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現代科技的發展對IT、電信企業的要求逐步提高，為了滿足市場要求和行業競爭，企業必須不斷投入人力物力進行硬件加強，隨之，研發大樓越建越多，研發中心的核心之一——數據中心的規模也在逐步擴大。據Jonathan Koomey博士(美國斯坦福大學和伯克利實驗室教授)的一份研究報告統計，自2000年到2005年，全球數據中心能耗翻了一番，2005年美國所有數據中心的電耗是450億kwh，其中包括了數據中心IT設備、空調制冷設備及其輔助設備的耗電量，直接產生的經濟費用為27億美元，由此估計全球數據中心的能耗所產生的費用為72億美元。根據美國Uptime研究院的分析，數據中心的電耗增長迅速，以每年15%的速度增長，到2005年已經達到了18000 w/(平方米機柜占地面積)。從2000年到2001年，僅一年時間，機柜能耗就增長了1100 w/(平方米機柜占地面積)。數據中心單位面積能耗可由機房總能耗以機房面積得到。
如何以最節能的方式保證系統的穩定運行成為了空調設計師的首要任務。本文針對上海某IT企業研發大樓的4個數據中心進行分析。
1、數據中心概況
該IT企業大樓位于上海郊區某科技園區，共5層，建筑面積約為25 000平方米，本文研究的數據中心位于該大樓5層中心位置，呈長條形布置，4個數據中心的面積分別為286，164，104，144平方米。數據中心的正上方屋頂上設有1.8 m高的平臺，用于放置大樓的空調處理設備，平臺下則放置了與數據中心有關的排風設備以及用于數據中心全新風制冷的新風百葉，既保證了設備的隱蔽性和安全性，又防止雨天或者其他特殊天氣對數據中心空氣調節帶來的影響。
2、空調系統設計
2.1數據中心房間設計溫濕度
數據中心和網絡系統的IT設備會產生大量集中的熱量，同時部分設備對溫濕度的變化極其敏感。根據設備供應商提供的數據，數據中心IT設備要求的運行溫度為24℃，相對濕度為30%~80%。
2.2冷負荷和風量的計算
IT設備消耗的電量為1600 W/平方米，由于IT設備是純散熱設備，所以在計算房間負荷時，考慮所有耗電量轉換為房間冷負荷，且同時使用系數取100%，1#，2#，3#，4#數據中心面積依次為286，164，104，144平方米，從而得出4個數據中心的冷負荷依次為457.6，262.4，166.4，230.4 kW。得到了數據中心的冷量和房間的溫度后，可以算出所需風量，但是值得注意的是，在計算總送風量時，根據設計經驗，增加10%的系統冗余以保證由于漏風等造成的損失。
2.3系統方案的確定
在進行空調設計時所遵循的核心思想是在滿足設備基本溫濕度要求的基礎上，盡可能多地運用各種節能手段并且兼顧系統的穩定性、安全性和多樣化。
2.3.1風側系統
1)在數據中心內設置單獨的機房空調(CRAC)，既承擔數據中心的冷負荷，又獨立于整個大樓的送風系統。
2)機房空調采用下送上回方式，冷風被送至架空地板下，整個架空地板作為一個送風靜壓腔，然后通過架空地板上設置的部分穿孔將冷風送至房間內各IT機柜。房間回風通過吊頂回風口進入吊頂內，整個吊頂以上的空間作為一個回風靜壓腔，然后通過安裝在吊頂內的回風風管，回到機房空調進行循環冷卻。
