節(jié)能已經(jīng)成為全社會的焦點問題，是關系著全球環(huán)境的重點問題。節(jié)能減排，走可持續(xù)發(fā)展道路成為國家“十一五”計劃的重要部分，是關系我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、造福子孫后代的一件大事。
        通信機房的節(jié)能降耗是一項技術性非常強的工作，不同的實際場景和環(huán)境有不同的節(jié) 思路、方法和技術。雖然我們已經(jīng)在機房空調(diào)的節(jié)能工作中做了大量工作，取得了不少的經(jīng)驗，但就IDC機房的節(jié)能工作而言，難度還是很大，需要我們在工作實踐中繼續(xù)探索。
        可靠性和節(jié)能降耗是機房空調(diào)專業(yè)水恒的主題。節(jié)能是努力的重要方向，但節(jié)能也是有條件的，那就是必須把可靠性放在第一位，即要在保證通信系統(tǒng)安全運行、各種參數(shù)符合標準要求的前提下。當然，經(jīng)濟性也是重要的考量指標，對于以往的部分節(jié)能措施，節(jié)能不節(jié)錢，甚至經(jīng)濟性非常差，投入高于節(jié)約的電費，這樣的節(jié)能措施是有待商榷的。當然，對于目前經(jīng)濟性較差，投資回報暫時無明顯優(yōu)勢，但前景比較光明的措施，還是應采取積極的支持態(tài)度。
        由于數(shù)據(jù)中心的迅速發(fā)展，節(jié)能減排的壓力，對數(shù)據(jù)中心的PUE要求，使得在設計和考慮大型數(shù)據(jù)中心的空調(diào)時，只能優(yōu)先選用水冷空調(diào)系統(tǒng)，也就是中央空調(diào)水冷系統(tǒng)。其已成為數(shù)據(jù)中心空調(diào)的首選，如中國電信、中國移動和中國聯(lián)通在內(nèi)蒙古信息園的數(shù)據(jù)中心，規(guī)模都很宏大，都選用中央空調(diào)水冷系統(tǒng)。一方面，這些系統(tǒng)在7×24h不間斷運行，它們運行情況的好壞，直接關系到能源的消耗情況；另一方面，這些水系統(tǒng)是否安全運行，則直接關系到數(shù)據(jù)中心的安全,。何安全運行和維護水系統(tǒng)，對節(jié)能減排和運維工作都是一種挑戰(zhàn)。
 
1、空調(diào)水冷系統(tǒng)的組成
        冷凍水型機房空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷主機、閉式冷卻塔、環(huán)形冷凍水管道、卻水泵、水冷精密空調(diào)機組五部分組成。

        1. 制冷主機
        制冷主機是指能生產(chǎn)冷凍水的機械制冷設備。冷水機組為冷卻民用建筑而生產(chǎn)的冷水溫度一般為7℃，若用于冷卻通信機房，此溫度常顯太低。較高的水溫能夠減少機房的加濕負荷，提高空調(diào)顯熱比，具有很大的節(jié)能潛力。冷水溫度較高的缺點是使空調(diào)末端換熱器配置規(guī)格加大。制冷主機一般為N+1配置，有一臺備機，安裝在冷站機房。
        制冷主機的工作原理如下：
        （1）冷凍水側(cè)：一般冷凍水回水溫度為12℃，進入蒸發(fā)器與載冷劑做熱交換后，出水溫度為7℃。冷凍水一般通過風機盤管、組合式空調(diào)機組或水冷精密空調(diào)機向設備提供冷氣。由于數(shù)據(jù)中心的制冷量大，要求溫差小，風量大且濕度需要控制，一般采用水冷精密空調(diào)機。
