型專用空調機組經常滿足不了需要。采用集中冷源空調系統即冷水機組+冷凍水型專用空調機組方案(以下統稱冷凍水空調系統)變得更為普遍。

冷凍水空調系統使用集中冷源，制冷效率較高;采用冷卻塔蒸發冷卻，不需設置風冷冷凝器，降低環境噪音，對建筑立面影響小;數據中心機房采用冷凍水空調系統具有一定水平的節電降耗價值，特別是一些中、大型項目上不但節能效益顯著，而且可以減少空調設備的投資。但凡事有利則有弊，由于冷凍水空調系統中安裝的設備及閥門等部件較多，系統單點故障點較多，為達到靈活、可擴展、可靠、適用、易維護和節能的需求，冷凍水空調中的水系統和控制系統的設計比較復雜。深入研究冷凍水空調系統在數據中心機房中的應用，對于目前移動數據中心機房建設工作具有極其重要的作用。

冷凍水空調系統的一般組成

1、冷水機組

冷水機組是指能生產冷凍水的機械制冷設備(見圖2-1)，冷水機組為冷卻民用建筑而生產的冷水溫度一般為7℃,若用于冷卻數據中心機房，此溫度常顯太低。較高的水溫能夠減少機房的加濕負荷，提高空調顯熱比，具有很大的節能潛力。冷水溫度較高的缺點是使空調末端換熱器配置規格加大。

冷水可以是100%的水，或是水與乙二醇的混合物(如管路位于有凍結危險區域)，當水中有乙二醇或添加劑時，冷水機組的容量會有所衰減。

2、冷卻塔

冷卻塔是將循環冷卻水在其中噴淋，使之與空氣直接接觸，通過蒸發和對流把攜帶的熱量散發到大氣中去的冷卻裝置，冷卻塔有各種形狀、規格、配置與冷卻容量。由于冷卻塔需要有環境空氣進出的通路，所以通常設置于室外，一般在屋面或架高平臺上。對設有冷卻塔的數據中心機房空調系統，應有補水儲存，以避免在市政停水時冷卻塔失水。在大型空調系統中，冷卻塔通常選用橫流塔，每臺塔由若干相同模塊組成，根據空調負荷和室外溫度靈活臺數控制，并配置風機變頻調速，能起到很好的節能效果。

3、水泵

冷凍水空調系統中主要的水泵是冷凍水循環水泵和冷卻水循環水泵，泵系統設計應考慮節能、可靠性與冗余度，在滿足安全的情況下，水泵配置設計時通常可配變頻調速裝置，并采用高效電機，這樣，對于每周7天，24小時運行的泵來說，節能效果很顯著。

4、冷凍水型專用空調機組

冷凍水型專用空調機組主要結構分為兩部份：風機段、制冷盤管，其它選配件包括電加熱器、電極式加濕器等。冷凍水管接管位置設置在機組的背面或側面;通常該機組的送風方式采用下送風，風機段安裝于高架地板之下，空氣從機組頂部吸入，從機組底部送出;采用大風量小焓差設計原則，顯熱比大;在典型工況下(回風溫度24℃，相對濕度50%，進/出水溫度7/12℃)的制冷量范圍30~210KW，風量范圍9000~50000 m3/h;送風機配置EC調速外轉子式電機將有良好的節能效果;冷水機組、冷卻塔、水泵和專用空調等4部分是冷凍水空調系統的主要耗能設備，除以上主要設備外，還有一些附屬設備，包括分水器、集水器、水處理器、補水泵、定壓裝置、蓄冷罐等，在此不一一贅述。

5、冷凍水空調系統管路設計

在數據中心機房冷凍水空調管路設計中，最重要的一點是可靠性，在可靠性的基礎上兼顧易用和節能。根據數據中心機房的面積、高度、工藝負荷、功能要求等，可采用各種不同的管路方式，這些管路方式應在不增加機房風險情況下，有不同程度的管道冗余、可調節及在線維護功能。

冷凍水空調系統節能設計

(1)高溫冷凍水設計：

通常冷凍水空調中采用機械壓縮冷水機組，其節能性主要體現在能效比EER(energy efficiency ratio)和部分負荷效率IPLV (Integrated Part Load Value)。同樣溫差情況下，提高壓縮機蒸發溫度可以提高壓縮機效率，按粗略估計，蒸發溫度每升高1℃， EER能提高2~3%。同樣，提高蒸發溫度對于利用自然冷源是有利的，對于同一個氣候區來說，蒸發溫度越高，每年可資利用的自然冷卻時間則越多，以北京地區為例，在一個標準年內，溫度在7℃(標準工況蒸發溫度)以下的時間是3025小時，溫度在10℃以下的時間是3562小時。