3)由于大樓的中央冷水機組于室外溫度低于15℃時停止使用，但是數據中心全年需要供冷，所以給數據中心設計了新風供冷模式。4個數據中心分別位于大樓兩側的頂樓，給新風供冷模式時引進大量新風創造了有利條件。采用新風供冷模式節約了大部分的能源，筆者將在第5.2節進行分析。
4)機房空調全部安裝新風管道并且在數據中心配備排風機進行排風以引進新風，排風機設置變頻器以控制數據中心的房間始終為正壓10 Pa，并且在過渡季節，通過變頻器實現新風供冷，減少了風機的能耗。
2.3.2水側系統
1)在正常模式下，1#~4#數據中心的所有機房空調采用冷水制冷而非乙二醇溶液制冷，以得到更高的COP。冷水來自中央制冷機房的冷水機組，冷水管路單獨設置，以確保與整個大樓空調的管路系統相互獨立。
2)考慮到會出現冷水系統故障或者節能模式運行的排風機故障或者大樓意外斷電，為3#數據中心和位于其他樓層的弱電機房單獨設置了一臺冷水機組(以下簡稱“高效冷水機組”)，以確保這些房間的空調能24 h不間斷供冷。高效冷水機組要求同樣具有新風供冷模式，該機組的制冷劑為乙二醇溶液，當室外溫度低于乙二醇溶液回水溫度時，通過機組自帶的三通閥將部分乙二醇溶液引入機組的新風冷卻盤管，利用新風進行直接供冷，以達到節能的要求。
3)考慮高效冷水機組會出現故障，設置一臺帶應急電源的風冷冷水機組作為備用。
4)由于中央冷水機組提供普通冷水而高效冷水機組和備用冷水機組提供的是乙二醇溶液，所以要求機房空調采用雙盤管雙水源系統，以達到兩種模式的切換。
2.3.3空調系統的控制
1)每個房間的機房空調設置集中控制器，以執行機組切換、風機啟停、水閥開關、盤管切換等動作。
2)高效冷水機組和風冷冷水機組內置控制器對壓縮機、冷凝器等進行控制以實現機組的正常運行。
3)設置一個專門的中央控制器用于采集機房空調的集中控制器的數據，切換高效冷水機組和風冷冷水機組并采集其運行狀態信號，控制機房空調新風管風閥以及回風管風閥的開度，控制排風機以及變頻器。
2.4氣流組織設計
在參考了Greenberg Steve博士(伯克利實驗室)對美國22個數據中心進行研究統計所得出的一系列經驗以及筆者總結以往所參與的項目和實踐中的幾個經常出現的問題，提出下問題：
1)機柜上部以及周圍的熱空氣短路;
2)由架空地板上電纜橋架穿孔不密封造成空調送風短路;
3)不合理的穿孑L地板的布置;
4)不合理的機房空調的布置;
5)不合理的吊頂空間高度的設計造成過小的回風靜壓箱;
6)架空地板下大管徑的水管或者地板下大量的橋架造成的空氣阻塞;
7)機柜前后左右開放的面板造成的空氣從熱通道到冷通道的短路;
8)由于機柜內部阻力太大造成的內部空氣不流通;
9)一些IT設備采用側面排風(通常機柜都是前進風，后出風);
10)架空地板下靜壓腔的壓力過大或過小。
要避免以上所列舉的問題，筆者在設計時考慮
采用如下措施：
1)使用“熱通道和冷通道”的安排模式來設置機柜，在冷通道的兩邊分別沒置兩排機柜，使得兩排機柜的進風口面對面設置，同樣，兩排機柜散熱的背面也分別在熱通道的兩側;
2)密封所有架空地板上的橋架開孔和橋架上由于電纜分布而設置的開孔;
3)封住機架上所有不使用的空間或者面板上的開孔，減少冷量損耗以及避免空氣短路;
4)合理布置穿孔地板的位置;
5)合理布置機房空調的位置以及正確計算空調的各個參數;
6)盡量在機柜的上方收集所有的熱風進入吊頂靜壓箱內或者風管內;
7)將架空地板下大管徑的水管布置在機房空調的后下方(設備機房可以稍稍離開墻壁以留出地板下的空間布置水管);