        （2）冷卻水側(cè)：一般冷卻水進水溫度為30℃，進入冷凝器與載冷劑做熱交換后，出水溫度為35℃。冷卻水一般使用蒸發(fā)式冷卻塔通過水發(fā)來散熱降溫。
        （3）載冷劑側(cè)：載冷劑以低溫低壓過熱狀態(tài)進入壓縮機，經(jīng)壓縮后成為高溫高壓過熱狀態(tài)載冷劑。高溫高壓過熱狀態(tài)載冷劑進入冷凝器后，將熱傳給冷卻水而凝結(jié)成高壓中溫液態(tài)載冷劑。高壓中溫液態(tài)載冷劑經(jīng)影脹裝置，成為低溫低壓液氣混合狀態(tài)載冷劑。低溫低壓液氣混合狀態(tài)載冷劑進入蒸發(fā)器后，與冷凍水進行熱交換，冷凍水在此處被冷卻，而載冷劑則因吸收熱量而蒸發(fā)，之后以低溫低壓過熱蒸氣狀態(tài)進入壓縮機。
        離心式冷凍機組在小負荷時（一般為滿負荷的20%以下）容易發(fā)生喘振，不能正常運轉(zhuǎn)。因此，在數(shù)據(jù)中心水冷空調(diào)系統(tǒng)的設計中一般先安裝一臺小型的螺桿式水冷機組或風冷水冷機組作為過渡。
        冷水可以是100%的水，或是水與乙二醇的混合物（如管路位于有凍結(jié)危險區(qū)域），當水中有乙二醇或添加劑時，冷水機組的容量會有所衰減。
        2. 冷卻塔
        冷卻塔是將循環(huán)冷卻水在其中噴淋，使之與空氣直接接觸，通過蒸發(fā)和對流把攜帶的熱量散發(fā)到大氣中去的冷卻裝置。冷卻塔有各種形狀、規(guī)格、配置與冷卻容量。一般一臺冷凍機組對應一組冷卻塔（便于維修和保證備機系統(tǒng)正常待機）。由于冷卻塔需要有環(huán)境空氣進出的通路，因此通常設置于室外，一般在屋面或架高平臺上。對設有冷卻塔的通信機房空調(diào)系統(tǒng)，應有補水儲存，以避免在市政停水時冷卻塔失水。在大型空調(diào)系統(tǒng)中，冷卻塔通常選用橫流塔，每臺塔由若干個相同的模塊組成，根據(jù)空調(diào)負荷和室外溫度靈活控制臺數(shù)，并配置風機變頻調(diào)速，能起到很好的節(jié)能效果。
        冷卻水通過冷卻塔來降溫，由于水會在大氣中蒸發(fā)，因此要設計安裝水處理系統(tǒng)來除垢、除沙塵、除鈉鎂離子和病菌等，否則將大大降低制冷效率。另外，由于數(shù)據(jù)中心是全年連續(xù)運行的，因此還要制訂冬季防結(jié)冰措施。
        3. 環(huán)形冷凍水管道
        由于數(shù)據(jù)中心需要連續(xù)運行，因此冷凍水的進水和回水管道都要設計成環(huán)路，大型數(shù)據(jù)中心可能設計成二級或三級環(huán)路，這樣在局部冷凍水管道或閥門發(fā)生故障時，可以關閉相鄰的閥門進行在線維護和維修。為了便于日后的維護、維修、更換和擴展，需要安裝設計相當多的閥門。為了防止漏水和提高使用壽命，需要選擇優(yōu)質(zhì)的閥門，有些工程使用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管，甚至不銹鋼鋼管。冷凍水管和冷卻水管不允許經(jīng)過機房區(qū)域。在水管經(jīng)過的區(qū)域需要設置下水道和漏水報警設備。為了節(jié)能和防止冷凝水，冷凍水管和冷卻水管都要采取嚴格的保溫措施。
        4. 水泵
        冷凍水空調(diào)系統(tǒng)中主要的水泵是冷凍水循環(huán)水泵和冷卻水循環(huán)水泵，泵系統(tǒng)設計應考慮節(jié)能、可靠性與冗余度，在滿足安全的情況下，水泵配置在設計時通常可配變頻調(diào)速裝置，并采用高效電動機，這樣對于每周7天，24h運行的泵來說，節(jié)能效果很顯著。