數據中心機房環境控制設備的傳統運行是保持機房空調的回風工況。典型的回風溫度20~24℃，導致了來自空調的送風溫度在10~16℃之間。若熱通道/冷通道環境設計合理，則可采用較高的送風溫度，由此可用較高的冷水溫度或蒸發溫度。最終能在滿足冷負荷的需要下以可能的最高溫度運行供冷系統，達到最大程度的節能效果。

從另一個方面，數據中心機房露點控制是控制加濕和除濕的一種有效辦法。數據中心機房一般推薦的相對濕度范圍是40~60%之間，相對濕度過高有可能給數據中心設備帶來諸多問題，包括導電陽極故障、吸濕性粉塵故障和腐蝕等，極端情況下，水蒸汽在電子元器件或電介質材料表面形成水膜，容易引起電子元器件之間出現形成通路。當相對濕度過低時，容易產生較高的靜電電壓。機房濕度的設計值對機房運行時加濕和除濕的能耗有很大的影響。大多數數據中心機房主要的濕源是室外空氣，目前新建的數據中心機房密閉性都較好，從外界空氣傳入的水蒸汽不多，機房除濕能耗相對不大，主要能耗體現在加濕過程中，降低機房設計濕度將減少加濕能耗，提高機房空調末端的顯熱比。在機房設定相比濕度較低的情況下，當冷凍水空調進水溫度高于機房熱通道露點溫度(一般12℃以上)，則在空調末端也許無需加濕，機房在干工況下運行，即提高衛生標準，又起到節能作用。因此，總的來說，應放棄越冷越好的想法，冷水供水溫度和機房送風溫度應盡可能提高，運行在可允許的較高的機房溫度和較低的相對濕度設定范圍內，不僅可以提高制冷效率，而且能降低加濕能耗，在大多數氣候條件下還能大大增加利用自然冷源的時間。

(2)大溫差設計

根據某冷水機組樣機特性曲線顯示，蒸發器兩側冷水溫差對于冷水機組的效率影響很小，因此，從節能的角度考慮，加大冷凍水供回水溫差是有利的。較大的溫差可使流量減少，于是冷凍水泵的能耗降低，通常冷凍水空調供回水溫差是5℃，如溫差加大到6℃，冷凍水量將減少17%。但應該注意，對于具體設備，系統設計者應獲得產品的特性曲線，采用大溫差設計可能會潛在地降低冷水機組效率或加大冷水盤管規格。

而通過資料顯示，冷水機組效率隨冷卻水溫差的加大而降低。想通過增大冷卻水溫差以降低水泵能耗將明顯導致冷水機組的效率降低，因此，在考慮采用冷卻水大溫差設計前，需以年為基礎對冷卻水泵能耗和冷水機組能耗進行詳細的分析。

(3)自然冷源利用

冷凍水空調系統即使采用高效設備、系統設計優秀，其全年運行能耗也是十分顯著的。一般情況下，如果沒有利用自然冷源，數據中心機房PUE值很難低于1.7。要降低PUE，通常主要的途徑是利用自然冷源。根據氣候區的不同采用合理的免費制冷方案，數據中心機房制冷系統全年能耗通常能節約10~50%，甚至有時可能更高。

通常利用自然冷源方式分為直接自然冷卻和間接自然冷卻兩種方式，直接自然冷卻意味著直接利用室外的空氣來冷卻室內/設備，這類自然冷卻通常應用在低熱負載的戶外數據中心機柜和在溫度濕度低要求的場所，與冷凍水空調系統聯系不大，不在此贅述。

間接自然冷卻意味著通過使用干冷器，冷卻塔或者通過冷水機組的自然冷卻盤管利用室外冷空氣把水冷卻到一定的程度，這樣冷水就能通過機房空調機組的冷凍水盤管進行制冷，表示通過干冷器、自然冷卻盤管進行自然冷卻的原理圖

間接自然冷卻與冷凍水空調系統結合可采用冷凍水加閉式冷卻塔的雙冷源系統。空調系統制冷冷源選擇：由冷水機組(配開式冷卻塔)和閉式冷卻塔(提供自然冷源)兩部分作為制冷冷源，根據室外氣溫的變化采取相應的組合運行方式來滿足制冷需求，空調末端采用高顯熱供冷的雙盤管機房空調機組。

