沈意成

华为技术有限公司

0 引言

随着5G 时代的来临，ICT 行业技术和概念不断推陈出新，以及云计算市场呈爆发式增长，不止互联网企业，一些传统行业，如保险、金融、制造行业，尤其是政企客户开始尝试上云业务，带动了大量的公有云,私有云和混合云的快速发展，这也促使了我国数据中心的建设也呈现出了爆发式增长。数据中心的能耗主要由信息设备能耗、空调系统能耗、电源系统能耗三部分构成。其中信息设备能耗约占数据中心能耗的50%，空调系统能耗约占40%[1]。根据相关研究表明，数据中心的能耗仍然以每年15%～20%的速度快速增长。

在当前能源形势以及国家大力提倡节能减排的基本政策下，提高数据中心的能源利用率，特别是降低空调系统能耗对数据中心的节能具有重大的意义。很多新工艺、新技术、新产品已经应用到数据中心的节能降耗领域，节能技术种类也比较多，整体投资也在可承受范围内，且节能效果明显。目前数据中心节能措施主要有空调系统的设备侧的节能，气流组织优化以及利用合理利用自然冷源等[2]。

空调设备侧的节能措施包括使用能效比高的变频冷机、水泵、风机、空调末端等，以及采用温湿度独立控制和背板空调等新技术、新设备。气流组织优化措施目前在大中型数据中心主要是采用计算流体动力学（CFD）技术对计算机房的风场、压力梯度、温度场等进行模拟，排除机房局部热点，优化机柜和空调设备的布置，以及采用合理的送风方式例如地板下送风、冷热通道封闭等避免冷热空气混合，减少不必要的冷量浪费。合理利用冷源指利用室外自然界的冷源（室外冷空气、江河湖泊等地表水）将机房内机柜的热量带走，从而减少空调设备的运行时间达到节能的目的。

1 免费制冷应用分析

1.1 免费制冷介绍

免费制冷是指通过运用自然的冷空气或水代替制冷机组等设备使数据中心机房内达到降温的目的。在典型的压缩式制冷空调系统夏季工况中，冷冻水在机组内部通过蒸发器和冷凝器把热量传递给冷却水，冷却水通过冷却塔把热量排至大气环境中。当室外空气的湿球温度降低到一定的数值时，通过阀门切换冷冻水直接就可以和冷却水在板式换热器中进行热交换，无需开启电制冷冷水机组，从而满足冷冻水的温度要求，对机房进行降温，设备布置详见图1：

图1 免费制冷流程图

1.2 项目情况简介

某数据中心项目地处北方城市天津，建筑面积为23000 m2。机房楼空调系统采用电制冷冷水机组，4+1冗余。冷冻水采用15 ℃/21 ℃的二次泵系统，一次泵、二次泵、板式换热器、冷却塔与冷水机组一一对应，且都是4+1 冗余设计。项目在设计阶段即考虑了冬季免费制冷的在项目中的运用：当室外大气温度达到一定要求时，冷机停止工作，经过相关电动阀的切换，冷冻水和冷却水进入板式换热器，进行热交换制备满足温度要求的冷冻水，送至机房达到制冷目的。暖通制冷设备配置情况如表1 所示：

表1 冷冻站暖通设备配置表

1.3 冷却塔切换温度确定

暖通系统在运行过程中，冷却塔的免费制冷切换温度与室外空气的湿球温度密切相关，冷却水在理论上只能被冷却到室外湿球温度，图2 为天津全年室外干球空气温度：

图2 天津全年室外干球温度

开式冷却塔设置板式换热器时，可考虑1 ℃～2 ℃的换热温差[2]。本项目供回水温度为15 ℃/21 ℃，考虑换热温差1.5 ℃的情况下冷却水进入板换的温度低于13.5 ℃时，即可开启全面制冷模式。在实际情况下，冷却塔出口冷却水温度一般比室外空气的湿球温度高3 ℃～5 ℃[3]，取经验值4 ℃后可得冷却塔室外空气的湿球温度的切换温度为9.5 ℃。图3 为天津全年室外湿球温度：