        水泵的節(jié)能除采用變頻裝置外，還應采用較大直徑的管道、盡量減少管道長度和彎頭、采用大半徑彎頭、減少換熱器的壓降等。冷凍機房、水泵、冷卻塔、板式換熱器和精密空調(diào)盡量設計安裝在相近的高度以減少水泵揚程。
        5. 水冷精密空調(diào)機組
        冷凍水型專用空調(diào)機組主要結(jié)構分為兩部分：風機段和制冷盤管。其他選配件包括電加熱器、電極式加濕器等。冷凍水管接管位置設置在機組的背面或側(cè)面；通常該機組的送風方式采用下送風，風機段安裝于高架地板之下，空氣從機組頂部吸入，從機組底部送出；采用大風量小焓差設計原則，顯熱比大；在典型工況下（回風溫度24℃，相對濕度50%，進、出水溫度為7℃和12℃）的制冷量為30～210kW，風量為9000～50000m3/h；送風機配置EC調(diào)速外轉(zhuǎn)子式電動機將有良好的節(jié)能效果。
        為了保證IT設備的絕對安全和便于設備檢修，推薦設置物理上獨立的空調(diào)設備間，四周做攔水壩，地面做防水處理和設置排水管道，安裝漏水報警設備。推薦采用N+1或N+2 的冗余配置方案。
        冷水機組、冷卻塔、環(huán)形冷凍水管道、水泵和專用空調(diào)五部分是冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的主要耗能設備，除以上主要設備外，還有一些附屬設備，包括分水器、集水器、水處理器、補水泵、定壓裝置、蓄冷罐等，在此不一一贅述。

        由于大型數(shù)據(jù)中心的水冷空調(diào)系統(tǒng)的電力負荷很大，一般需要為水冷空調(diào)系統(tǒng)設計獨立的配電室。
        由上述內(nèi)容可以看出，水冷空調(diào)系統(tǒng)比較復雜，成本也比較高,維護也有難度，但是能滿足大型數(shù)據(jù)中心的冷卻和節(jié)能要求。
 
2、免費冷卻技術和數(shù)據(jù)中心選址
        免費冷卻（Free Colling）技術指全部或部分使用自然界的免費冷源進行制冷，從而減少壓縮機或冷凍機消耗的能量。常見的免費冷源如下：
        （1）中北部地區(qū)的冬季甚至春秋季，室外空氣中儲存大量冷量。
        （2）部分海域、河流、地下水水溫較低，儲存大量冷量。
        （3）部分地區(qū)的自來水中也儲存了大量冷量。
        （4）壓縮燃氣在汽化過程中產(chǎn)生大量冷量。
        目前常用的免費冷源主要是冬季或春秋季的室外空氣。因此，如果可能的話，數(shù)據(jù)中心的選址應該在天氣比較寒冷或低溫時間比較長的地區(qū)。在中國，北方地區(qū)都非常適合采用免費冷卻技術。
        數(shù)據(jù)中心在環(huán)境溫度較低的季節(jié)，將室外空氣經(jīng)過過濾后直接送入機房作為冷源，也能節(jié)省大量能源，稱為風冷自然冷卻。這種自然冷卻方式的原理比較簡單，成本也比較低，但存在以下不足之處：
        （1）要保證空氣的潔凈度不是一件容易的事。雖然可以通過高質(zhì)量的過濾網(wǎng)保證空氣的潔凈度，但由于風量特別大,需要經(jīng)常清洗更換，同時巨大的阻力也要消耗相當?shù)哪茉础?/span>
        （2）濕度不好控制。加濕和除濕都相當?shù)叵哪茉础Ｈ绻捎煤唵蔚墓I(yè)加濕設備，需要對加濕的水源進行高度凈化（成本比較高），簡單的軟化水不能滿足要求（對設備有害，長時間使用會在設備內(nèi)部形成一層白色物質(zhì)）。
