浅谈数据中心维谛精密空调系统节能优化-维谛UPS电源维谛蓄电池销售中心
随着IT技术的迅猛发展，通讯业务量的快速增长，5G网络建设的快速推进，数据流量将出现井喷式增长，数据中心的能耗将大幅升高，这给企业带来沉重的经济负担，如何利用节能技术和管理手段降低数据中心的能耗，就成了运营商关注的重点。
各级政府对节能减排及数据中心能效非常重视：
国务院印发的《十三五国家信息化规划》要求：
到2018年，新建大型云计算数据中心电能使用效率（PUE）值不高于1.5；到2020年，新建大型云计算数据中心PUE值不高于1.4。
2018北京市政府明确规定：要求全市层面禁止新建和扩建互联网数据服务、信息处理和存储支持服务中的数据中心(PUE值在1.4以下的云计算数据中心除外)，中心城区全面禁止新建和扩建数据中心。
上海、深圳、浙江等地也都出台了类似的规定。因此，面对不断降低PUE值的要求及企业运营的成本压力，降低数据中心能耗已成为行业的共识。维谛精密空调系统的能耗是除IT侧的能耗之外最大的，维谛空调系统的节能将是数据中心节能的重点，特别是在老旧数据中心的改造上，维谛精密空调系统节能的潜力非常巨大。
一、数据中心节能的基本策略
要实现数据中心的节能和高效运营，我们需要遵循一些基本的策略，这些策略也是我们进行维谛精密空调系统节能改造时，必须考虑的问题。
1.安全第一
无论采用什么节能技术，机房安全应该放在首位。节能技术必须是经过充分验证的，安全、可靠的技术，充分贯彻安全第一，预防为主的思想。
2.全生命周期成本总体最优
忽视产品全生命周期成本是企业的通病，我们的维谛精密空调设计及节能优化，也应考虑建设成本、运行成本、维护成本等，努力做到全生命周期成本最优。如果从维谛空调系统的整个生命周期来看，维谛精密空调系统的产出和总投入之比，就相当于热管理系统全生命周期的大能效，我们希望可以尽量优化维谛空调系统的全生命周期的大能效。
3.精益运营管理
节能不单单是技术层面的事，同时也需要我们从管理层面介入。精益的运营管理就是一个很好的途径。精益思想的核心是消除浪费，创造财富，这与我们节能的理念不谋而合。精益是我们的价值观，但是价值观要落地，还需要方法论，如何建立、有效运作及不断改进我们的精益运营管理系统就显得尤为重要了。精益运营管理需要建立相应的管理体系，通过全员的努力，持续不断的改进，不断地消除数据中心中的各种浪费，从而提升客户满意度和机房利用率，实现节约成本，提高效益。
二、数据中心节能改造的方向
1.数据中心主设备节能—节能效果显著如图1所示，从某数据中心能效瀑布图可以看出（能耗瀑布分布与各设备效率、工况、负荷率、气流组织、环境等有关），服务器、网络等IT主设备是数据中心能耗的源头，其他环节对能源的消耗都是为IT主设备服务的，源头每节省1度电，整个系统将节省2.84度电（包含维谛精密空调能耗的1.07度电），所以，提升服务器、网络等IT主设备的能效（如选择能耗更低的IT设备、提升服务器运行效率等措施），是数据中心节能首先要考虑的方向，虽然不能降低PUE值，但是能够大大降低数据中心能耗，可这种节能思路往往因过分关注PUE值而被大家忽略掉。
图1：某数据中心能效瀑布模型
2.数据中心维谛精密空调系统节能—最高效的PUE优化途径数据中心能耗中，除IT主设备外，维谛空调系统是最大的能耗大户。
如图2所示，以一个典型数据中心的能耗分布为例，IT设备占总能耗的52%，机房维谛空调系统的能耗在机房总体能耗中占据相对较高比例（38%），数据中心维谛空调系统的节能改造，是机房节能改造并降低PUE值的关键。
图2：XX典型数据中心的能耗分布
如图3所示，某风冷维谛精密空调满载运行时的能耗分布，我们可以初步得出压缩机和风机是主要的耗能部件，但是其能耗高的成因却各不相同。