8)架空地板下的主橋架也盡可能靠墻布置。克服以上所列各種氣流布置的注意點和問題后所布置的典型的機房氣流分布見圖2。
綜上所述，在選擇穿孔地板類型時應綜合考慮透風率和布置位置并且選擇帶風閥的穿孔地板以便日后進行風量平衡調試。然后根據機柜的冷量計算所需風量，以2 m/s的速度計算穿孔板所需的截面積，從而確定穿孔板的數量。吊頂回風格柵的設置同樣遵循以上原則。
3、設備選型
3.1機房空調的選型(見表1)
3.2排風機的選擇
由于過渡季節大量的新風會進人數據中心，需要強制排風，并且考慮到數據中心的防排煙設計，所以設置屋頂排風機。根據機房空調的數量配備排風機，每個數據中心設置1臺排煙風機。排風機技術參數見表2。EF/1~3服務于1#數據中心，EF/4~8服務于2#數據中心，EF/9~10服務于3#數據中心，EF/11~13服務于4#數據中心。
4、數據中心的能耗分析
對4個數據中心的用電能耗進行了統計，見圖3(圖中數據是系統正常運行的能耗，其中沒有考慮任何節能措施)。IT設備的能耗為9784920kWh/a，制冷機能耗為1900920 kWh/a，機房空調的能耗為765624 kWh/a，冷卻塔和水泵的能耗分別為131400kWh/a和486180 kWh/a，照明能耗為61145 kWh/a。該圖直觀地顯示了數據中心設備耗電量的分布，其中，主要的耗電設備是IT設備本身，所占比例為74.5%，除了要求在IT設備的設計和選型時盡量選擇節能型產品外，25%的空調耗電量也不容小覷，空調工程師應該運用各種節能手段對空調系統進行優化。
5、節能系統運行費用和投資回收期
數據中心主要的節能模式有中央機房冰蓄冷系統、過渡季新風供冷系統、一次泵變流量系統、冷卻塔風機帶變頻器、帶新風冷卻的高效冷水機組、帶高效盤管的機房空調、高效的電動機等等。本文將就節能比較顯著的冰蓄冷和過渡季新風供冷系統進行運行費用的比較和投資回收期的計算。
5.1采用冰蓄冷系統的節能分析
在該項目的空調設計中，配備了2臺1 050kW的冰蓄冷螺桿制冷機和1臺容量較大的制冷機。22：00~06：00由2臺冰蓄冷螺桿機進行蓄冰，白天電價高峰時進行融冰，供應部分數據中心的空調制冷，考慮到數據中心的冷量非常穩定且集中在特定房間內，所以可以平均分配夜間所蓄冷量(忽略融冰損耗)，表4，5對冰蓄冷設備的運行費用進行了分析，其中蓄冰空調系統耗電量的計算只包含了制冷機房中的乙二醇主機、乙二醇泵、冷卻水泵，冷卻塔的電量，常規空調系統的耗電量只含制冷機房中的冷水機組、冷卻水泵，冷卻塔的電量，其他部分兩種系統基本相同，故未加考慮。
5.2采用過渡季節新風供冷系統的節能分析
當采用過渡季節新風供冷系統時，服務數據中心的設備僅僅是機房空調和排風機。當室外的比焓小于數據中心內的比焓時，空調的冷源可以采用室外的新風。第2.3.1節中提到過4個數據中心將設置1臺中央控制器控制整個數據中心空調系統，室外的比焓值由空氣處理設備系統上的新風溫濕度傳感器采集并計算得到，室內的比焓值為干球溫度15℃，相對濕度26%時的比焓，中央控制器根據逐時的比焓比較來控制新風閥門的開度。根據上海市歷年逐時溫濕度數據統計了過渡季節新風供冷系統和日常冷水機組系統的運行費用，并對前者的運行成本進行了分析，結果見表6。從表中可以看到，兩種系統運行時間相同，全年不間斷運行，但耗電量不同。當采用過渡季節新風供冷系統時，耗電量的計算只包含了排風機的用電量，如表中的1—4月和11，12月;當系統的冷源來自中央冷水機組系統時，耗電量包含了1臺1050kw螺桿冷水機組、冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔。由于其他部分，例如機房空調，無論何種系統運行能耗都相同，故未考慮其耗電量。