        （3）溫度過低，容易結(jié)露并需要除濕。因此，需要進行細致嚴格的保溫處理。
        （4）對于大型數(shù)據(jù)中心，由于距離遠，風量特別大，這樣就需要很大的風道，因此風機的電能消耗也非常大。實際的設計和安裝也是很困難的事。
        （5）不可能實現(xiàn)全年自然冷卻，夏季的制冷方式還需要安裝單獨的空調(diào)設備。
        由于在大型數(shù)據(jù)中心中對自然環(huán)境要求較高，因此不推薦使用風冷自然冷卻方式。
        采用水冷空調(diào)系統(tǒng)，當室外環(huán)境溫度較低時，可以關閉冷水機組，采用板式換熱器進行換熱，稱為水冷自然冷卻。這樣減少了開啟冷機的時間，減少大量能源消耗。濕球溫度在4℃以下時可以滿足完全自然冷卻，在濕球溫度為4～10℃時可以實現(xiàn)部分自然冷卻。例如，在北京，一年內(nèi)平均有5個月可以實現(xiàn)完全自然冷卻，有2個月可以實現(xiàn)部分自然冷卻。節(jié)能效果將是非常明顯的。
        以上介紹的水冷自然冷卻由于只需要增加一臺不需要動力的板式換熱器，投資和占地都比較少，是我們推薦的大型數(shù)據(jù)中心的最佳免費制冷節(jié)能方案。
        上述帶自然冷卻水冷空調(diào)系統(tǒng)中具有以下三種工作方式：
        （1）夏天完全靠冷水機組制冷，通過閥門控制使得板式換熱器不工作。
        （2）冬天完全自然冷卻，冷水機組關閉，通過閥門控制冷凍水和冷卻水只通過板式換熱器。
        （3）春秋季節(jié)部分自然冷卻。這時冷卻水和冷凍水要首先經(jīng)過板式換熱器，然后經(jīng)過冷凍機組，阻力要大一些，水泵的揚程在設計時相應大一些。

        由于天氣在不斷地變化，上述三種工作方式也將不斷進行轉(zhuǎn)化。為了減輕運維人員的工作量且能精確控制，所有閥門建議采用電動閥，在空調(diào)系統(tǒng)管道若干位置加裝可以自動采集 據(jù)的溫度計、流量計和壓力表等，通過一套自動化控制系統(tǒng)全年按最佳參數(shù)自動運行。
        對于大型數(shù)據(jù)中心，由于制冷量特別大，同時考慮到降低N+1備機的成本，一般采用2+1、3+1或4+1系統(tǒng)，為了便于檢修和提高整個系統(tǒng)的可靠性，推薦蒸發(fā)式冷卻塔、水泵、板式換熱器和冷凍機組一對一配置。
 
3、采用變頻節(jié)約技術
        我們知道，空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力和環(huán)境密切相關，夏天室外溫度越高，制冷能力越低，因此大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的制冷量都是按最差（夏天最熱）工況設計的（空調(diào)的制冷量一般要比其在理想工況下的額定值低，這時建筑物本身不但不散熱，反而吸熱）。這樣，全年絕大部分時間空調(diào)系統(tǒng)運行在負荷不飽滿狀態(tài)。另外，大型數(shù)據(jù)中心的IT負荷從零到滿載也需要相當長的時間，一般也在1～3年。還有，IT負載的能耗和網(wǎng)絡訪問量或運行狀態(tài)相關，根據(jù)其應用的特點，每天24h的能耗都在變化，一年365天的能耗也都在變化。例如，游戲服務器在早上的負載和能耗都比較低，但在晚上就比較高；視頻服務器在遇到重大事件時的負載和能耗比較高。
