數(shù)據(jù)中心耗能問題實際上是很嚴(yán)重的問題，例如，一個長期滿負(fù)荷運行的、功率為1kW的服務(wù)器，每年的耗電量為8760kWH，電費約為0.8萬元。服務(wù)器在實際運行負(fù)荷下的功耗，約為滿載的40%—60%;但同時為服務(wù)器提供環(huán)境的機房設(shè)備所消耗的電能，則可能是服務(wù)器能耗的2—3倍。如果一個數(shù)據(jù)中心安裝有100臺這樣的服務(wù)器，在考慮以上兩個因素后，每年的服務(wù)器總電費將達到80萬元。

數(shù)據(jù)中心的電能主要被兩類設(shè)備消耗了：IT設(shè)備和機房設(shè)備。IT設(shè)備主要包括服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備;機房設(shè)備包括UPS、配電設(shè)備、線纜、空調(diào)機、新風(fēng)機、加濕器、照明設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等。從目前國內(nèi)外的調(diào)查數(shù)據(jù)看，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心中，機房設(shè)備的耗電要比IT設(shè)備的耗電高。

這個典型的數(shù)據(jù)中心中，空調(diào)系統(tǒng)消耗了45%的電能，UPS供配電系統(tǒng)消耗了24%的電能，照明系統(tǒng)消耗了1%的電能，IT得到的電能僅占30%。據(jù)廣州省電信規(guī)劃設(shè)計院提供的數(shù)據(jù)，廣州地區(qū)大型IDC機房的空調(diào)系統(tǒng)全年耗電平均占IDC總耗電的45%(2006年數(shù)據(jù))。

機房空調(diào)系統(tǒng)解決方案

在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中主要分為風(fēng)冷直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)、水冷直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)、冷凍水空調(diào)系統(tǒng)、雙冷源空調(diào)系統(tǒng)等空調(diào)系統(tǒng)。

以數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)作為集中冷源的冷凍水系統(tǒng)，該系統(tǒng)與各自獨立的直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)相比，制冷效率更高，設(shè)備更集中更少，運行更穩(wěn)定，故障率和維護成本更低，國外眾多大型數(shù)據(jù)中心普遍使用冷凍水空調(diào)系統(tǒng)。阿爾西提出的數(shù)據(jù)中心自然冷卻冷凍水系統(tǒng)，已通過國家專利審批。它通過冷凍水循環(huán)管路的精心設(shè)計以及控制邏輯的優(yōu)化，實現(xiàn)與機房內(nèi)部空調(diào)氣流組織的完美匹配，并且可以根據(jù)室內(nèi)熱負(fù)荷以及室外環(huán)境的變化，對冷凍水流量進行靈活的調(diào)節(jié)，將自然冷卻的效益發(fā)揮到最大，始終使機組保持高效運行。此套數(shù)據(jù)中心空調(diào)解決方案根據(jù)安裝地區(qū)氣候條件的不同，可以實現(xiàn)20%～50%的節(jié)能，使得運行費用大幅縮減，而為此增加的空調(diào)設(shè)備初投資，最多兩年的時間就可以收回，而整個機組的使用壽命至少有10年。

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)包括不含冷源的冷凍水型機組加冷水主機。

冷水主機分為普通冷水主機和自然冷卻冷水主機。普通冷水主機一般安裝在建筑物的屋頂外部，它們專為室外安裝設(shè)計，不需要增加任何針對惡劣天氣的保護措施。冷水機組按照不同冷凝方式可分為風(fēng)冷和水冷兩種，以風(fēng)冷冷水主機為例，其工作原理是：攜帶室內(nèi)熱量的高溫回水流入機組，進入殼管式蒸發(fā)器，被制冷劑盤管冷卻，熱量傳遞給制冷劑，由后者帶到風(fēng)冷冷凝器中，由風(fēng)機驅(qū)動環(huán)境空氣對其進行強制散熱。按經(jīng)驗來說，一套空調(diào)設(shè)備的平均制冷量為設(shè)計值的85%，剩下部分作為冷量備份。

自然冷卻冷水主機的工作原理：當(dāng)室外溫度較低時，就可以利用冷空氣冷卻高溫回水，不需要開啟壓縮機即可為空調(diào)室內(nèi)機提供冷量，這種方法即為自然冷卻方法。利用自然冷卻效應(yīng)開發(fā)的冷水主機即為自然冷卻冷水主機，它與普通冷水主機最大的區(qū)別在于它在冷凝盤管之前安裝了自然冷卻熱交換盤管，旨在最先利用環(huán)境冷空氣冷卻盤管內(nèi)的回水;另一個區(qū)別在于內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計上，自然冷卻循環(huán)利用三通調(diào)節(jié)閥將循環(huán)水路與自然冷卻熱交換盤管連接起來(如下圖所示)。