應用以上兩種節能方式后，全年能耗統計見圖4。兩種節能方式節約的費用約為14 000 000元/a，約占整棟大樓窄調年運行費用的30%。
6、系統的安全可靠性和多樣化
為了保證3#數據中心全年8760 h不間斷電源(同時也兼顧該大樓中其他有同樣要求的房間，如弱電機房、程控交換機房和UPS房間等)，設計中對機房空調進行互為備用和多樣化的設計。
6.1設備的備用和多樣化
1)各數據中心分別設置了N(表示實際需要的設備臺數)+1臺機房空調，保證任何1臺機器發生故障都能有備用空調替代，同時也合理分配了每臺機房空調的運行時間，機組的控制和切換由各數據中心的機房空調的集中控制器進行。
2)對于要求較高的3#中心，機房空調配備了雙盤管，冷源分別來自不同的冷水機組。設計三路冷水系統，分別是來自中央冷水機組，高效冷水機組以及風冷式冷水機組，保證在任何時候都有兩路不同的冷水可供應。中央冷水機組水泵采用一次泵變流量的集水系統，所有水泵互為備用;高效冷水機組和風冷冷水機組分別設置了一用一備水泵。
3)各數據中心分別設置了多臺機械排風設備，不僅在過渡季節可利用新風供冷，而且在最差的情況下(假設所有冷水機組都故障的情況下)機房有最基本的通風功能。對于3#數據中心，機房空調和排風機都配備了應急電源。
6.2系統的備用和多樣化
除了設備的互為備用和多樣化以外，空調系統也要求互為備用和多樣化，本項目中根據溫度提出了不同的方案，每種方案都保證有3套系統可以互為支持運行。
1)當室外溫度高于15℃時，機房空調制冷可以來自于：中央冷水機組+機房空調(冷水盤管)，高效冷水機組+機房空調(乙二醇盤管)，風冷冷水機組+機房空調(乙二醇盤管)。
2)當室外溫度低于15℃時，機房空調制冷可以來自于：排風機+機房空調(無冷水)，高效冷水機組+機房空調(乙二醇盤管)，風冷冷水機組+機房空調(乙二醇盤管)。
6.3系統的應急性統
對于3#數據中心，所有服務于機房的空調排風機和風冷冷水機組都設有來自柴油發電機組的應急電源。當大樓兩路供電都失效時，機房空調的制冷來自：風冷冷水機組+機房空調(乙二醇盤管)，排風機+機房空調(無冷水)。
7、結語
對上海某研發大樓4個數據中心的空調系統設計進行了介紹，并從系統設計、氣流分布、設備選型、節能方案、系統的安全可靠性和多樣化等方面進行了詳細描述。數據中心是個純顯熱的環境，并且要全年連續運行，根據這一特點，過渡季節新風供冷系統的合理應用可以節約運行費用，結合空調本身的一些節能措施，如冰蓄冷冷水機組、高效率的帶全新風制冷的冷水機組、設備中高效率的電動機以及一套智能的獨立的數據中心空調的中央控制器，種種節能系統的結合，使得整個數據中心的空調系統設計得到了優化，更使得數據中心的日常運行費用得到了大幅縮減。這種節能設計理念也給空調設計工作者拓寬了思路，更給數據中心運營者提供了更多合理選擇。最后，不得不提的是數據中心的空調的多樣化和安全性，只有具備了一個多樣化的系統，使得數據中心的空調系統能夠確保全年不問斷運行，以上種種節能方案才能得以實現。
來源：機房專用空調 http://lbjsjzl.com/