        因此，我們強烈建議在水冷空調(diào)系統(tǒng)中所有電動機采用變頻系統(tǒng)，這樣可以節(jié)約大量的能量，其增加的投資一般在一年內(nèi)節(jié)省的電費中就可以收回（基本滿負荷情況下）。要注意的是，在選用變頻器時，一般要求譜波系數(shù)小于5%，不然將對電網(wǎng)造成不良影響。對于風機和水泵，輸入功率和這些設備的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。例如，如果風機或水泵的轉(zhuǎn)速為正常轉(zhuǎn)速的50%，僅需要同一設備運行在100%額定轉(zhuǎn)速時理論功率的12.5%。因此，當設備運行在部分負荷時，變速裝置的節(jié)能潛力十分明顯。
        1. 變頻冷水機組
        冷水機組采用變頻電動機并做相應的特殊設計，節(jié)能效果非常明顯。根據(jù)YORK公司提供的文件，其變頻冷水機組不僅能大大降低嘴振，而且重啟時間從一般的3～5min減少到25～50s。
        即便是數(shù)據(jù)中心處于滿負荷狀態(tài)，但由于數(shù)據(jù)中心的冷水機組需要常年運行，而室外的氣溫不斷變化，對應冷卻塔的供水溫度也在不斷變化，壓縮機的工作壓頭也隨之變化，在這種情況下，采用變頻驅(qū)動的離心機組能夠不斷地根據(jù)壓頭的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，達到節(jié)能效果。
        2. 變頻冷卻塔
        冷卻塔采用變頻電動機可以在部分負荷和滿負荷的不同氣象條件下實現(xiàn)節(jié)能效果。一般冷卻塔的變頻電動機根據(jù)冷卻水的溫差進行控制，溫差一般為5℃，若高于5℃，將降低頻率減少冷量來降低溫差，若低于5℃，將增加頻率加大風量宋提高溫差。另外，冷卻水的溫度越低，冷水機組的效率就越高。根據(jù)YORK公司在網(wǎng)絡上公布的材料，冷卻水溫度每提高1℃，冷水機組的效率就要下降4%左右。因此，在進行冷卻塔的變頻控制時還要考慮這個因素。
        3. 變頻水泵
        冷卻水和冷凍水的水泵由于常年運轉(zhuǎn)，耗能相當驚人。變頻水泵可以在部分負荷時通過降低水的流速來節(jié)能。一般變頻水泵的變頻電動機根據(jù)冷卻水或冷凍水的溫差進行控制，溫差一般為5℃，若高于5℃，將降低頻率減少流量來降低溫差；若低于5℃，將增加頻率加大流量來提高溫差。為了降低水泵的揚程和能耗，建議冷凍機房、冷卻塔和機房的垂直距離越小越好。
        4. 水冷精密空調(diào)采用調(diào)速（EC）風機
        調(diào)速風機一股根據(jù)回風溫度控制風機的功率，若回風溫度較低，就降低調(diào)速風機的功率減少風量；若回風溫度較高,就提高調(diào)速風機的功率增加風量，根據(jù)艾默生公司提供的材料，采用下沉方式安裝調(diào)速風機還可以進一步節(jié)省能耗，對于能夠提供16400CFM（每分鐘立方英尺）風量的精密空調(diào)設計安裝三臺風機，采用普通風機、普通EC風機和下沉式EC風機分別對應的風機功率為8.6kW、6.9kW和5.5kW。
 
4、提高冷凍水的溫度節(jié)省能源
        冷水機組標準的冷凍水溫度為7～12℃，水冷空調(diào)的標準工況也是認為冷凍水溫度為7～12℃。但是這個溫度范圍對于數(shù)據(jù)中心來說有點低，帶來以下兩個不利因素。
        （1）這個溫度大大低于數(shù)據(jù)中心正常運行在40%左右相對濕度的露點溫度，將在風機盤管上形成大量的冷凝水，需要進一步加濕才能保持機房的環(huán)境濕度。這個除濕和加濕過程都是非常消耗能量的過程。