图3 天津全年室外湿球温度

根据上文确定的冷却塔切换温度以及天津全年室外湿球温度，可以得知天津全年可以开启免费制冷的小时数为4868 h。

但是如果某月中虽然通过计算可以有一定的免费制冷开启时间，但是室外湿球温度波动较大，导致制冷系统切换频繁，这样对整个系统的运行是不利的，设备频繁启停导致运行寿命减短或者制冷系统不稳定，也会给数据中心造成严重后果，所以这部分时间必须要剔除在外。由于在五月至九月这几个月份中，能够开启免费制冷的时间段比较零碎，长时间（超过4 h）可以连续启免费制冷的时间并不多，在考虑系统稳定性及安全性因素后扣除掉五月至九月这几个月的免费制冷开启时间，于是最终得到天津全年可利用的免费制冷小时数为4696 h，占全年总时间的将近54%。天津全年可开启免费制冷的时间数分布如图4 所示：

图4 天津全年可开启免费制冷小时数

3 免费制冷经济性分析

考虑到项目在建设阶段，机柜已经全部预出租出去了，数据中心建成后较短时间内机柜即可满负荷运行，并且相关网络通信设备的发热量在全年都比较稳定，所以本文按照满负荷运行来进行免费制冷的经济性分析。

在免费制冷模式下，冷冻机房仅需要开启的大型设备如冷冻二次泵，冷却水泵和冷却塔，比常规电制冷情况下少了冷冻一次泵和制冷机。主要区别如表2所示：

表2 常规电制冷和免费制冷设备状态

数据中心全年24 h 运行，按照全年4696 h 的免费制冷时间来计算，共可以节省电量：4696×(510×4+45×4)=10425120 kWh。

如果按照目前天津一般工商业用电收费标准0.8999 元/kWh，全年免费制冷可以节省：10425120×0.8999=9381000 元=938.1 万元。

由计算可以得到在免费制冷模式下节省的电费折算成标准煤4212 吨，响应了国家对生态环境保护的要求和号召。免费制冷工况下，冷却水和冷冻水在板式换热器中进行热交换，需要额外增加一套板式换热器，包括阀门，管道以及自控等成本，根据其他项目的成熟经验，板式换热器系统按照300 元/kW 进行初投资估算[3]，根据设计的板式换热器参数，共需要增加成本：300×3500×5=525 万元。

显而易见，增加免费制冷后模式，由于每年可节省较多的电力运行费用，节能的电费大概是板式换热器成本的1.78 倍，因此板式增加的板式换热器在一年内就可以回收成本，既节省了大量的运行耗电费用，又对环境产生积极的作用，可以在有一定规模的使用空调水系统数据中心推广，特别是北方地区。

使用冷却水免费制冷，需要根据室外环境温度来确定是否具有经济性特别是南方地区，如果室外环境湿球温度较高，全年可利用冷却塔免费制冷的时间较少，并且常规制冷和免费制冷切换频繁，则不建议使用冷却塔免费的制冷模式，应该考虑其他的方式节能途径。

4 PUE 分析

PUE 是国内外数据中心主流的判定指标，是衡量数据中心基础设施能效的综合指标，其值为数据中心总能耗与IT 设备能耗的比值。PUE 的值只能无限接近1，越接近1，就说明数据中心的基础设施能效越高。

实施免费制冷后

本项目共2298 个机柜，每个机柜5 kW，机柜的耗电量一小时为14990 kWh。

所以实施免费制冷后数据中心的PUE 可以降低0.08。

5 结论

1）数据中心项目中，因为通信和网络设备发热量稳定，常年需要制冷，所以冷却塔免费制冷技术可以广泛应用。

2）在数据中心的项目中使用冷却塔制冷技术可以达到较好的经济效益和环境效益。特别是在全年室外湿球温度较低的北方地区，满足冷却塔制冷模式开启的时间段较长。

3）在南方地区使用冷却塔免费制冷技术需要进过经济性分析，充分考虑室外空气参数，节省的电能消耗，增加投资成本以及相关不利因素之间的关系。