图3：XX精密空调满载运行时的能耗分布若要降低维谛精密空调系统能耗，需要分析各部件的运行及耗能原理，进行针对性的改进，才能有效的降低维谛空调系统的能耗，提升维谛空调系统的能效比，主要从下面几个方面来优化：
动力侧优化（主要是压缩机、风机、水泵的优化）：
一方面是降低压缩机、风机、水泵的运行时间例如：维谛精密空调间协作运行，自然冷源的利用；另一方面是提升压缩机、风机、水泵的运行效率。例如：采用高能效的变频压缩机，避免了在低负荷时，定频压缩机能效低的问题，实现按需供冷。
热交换器及管路优化：
提升热交换器的换热效率，解决传统热交换器的痛点问题是我们关注的重点。常见的优化方式有：通过增大热交换器的换热面积，改进热交换器的材料及结构，优化管路系统，从而提升热交换器换热效率，消除热岛效应/高压告警，降低整机能耗，如图4所示。
另外，通过冷凝器的优化，譬如，增大换热面积，提升换热能力，可以降低室外风机转速，从而降低风机噪音。
图4：高效微通道换热器气流组织优化：
机房气流组织常见的问题有：阻挡物导致气流不畅、冷热风混合，旁流和环流等。气流组织优化的基本目标是消除旁流、环流、冷热风混合、降低压缩机和风机能耗、温度场更加合理等。
机房气流组织优化的常用的工具和方法：CFD仿真、冷热通道隔离、变风量送风、服务器风扇变转速、精确送风等。合理利用这些工具、方法，可大大提升数据中心气流组织的合理性，减少不必要的能耗，消除局部热点问题和冷热风混合问题，使温度场更加合理。
图5：传统气流组织方案VSPEX4封闭冷通道方案控制侧优化：
不同的运行策略，其运行时间越长其差异越大。智能控制，自动学习优化维谛精密空调系统的运行效率，优化维谛空调群组的运行策略是目前控制系统主要的优化方向，基于大数据下的运行策略优化、故障预测，也是未来控制侧节能优化发展的一个方向。
热交换器及管路优化、气流组织优化和控制侧的优化，优化的效果最终主要体现在维谛空调系统能耗的下降，特别是动力侧能耗的下降。
下面是一些数据中心常见的维谛空调节能改造工具和方法，主要包括压缩机、风机、室外机、运行策略、气流组织、热仿真、加湿系统等方面的优化改造及应用。
1.压缩机节能
降低压缩机的运行时间尽可能利用自然冷源替代或部分替代压缩机制冷，从而降低压缩机运行时间，达到降低压缩机能耗的目的。
空气侧自然冷却：利用室外空气，如新风技术、氟泵双循环维谛精密空调、间接蒸发冷…；水侧自然冷却：利用湖水、海水、河水、自来水…进行冷却
氟泵节能改造是在原有的维谛精密空调系统中并入节能模块，并对相应的管路系统、控制系统进行改造。以Vertiv的二代氟泵技术为例，节能运行模式如下：
压缩机模式：在高温季节（例如：SDC2在室外温度>20度时），维谛空调在压缩机模式制冷。
泵模式：如图6所示，一般情况下，在过渡季节（例如：SDC2在室外温度<10℃时），在满足室内制冷需求条件下，自动切换压缩机系统进入节能泵运行，用高效、环保、低功率的变频制冷剂泵代替原有的压缩机，充分利用室外环境冷源进行制冷，这样可以大大降低维谛精密空调能耗；
压泵模式：一般情况下，在低温季节（例如：SDC2在室外温度≤20℃时），即可开启混合制冷模式，通过变频泵增压，提高供液压力，增强冷媒流量，增加节流前的过冷度，既消除部分制冷剂“闪发”，又提高了蒸发压力，可提升系统能效比和制冷量，另外，将制冷系统的冷凝压力适当的降低，来降低压缩机的功耗，进一步提升维谛空调的能效比；维谛技术的最新一代氟泵技术采用了全变频系统，支持高回风温度的应用场景，最高可支持到40℃，更高的显热比，可实现干盘管运行可实现按需供冷，实现高效节能，精确控制，结合封闭通道可达到更高的效率。
图6：XX氟泵空调（泵模式）工作原理简图