        （2）冷凍水的溫度和冷水機組的效率成正比關系，也就是說冷凍水的溫度越高，冷水機組的效率也就越高。根據(jù)YORK公司在網(wǎng)絡上公布的材料，冷凍水溫度每提高1℃，冷水機組的效率就可以提高約3%。
        目前，在集裝箱數(shù)據(jù)中心和高功率密度的冷水背板制冷技術中都把冷凍水的溫度設計為12～18℃，已經(jīng)高于露點溫度，完全不會除濕，也就不需要加濕。冷凍水的溫度提高后，水冷精密空調(diào)的制冷能力會下降，實際的制冷能力需要廠家提供的計算機選型軟件來確定，一般會下降10%～15%。但是由于冷凍水溫度提高后很少或基本不除濕和加濕，加上采用EC調(diào)速風機，電動機產(chǎn)生的熱量減少，整個水冷精密空調(diào)的實際制冷能力（顯冷）下降并不多。

5、選擇節(jié)能冷卻塔設備
        冷卻塔本身的結(jié)構和體積決定著消耗能量的多少。對于一般的高層寫字樓，由于安裝冷卻塔的位置有限，一般選擇體積小的冷卻塔，為了達到規(guī)定的散熱量，只能加大風機的功率，靠強排風來加大蒸發(fā)量。
        如果安裝場地允許，請選擇體積較大的冷卻塔來節(jié)能能耗。根據(jù)某公司的冷卻塔招標信息，相同的制冷量，益美高推薦產(chǎn)品的電動機功率為55kW（體積比較大），馬利推薦產(chǎn)品的電動機功率為120kW，BAC推薦產(chǎn)品的電動機功率為90kW。可以明顯看出，大體積的冷卻塔明顯比小體積的冷卻塔節(jié)能。在制冷能力等條件相同的情況下，盡量選擇風機功率小的冷卻塔。
        依據(jù)風機軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，對多臺冷卻塔采用變頻裝置運行可能比單臺冷卻塔風機全速運行效率更高。對于風機選型，螺旋槳式風機一般比離心式風機的單位能耗低。

6、科學運維節(jié)約能源
        大型數(shù)據(jù)中心通過科學運維可以大大提高空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效率。常用的科學運維措施包括以下方面：
        （1）人走關燈和關團大屏幕顯示器，減少照明產(chǎn)生的能耗及相應增加的制冷量。
        （2）盡量減少運行新風系統(tǒng)，在機房無人時關閉相應區(qū)域的新風系統(tǒng)。
        （3）建議冷通道的溫度不低于25℃。定期檢查冷通道的溫度以免過度制冷造成能源浪費。
        （4）定期檢查地板，防止各種方式的漏風。
        （5）冷通道必須完全封閉，機柜上沒有設備的區(qū)域必須安裝盲板，沒有負荷的機柜區(qū)域不能安裝通風地板。每次設備變更，都要進行檢查。
        （6）在能夠滿足制冷的條件下盡可能提高冷凍水的溫度，最高為12～18℃。
        （7）在氣象環(huán)境滿足的條件下，盡量使用全自然或半自然免費制冷。
        （8）定期核對數(shù)字采集數(shù)據(jù)和模擬顯示儀表的數(shù)據(jù)是否一致，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在誤差，則立即更換有關采集設備或儀表。
        （9）對于還沒有使用的獨立機房區(qū)域，關閉所有機電設備，包括冷凍水管道的閥門。
        （10）定期檢修和清洗冷凍機組內(nèi)的銅管和冷卻塔，確保其工作在最佳狀態(tài)。
        （11）對于低負荷的機房，如果精密空調(diào)沒有EC風機，就要關閉相應的空調(diào)；如果是EC風機，要通過實踐摸索出更節(jié)能的空調(diào)運行方式。