其實，自然冷卻冷水主機的工作原理并不復(fù)雜：當(dāng)三通調(diào)節(jié)閥中旁通B完全關(guān)閉，A與C連通時，即自然冷卻熱交換盤管關(guān)閉，全部冷量由壓縮機制冷提供;當(dāng)室外溫度低于回水溫度時，A關(guān)閉，B與C連通，回水通過自然冷卻熱交換盤管預(yù)冷，然后再進入蒸發(fā)器，這樣一來，壓縮機只需部分工作就可以滿足空調(diào)冷量的要求，從而節(jié)省了大部分能耗;而當(dāng)室外溫度足夠低時，A關(guān)閉，B與C連通，通過自然冷卻就可以完全滿足空調(diào)冷量要求，壓縮機停機，這時機組總能耗明顯降低，只包含自然冷卻系統(tǒng)的能耗，總之，室外溫度越低，節(jié)能效果越明顯。如果采用自然冷卻冷水機組比普通冷水機組每年大約節(jié)能20～50%，具體效果如何會因安裝地區(qū)的氣候條件而不同。

風(fēng)冷直接蒸發(fā)式機組，適用于水源缺乏的地區(qū)和無冷卻水系統(tǒng)的場所，可外掛或外置室外機(樓層不高，允許破壞建筑外觀)，系統(tǒng)簡單，無須考慮配備水泵和冷卻塔，也無需集中冷凍水系統(tǒng)為之服務(wù)。缺點為室內(nèi)外機之前的管長受限，在室內(nèi)外機之前接管超過60米時，需要根據(jù)實際情況采取解決方案。

水冷直接蒸發(fā)式機組，適用于有集中冷卻水系統(tǒng)的場所，機組能效比風(fēng)冷式機組高，機組安裝不受室外場地限制。

雙冷源機組具有直接蒸發(fā)式和冷凍水機組的雙重優(yōu)點外，同時還具有冷源相互備份的特點，當(dāng)使用用戶冷凍水資源時，只有冷凍水盤管換熱，壓縮機停止運行，有利于節(jié)能，當(dāng)用戶停止中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)時，機組啟動壓縮機進行制冷。

機房空調(diào)系統(tǒng)分析比較

以一個面積為8000平方米，熱負(fù)荷為500W/平方米的數(shù)據(jù)中心為例，不同空調(diào)系統(tǒng)(自含冷源的風(fēng)冷直接蒸發(fā)式機組、水冷直接蒸發(fā)式機組、普通風(fēng)冷冷水主機加冷凍水機組、自然冷卻冷水主機加冷凍水機組、水冷冷水主機加冷凍水機組、雙冷源型空調(diào)機組)分別在哈爾濱、北京、上海、廣州、貴陽這五個城市運行，分析運行結(jié)果如下：

首先，從空調(diào)系統(tǒng)總投資的比較可以看到，雙冷源系統(tǒng)，具有風(fēng)冷和冷凍水系統(tǒng)雙重特點，投資成本最高，但是系統(tǒng)的運行最穩(wěn)定，維修和維護量最大。

自然冷卻冷水主機加冷凍水機組和普通風(fēng)冷冷水主機加冷凍水機組投資成本相當(dāng)，比雙冷源系統(tǒng)要小很多，自然冷卻冷水機組在不同的安裝條件可以達到不同的節(jié)能效果，所以在合適的安裝地點推薦使用自然冷卻冷水機組，風(fēng)冷直接蒸發(fā)式機組和水冷直接蒸發(fā)式機組的系統(tǒng)總投資最小，風(fēng)冷機組適用于全國范圍內(nèi)，其靈活性最高，而水冷機組更適用于南方地區(qū)。

從上述各空調(diào)系統(tǒng)的比較分析不難看出，對于北方城市的哈爾濱來說，四季分明，冬天溫度相對比較低，所以不適宜使用水冷系列，故在比較時沒有將此種空調(diào)系統(tǒng)考慮進去，在比較中發(fā)現(xiàn)自然冷卻冷水主機加冷凍水機組的節(jié)能效果很明顯，耗電量明顯減少。由于北京一年當(dāng)中大約有30%的時間溫度小于10度，故自然冷卻冷水機組加冷凍水機組可以比普通冷水主機加冷凍水機組節(jié)能30%，和其他空調(diào)系統(tǒng)相比耗電量也明顯減少，節(jié)能效果顯著。對于平均溫度很高的城市如上海、廣州、貴陽等地，很難實現(xiàn)利用環(huán)境溫度實現(xiàn)自然冷卻功能，相比之下不推薦使用自然冷卻冷水主機加冷凍水機組，從系統(tǒng)總投資上可以看出，水冷冷水主機加冷凍水機組的系統(tǒng)總投資最少，在計算設(shè)備制冷總功率和耗電量時，直接蒸發(fā)式機組最高，其中還未考慮加熱器、加濕器等耗電量，同時實際機組工作時直接蒸發(fā)式機組由于室內(nèi)環(huán)境變化會引起壓縮機的頻繁啟動，必然引起耗電量增加，而水冷冷水主機加冷凍水機組這樣的情況沒有直接蒸發(fā)式機組發(fā)生頻繁，所以從能耗角度考慮直接蒸發(fā)式機組也沒有水冷冷水主機加冷凍水機組系統(tǒng)要好，經(jīng)計算，水冷冷水主機加冷凍水機組系統(tǒng)較風(fēng)冷直接蒸發(fā)式機組要節(jié)能可達到20%左右。

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