间接蒸发冷维谛精密空调间接蒸发冷维谛空调具有可以很好的控制机房的湿度和洁净度，节能时间长等优点，是数据中心维谛精密空调系统自然冷源利用的典型代表之一,特别适用于在我国西部、北部地区。维谛空调一般安装在机房四周或屋顶，大大节约了室内维谛空调系统安装的空间。可以根据现场的需求，进行定制化、模块化、工程产品化的设计，在工厂进行预制和测试，从而达到简化交付，缩短工期的目的。当然，这种类型的维谛精密空调尺寸较大，初投资较高，对水的需求也较大。
以Vertiv的方案为例：间接蒸发冷却维谛空调可以根据外部环境条件自动选择合适的工作模式。主要有三种运行模式：
图7：XX间接蒸发冷空调
干工况
湿工况
混合工况
干工况：低温季节（譬如：干球温度<15℃，湿球温度<15℃））采用干工况（无需喷淋，无需开启机械制冷系统），利用室外低温空气来冷却室内的热空气，它采用空气-空气热交换器，室内外空气不直接接触进行热交换,确保了数据中心空气不受污染。机房内的热风通过空气-空气热交换器后，热风被冷却至设定温度后，送回机房，实现了完全自然冷却。
湿工况：过渡季节（譬如：干球温度>15℃，湿球温度<15℃）采用湿工况，(例如：通过向外部空气侧喷淋，结合空气-空气换热器进行间接热交换)，通过将水高压雾化或将水喷淋在空空换热器上（室外空气蒸发冷却后，会从干球温度降低到湿球温度，水蒸发会吸收周围热量，从而降低室内空气温度），利用蒸发降温结合空-空换热，实现不需要开启压缩机或减少压缩机能耗的目的。
混合工况：外部空气温度较高的时候（譬如：干球温度>15℃，湿球温度>15℃），仅依靠蒸发冷却，制冷量达不到100％时，采用混合运行模式，需集成的传统的制冷模块弥补冷量不足的部分。例如VERTIV的EFC间接蒸发冷维谛精密空调，备份的变频压缩机可根据实际运行情况，随时调整运行状态，从而达到尽量降低压缩机的能耗的目的；随着IT设备允许的运行温度范围扩展，结合外部环境条件，合理定义数据中心所需的温度和湿度，可以获得更大的节能。另外，高温服务器的应用，使得完全自然冷却变成了可能。采用高能效的变频压缩机，或进行压缩机变频改造各数据中心的上架率差异比较大，《全国数据中心应用发展指引（2017）》根据全国数据中心建设使用情况的调研结果统计，截至2016年底，我国在用数据中心共计1641个，总体装机规模达到995.2万台服务器，平均上架率为50.69%。在数据中心的全生命周期里，热负荷的变化也是非常显著的，其中有外界环境气温的变化所致，也有服务器的数量、负荷的变化导致。如何让维谛空调在部分负荷下保持高效运行，直接影响到数据中心的节能。
图8：全国数据中心应用发展指引（2017）
如图9所示，是某品牌维谛精密空调COP与负荷率关系曲线，在部分负荷下，变频压缩机的能效优于定频压缩机。
图9：XX空调COP与负荷率关系图
定频维谛精密空调采用压缩机起-停控制，系统温度波动会比较大。变频空调的压缩机无需频繁的启停，温湿度控制更加精确，可实现冷量输出无极调节，维谛空调随负荷变化自动调节制冷量与风量，按需供冷。在部分负荷下，变频维谛精密空调相比定频空调有着更高的能效比。常见的变频压缩机有：变频涡旋压缩机，磁悬浮变频压缩机，螺杆式变频压缩机，离心式变频压缩机等。例如：VERTIV的PEX4.0/PEX4S维谛空调便是采用全变频技术（采用变频涡旋压缩机，室内/外风机采用变频EC风机，变频制冷剂泵等）。
不同的运行策略，机组运行时间越长，其差异越大，不当的运转策略会浪费更多的电量，因此，选择合适的运行策略，才能最大程度降低压缩机的总能耗；例如：依据现场的实际情况和维谛空调不同的效率曲线，合理的选择运行机组，分配每台机组一个合适的负载率，不同的运行机组及负载率组合，会有一个最优组合，这个组合可以使维谛空调的总体功率最小。
2.EC风机改造