夏季運行模式為冷水機組(開式冷卻塔運行)獨立運行，由冷水機組為空調末端提供冷凍水;冬季運行模式為閉式冷卻塔利用室外低溫自然冷源獨立為空調末端提供冷凍水;過渡季節，高壓離心式冷水機組和閉式冷卻塔同時運行，由于機房內采用了雙盤管機組，過渡季節優先采用閉式冷卻塔提供的冷凍水對空調末端進行冷卻，當冷量不能滿足機房要求時再啟動冷水機組供冷，從而減少壓縮機的運行時間，降低空調系統能耗。由于該空調系統冷源為雙冷源，空調末端為雙盤管系統，在冬季和過渡季節的使用不但不存在自然冷源和冷水機組供冷切換控制的風險，管道系統還能互為備用，運行可靠，控制簡單。與傳統的冷凍水空調系統相比，增加了閉式冷卻塔、室內單盤管機組改為雙盤管機組，雖然增加部分管路和設備投資，但運行節電。

冷凍水系統實現節能的一些方法

(1)采用中溫冷凍水系統，提高冷凍水供回水溫度至12/18℃，水冷機組COP值可從5.5提高至7.0，預計節能15～20%;大型可采用高壓離心冷水機組磁懸浮冷水機組。

(2)采用溫濕度獨立控制系統。

(3)在上述冷凍水水溫的前提下，可提高機房送風溫度至干球溫度16～18 ℃以上，滿足ASHRAE Class A1等級要求;以及中國電信的標準要求。

(4)采用冷凍水、風機變頻控制;

(5)采用冷卻塔間接制冷;

其他實現節能的一些方法:

(1)機房專用空調采用EC風機;直流變頻風機;效率高、可按需送風。

(2)機房專用空調采用溫濕度獨立控制設計，避免冷熱抵消現象;浪費能量;

(3)機房專用空調無電加熱;預計室內機部分節能20～30%;

(4)機房空調采用小風量大晗差的設計思想，溫差大于10℃;

(5)采用新風直接制冷;熱管空調;

(6)采用等焓加濕過程的濕膜加濕機組，在空氣增加含濕量的同時，空氣的干球溫度也隨之降低，從而有效減輕機房空調的制冷負荷;

供電系統節能的一些辦法：

(1)使用高頻UPS、直流供電等;

(2)提高負載率，這是節能的最好方式，同時也是最直接的;

關于空調冷源節能設計:

水冷型冷凍水系統通過板式換熱器實現水側自然冷卻，在北京地區預期有3~4個月可實現完全或部分自然冷卻，使得年均PUE的貢獻值可下降0.1~0.2;

冬季可通過水源熱泵系統回收機房余熱，承擔建筑物所需的供熱負荷(如：新風系統、辦公區域、發電機房等)，節省了工程造價和運維費用。

如何提升數據中心冷凍水空調系統的能效

(1)提高冷水機組的出水溫度

提高冷水機組的出水溫度是提升制冷系統整體節能效果的一個有力措施。根據工程經驗和冷水機組廠家提供的數據，在其它參數不變的條件下，每當提高1℃的出水溫度，冷水機組的制冷量將提高3%~4%，而功耗約增加1%左右。

下圖顯示了在不同的出水溫度條件下，冷水機組的制冷量與用電功率的典型關系。

不難看出，隨著出水溫度的提升，制冷量和用電功率都在增加，但制冷量的增幅更大。簡單的說，隨著冷水機組出水溫度的提升，我們可以利用更少的電力消耗提供更多的制冷量。這顯然是一項有效提升制冷系統能效的措施，值得注意的是，冷水機組的出水溫度也不可以不受限制的提高，且對于末端空調設備而言，當來自冷水機組的冷凍水供水溫度提升時，其制冷量將隨之下降。為避免這種情況發生，就需要末端空調廠家在研發階段就以高溫冷凍水供水和高回風溫度條件進行設計。

能在研發與生產階段就全面考慮到數據中心冷凍水空調系統的最佳能效，這樣的廠家顯然鳳毛麟角。在某用戶的集裝箱數據中心內，冷凍水進水溫度20℃條件下，實測的制冷量高達37 kW/臺。

(2)充分利用自然冷源，實施自然冷卻

提高冷水機組的出水溫度即提高末端空調的供水溫度，它引申出的另一個好處是能夠最大限度利用室外冷源進行自然冷卻。

在冷凍水系統上增加一套空氣/水熱交換器，從末端空調返回的高溫冷凍水進入該熱交換器并被冷卻至合適的低溫，低溫冷凍水再被送入末端空調，吸收IT設備的散熱又變成高溫冷凍水，并再次返回熱交換器，如此循環。

審核編輯：湯梓紅