赵维刚
（国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250000）
近年来，随着云计算、大数据、人工智能和5G等新技术的广泛应用，数据中心得以快速发展。数据中心需要全年制冷，其中空调系统能耗平均占数据中心总能耗的40%左右[1−3]，节能减排任务突出，尤其是在“双碳”背景下，数据中心空调系统节能技术的研究和应用成为行业内备受关重的热点。本文以山东某数据中心工程为例，介绍了工程概况和空调系统运行模式，设计了数据中心空调系统方案，通过仿真验证了方案的可靠性。
该工程规划建设4个数据机房，机房总面积约2000 m2，安装机柜约750台，单机柜功率为5 kW，总功率约为3750 kW。依据高效、节能、绿色、安全、可靠的原则，选用先进可靠的空调制冷系统，PUE（pow⁃er usage effectiveness，PUE）值约为1.28，满足山东省新建数据中心PUE值不高于1.3的要求。
本工程属于中小型数据中心，机房精密空调适合采用风冷变频氟泵精密空调[4]，其组成简单，维护要求低。本工程选用的风冷变频氟泵精密空调配置全封闭直流变频氟泵自然冷却模块，具有3种运行模式。
1）压缩机制冷模式。当室外温度高于20℃（可调）时，仅启用压缩机进行制冷，满足室内服务器机柜对温度的要求。
2）混合制冷模式。在过渡季节，启用混合制冷模式，通过氟泵增压辅助压缩机变频运行，减小压缩机功耗，降低冷凝温度，提高制冷量，增大系统能效比。
3）自然冷节能模式。当室外温度低于15℃（可调）时，空调机组可根据室外环境温度和室内负荷需求智能判断，在满足室内制冷需求的条件下，自动切换至氟泵自然冷节能模式。以低功率氟泵系统完全代替压缩机运行，充分利用室外冷源，可降低空调机组制冷能耗。
该空调系统在山东地区全年一半以上的时间能以氟泵自然冷节能模式运行，与传统机房空调系统相比，全年节能效率可达45%以上。
3.1 空调末端气流组织
机房空调末端形式为风冷行间精密空调，并采用封闭冷通道，机柜布置采用面对面、背对背方式，风冷行间精密空调嵌入机柜安装在冷通道机柜列中水平送风，具有一定的优势。
1）缩短空调送风和回风路径。将机房精密空调安装在机柜行列间使制冷设备紧靠热源，可缩短送风和回风的路径。空调送风和回风过程中路径缩短，风阻减少，可降低风机功耗。
2）减少冷风与热风混合。由于采用封闭冷通道微模块，行间精密空调送风先进入微模块内的封闭冷通道，然后冷风从机柜正面进入机柜内吸收热量，机柜背面出来的热风则就近进入空调回风口，气流组织依次循环。封闭冷通道可避免冷热风混合，减少冷风冷量的损失，行间空调送风温度与机柜前的进风温度更为接近，将空调送风温度提高至24～26℃，提高空调制冷效率。另外，冷热风混合减少，所需空调的送风量也会减少，通过变频调速EC（electrical commutation，EC）风机调节风量，可降低风机能耗。
3）高显热比。紧靠热源的行间空调具有较高的显热比，可通过提高送风温度避免空调蒸发器盘管结露导致的被动除湿。减少被动除湿，使行间空调的冷量更多用于冷却IT设备的显热，空调显热比越高就越节能。
4）避免设备过渡选型浪费。由于行间空调紧靠热源，其与热负荷的匹配更精确，行间精密空调系统过度选型现象低于房间级精密空调系统。
3.2 空调室外机布置和散热优化
考虑到精密空调室外机布置空间紧张，所有室外机均采用模块化集中式冷凝器和内部集成自然冷却氟泵，集中式冷凝器可并排摆放，较传统室外机减小50%的占地面积。
为提高夏季空调系统的制冷效率和降低室外机噪音，本工程精密空调室外机采用雾化喷淋技术，配置有效处理水量为8 m3/h的全自动软化水装置2台，增压泵2台。
雾化喷淋是在精密空调室外机翅片管冷凝器前加装雾化喷嘴，向翅片管喷水雾。一方面水雾蒸发吸热，降低冷凝器入口空气干球温度；
另一方面水雾使翅片管外表面湿润，冷却管内的制冷剂，翅片管表面水蒸发可提高其空气侧的表面传热系数，增大换热温差，提高冷凝器的换热效果。雾化喷淋技术主要优势为：
1）能有效解决热岛效应，避免夏季空调压缩机高压保护动作引起机房宕机。该技术适合冷凝器安装面积有限、安装数量较多的工程。
2）能降低空调室外机噪声约4 ～12 dB，可避免噪声扰民。
3）可减小空调压缩机功率，提高空调能效比，节省电费。
3.3 机房湿度控制
根据工程所在地区干燥的气候特点，该工程选用高效、节能型湿膜加湿机，替代传统的空调内置式电极加湿器，可节约90%以上的加湿能耗，同时湿膜加湿过程为等焓加湿过程，无需加热，不增加室内空调冷负荷。
加湿机采用无机湿膜以及EC风机，加湿水源采用软化水，可防止结垢，保证空气质量。在给水主管道上，设置电磁阀和旁通装置，系统检测到漏水时，可关闭电磁阀切断水路，设置的旁通装置可在电磁阀损坏时起到旁通作用。
机房精密空调无加湿模块，可避免给水管道直接接近服务器机柜。由于精密空调本身具有除湿功能，不需要再单独配置除湿设施，通过湿膜加湿机和空调联锁调控机房湿度，可节约设备投资，并实现机房湿度精准控制。
4.1 三维建模
以本工程某机房为例，利用数据中心CFD（com⁃putational fluid dynamics，CFD）仿真专用软件进行模拟，得出相应的仿真报告，验证空调制冷方案的制冷效果。该机房共配置5套封闭冷通道微模块，每个封闭冷通道中风冷行间精密空调配置为5主1备，单个空调制冷量为51.2 kW，风量为10 200 m3/h。
4.2 CFD仿真结果分析
根据设计要求，对模型中各设备技术参数设置如下：服务器功率为5 kW，空调制冷量为51.2 kW，空调风量为10 200 m3/h，空调送风温度为23℃。分别设置运行和备用空调后利用计算机进行迭代计算，根据计算结果生成机房空调气流组织图和温度场云图。
4.2.1 机房空调气流组织图
距离地板不同位置处空调气流组织图如图1和图2所示。由图可见，该机房各微模块内的空调送风气流能够比较均匀地分配到各个服务器机柜中，气流组织良好。
图1 距离地板1.0 m层空调气流组织图
图2 距离地板1.8 m层空调气流组织图
4.2.2 机房温度场云图
距离地板不同位置处机房温度场云图如图3和图4所示。由图可见，该机房内各机柜的进风温度均在27℃以下，满足规范中数据中心机房机柜的进风温度处于18～27℃范围内的规定[5]，各微模块内无明显热点现象，说明该空调制冷方案具有良好的制冷效果，能够保证机房安全稳定运行。
图3 距离地板1.0 m层机房温度场云图
图4 距离地板1.8 m层机房温度场云图
该工程机房采用风冷变频氟泵精密空调系统，最大限度使用自然冷源，末端采用行间空调水平送风和封闭冷通道微模块方式，可以形成良好的气流组织；
空调室外机采用集中式冷凝器和雾化喷淋技术，可进一步降低占地面积、制冷能耗和噪音；
机房湿度由湿膜加湿机和精密空调除湿联锁高效调控。机房CFD仿真结果表明该空调系统制冷效果可以保证机房安全稳定运行。