传统的FC风机为三相异步电机，存在能耗较高，无法调节风机转速，皮带容易断裂等问题。通过将维谛精密空调的FC风机改造为高效的变频EC风机，可以实现较好的节能效果（相同风量下比FC风机节能25%以上），另外，EC风机还具有风量可调（可调低风速以降低机房能耗，或适当提升风速，以解决原机房风压不足的问题），可靠性更高等优点。EC风机改造较为简单，在全球已经有了大量的应用案例。
图10：EC风机改造示意图
3.室外机的节能：
传统的风冷平面型冷凝器在实际应用中，容易出现下述问题：散热不好、室外机高压告警频发，占地面积大，噪声大等问题。Vertiv的集中式冷凝器主要做了以下几方面的改进，如图11所示:
传统冷凝器采用AC风机，如果采用变频EC风机，大致可节能15～54％；采用V型冷凝器的设计，可以减少室外机的占地面积，散热效果更好，同样的占地面积还可以摆放得更宽，可以有效的消除热岛效应和因此产生的高压告警问题，还可以降低整机的能耗；
对于噪音问题，也可以通过加大冷凝器盘管的换热面积，增加喷淋等措施来解决，这类措施对节能也有一定的助益；
图11：集中式冷凝器
图12：XX电信集中式冷凝器案例
此外，还可以通过改善维谛精密空调安装环境，降低冷凝压力来提升空调系统的能效，例如：将有热岛效应的室外机，安装在通风散热更好的地方；风冷改造为水冷或双冷却（水冷+风冷，如图13所示），从而降低能耗，也解决了室外机噪音大的问题。
图13：双冷却改造
4.空调群控
群控可以让群组内的维谛空调实现自动控制和集中管理，如图14所示。
动态调整空调的运行状况，避免机组之间的竞争运行，降低冗余机组不必要的运行和冷量浪费，延长压缩机的使用寿命，实现安全、节能，减少人为控制，提高管理效率的目的。常见的维谛精密空调系统的群控：维谛空调的群控、冷水主机的群控，甚至可以对整个中央维谛空调系统的主要部件进行集中管理和控制，包括冷水机组、水泵、冷却塔等进行群控；
图14：群控效果示意图
5.冷热通道隔离
如图15所示，冷热通道隔离将冷热气流隔离，
主要的优点有：
极大减少冷风泄漏，消除了环流、旁流与冷热风混合，提高了冷风利用率降低了建筑结构的热负荷适当调整维谛精密空调的运行策略，提升空调系统的运行效率，例如：提升维谛精密空调的送回风温度，冷冻水机组也可以适当提升供水温度可以适当降低风机的转速，风机功耗下降也可延长自然冷源利用的时间，有助于进一步的节能此外，还可以结合CFD、群控、EC风机改造、列间维谛精密空调等，进一步降低维谛空调系统的能耗。冷热通道隔离后，日常管理也需要对相关内容的巡视，例如：盲板是否有缺失，冷气是否有泄漏。
图15：冷热通道隔离案例
6.CFD热仿真
GB50174-20177.3.1明确要求：主机房维谛精密空调系统的气流组织形式，应根据电子信息设备本身的冷却方式、设备布置方式、设备散热量、室内风速、防尘和建筑条件综合确定，并应采用计算流体动力学对主机房气流组织进行模拟和验证。如图16所示，我们可以充分利用CFD，模拟、预测各种方案对机房热环境的影响，帮助我们制定科学、合理的最优方案。CFD热仿真的2个主要应用方向：设计验证、应用评估。
1)设计验证：对设计方案进行仿真评估，有助于方案的进一步优化，减少设计问题带来的风险及后期整改的投入；
2)应用评估：维谛空调故障风险的模拟分析，机房气流组织分析，局部过热问题的解决方案评估，预测扩容、改造效果预测评估，对维谛精密空调利用率进行分析，群控方案的评估等。为制定和优化节能改造方案提供帮助，还可以帮助我们制定最高效的运行策略。
图16：CFD热仿真应用
7.减少过度冷却
GB50174-2017规定的冷通道或机柜进风区域的温度为18℃-27℃。在机房条件允许的情况下，适当的提高维谛精密空调的回风温度，可以有效降低压缩机能耗，提升维谛空调的能效比。目前很多机房存在过度冷却问题，个别机房数据中心的服务器入口温度约20℃左右，导致了维谛空调运行效率低下，造成不必要的能耗增加。导致过度冷却的原因有很多，例如：机柜间负荷差异大导致的局部过热、冷热通道没有隔离、出风量不足等，都有可能导致机房设定温度偏低。采用有针对性的方案来应对，这样方可以有效解决机房过度冷却问题，提升维谛精密空调的运行效率，例如：有的机房虽然做了冷通道封闭，但是其热通道的温度也都在20-25℃之间，其主要原因是机柜的负载较低，而冷风温度过低或风量过大，导致冷量供给大于需求，造成维谛空调冷量的浪费，这种情况可以适当调低服务器散热风扇的转速，提升冷通道的送风温度，降低不必要的能源消耗。对于冷冻水维谛精密空调的供水温度，在冷水机组及其它相关条件允许的情况下，尽可能提高冷冻水的温度。
8.消除局部热点
局部热点是机房较为常见的问题，局部热点问题大致可以认为是局部的冷风供给量少于需求导致的，但是造成冷风量供给不足的原因却各不相同。部分机房采用直接增加整个机房的供冷量，增加维谛精密空调的数量或降低机房的温度来解决，虽然问题解决了，但是这种办法却未必是最合适的，一方面可能增加投资，另一方面也增加了维谛空调的能耗。我们要透过现象看本质，找出问题的根本原因，针对根本原因提出更合理的解决办法。
局部热点问题常见的原因主要有：
1)由于障碍物、送风的风压不足，导致没有足够的冷风送到热点位置。
2)由于送风地板高度不够、地板开孔率不足或冷通道宽度不足，导致热点位置冷风供给不足。
3)由于个别机柜高热密度，地板下送风的出风量无法满足热负荷要求。
常见的解决方法:
1)针对性优化气流组织，通过CFD仿真，调整维谛精密空调的位置、地板的开孔，冷热通道隔离、精确送风等方式，调整气流组织，解决局部热点问题。
2)分散法，将高功率的设备分散安装到多个负荷较小的机柜中，以降低单个机柜的功率密度。但是这种方法也受机房现场的实际情况的限制。
3)整合法，将高功率密度的机柜集中在某一区域安装，为该区域提供合适的维谛空调设备和针对性的气流组织设计。
4)局部冷量扩容，为机房局部过热的设备，增加经济、有效的局部供冷，而非增加整个机房的供冷。
9.加湿系统优化
红外加湿为“热”加湿，红外灯管温度最高可达500℃左右，高温灯管及高温水蒸气会增加维谛精密空调的热负荷，增加空调的能耗；电极加湿为“热”加湿，高温热蒸汽会作为额外热负荷，增加维谛空调能耗。
湿膜加湿为等焓加湿，是“冷”加湿，不仅不会增加热负荷，还能提供一定的制冷量，如图17所示。综合考虑湿膜加湿的节能效果，跟“热”加湿相比，可节省加湿能耗95%以上，投资回收期非常短。若具备安装空间，可以考虑采用湿膜加湿器替代维谛空调末端内自带的加湿器的改造方案，大幅降低加湿能耗。
图17：湿膜加湿工作原理图
10.能耗管理系统
结合精益运营的理念，充分利用好机房能耗管理系统，深化能源管理，准确掌握数据中心机房的能耗情况，建立数据分析与评价控制的流程，通过定期对数据中心能耗数据的统计和分析，分析能耗高的原因和改善的机会，从而明确节能降耗的重点，持续不断的改善，降低数据中心的能耗，完善数据中心的能耗管理。
结束语
不积跬步,无以至千里；不积小流,无以成江海，只有认真调查分析企业的能耗构成情况，提出有针对性的方案，只有综合考虑安全、成本、技术可行性、回收周期等因素，我们制定的方案才更加的科学、合理，才能找到真正适合企业自身的节能改造及运行方案。
最后，数据中心节能降耗工作的顺利的开展，也离不开领导的重视，员工的积极参与和持续的改进，以此孕育出的精益运营管理的企业文化，助力我们实现数据中心的全生命周期的安全、高效、卓越运营！
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