双碳背景下数据中心制冷系统节能分析
摘要
关键词：双碳；数据中心；制冷系统；节能
Abstract
With the rapid development of 5G communications, big data, cloud computing and the Internet of Things, data centers are carrying more and more business, and the total power consumption of data centers is rising as a proportion of the global total power consumption. The high energy consumption of the data center directly affects the economic benefit of the enterprise, and the high reliability and redundancy configuration of the refrigeration system also need to invest high construction cost. Data centers use the same principles for performance requirements, energy efficiency goals, construction flexibility, and so on. Refrigeration and air conditioning systems, as one of the components, are configured in the same way, which cannot meet the requirements of use. The challenge brought by high energy consumption of data centers has become a constraint factor for the development of data center industry. The construction of energy-saving, green, efficient and low-carbon data centers will surely become the only way for the future development of the industry. Scholars at home and abroad have attached great importance to the energy conservation research of data center. Since data center is a new product brought by information technology in the new era, it is necessary to increase the energy conservation research of data center. A typical data center consists of the Internet Technology (IT) system, power distribution system, cooling system, and other systems. Each system consists of several sub-systems. The complexity of the system makes energy saving planning of the data center more difficult. The energy conservation research of data center is mostly carried out from a single system or a certain level, and the energy conservation planning of data center lacks integrity and completeness
Sex. Therefore, this paper takes the data center as the overall research object, closely combines the energy saving of the data center with each system of the data center, and carries out planning and design from the "source". Detailed research data center cooling system, power distribution system in the direction and strategy of energy conservation, and the related research results, the research theory in one data center should be used in engineering practice, significantly increased the greening of the data center, low level of carbide, to promote the sustainable development of the whole data center industry has very important significance. In this paper, according to the author's years of practical experience in data center engineering, combined with the theoretical research on energy conservation of data center, it is proposed that the energy conservation planning of data center should be included in the preliminary planning and design stage, and the energy conservation practice should be carried out from the "source" to avoid passive rectification after energy consumption waste.
Key words: double carbon; Data center; Refrigeration system; Energy saving
0绪论
0.1研究背景
现如今云计算、大数据等新技术高速发展，尤其2019年开始5G技术在我国开始应用。数据中心作为数据流转枢纽和业务承载平台，已成为全球数字经济的重要基础设施之一。随着发展的需求，建立新的数据中心与对旧数据中心的改造成为趋势。据有关数据报告表明，2019年中国数据中心的数量为7.4万个左右，大约能占全球数据中心总量的23％，但这个数量与美国、西欧相比仍有较大的差距，在国内数据中心建设仍有较大的发展。
数据中心的数量得到了发展，但是同时也存在一些问题，数据中心机房的扩大、IDC设备的增加，所需要消耗的能源也随之增加。现如今消耗的能源主要是电能，不仅仅是IDC设备运行耗能，设备运行时散发出大量的热量，而这些热量需要空调设备将其转移，因此，空调设备的耗电量也成为数据中心机房耗能的一大设备。降低数据机房的能耗，不仅仅是降低IDC设备运行能耗，同时也要降低空调设备的能耗。
在这里将讨论怎样为数据中心设计合理的空调制冷系统，同时在这个基础上结合各种因素做到减少制冷系统的能耗，也就是我们要为其设计节能空调制冷系统。这就是接下来我们要研究、设计的方向。为数据中心做到节能不仅降低的能耗，还可以创造出更大的经济价值，同时绿色节能也符合国家政策，为保护自然环境做出贡献。
0.2研究综述
随着通信技术的发展，所需的数据中心的数量及规模一直在不断地扩大。科学技术技术在迅速地爆发，基于传统技术理念和实施技术要求的局限性，数据中心也在面临着能源消耗过大的问题。目前，据相关数据表明，美国数据中心平均电能利用率（PUE）为1.9，我国数据中心电能利用率（PUE）普遍为2.2，所以，根据数据显示，我国在节能这一方面还有很大的潜力，可以做更进一步的提升。
数据中心设计对机房的温度、湿度和洁净度有很高的要求。根据《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）规定，数据中心机房的空调冷负荷由设备散热、太阳辐射热、围壁结构传热、照明设备传热、操作人员散热以及新风负荷以及除湿过程产生的潜热构成[2]。与常用的普通家庭空调相比，机房空调属于工艺性空调，要求必须满足一定的工艺性要求。
对于数据中心空调的设计现在都有着很多的案例，在设计时根据不同的气候条件、不同的地理位置设计不同的空调制冷系统。有很多国内外学者对数据中心空调制冷系统进行了研究。A.Amir等人研究另一种夜空辐射冷却（NSRC）系统，NSRC是一种被动的、可持续的冷却方法，它利用天空作为辐射散热器。提出并分析了一个可靠的混合NSRC系统，该系统包括一个热泵系统，用于远程、离网数据中心的冷却。混合夜间天空辐射冷却系统具有很大的潜力，并对其行系统优化[3]。
HafizM.Daraghmeh等人研究了采用R-134a制冷剂填充分离式两相热虹吸回路(STPTL)作为数据中心自由冷却技术的可行性。两个数据中心机架，其中一个带有翅片和管式热虹吸管，由计算机机房空调单元(CRAC)单独冷却。热虹吸有助于部分消除CRAC压缩机负荷，从而研究了热虹吸回路的节能潜力。冷凝器是一种水冷设计，采用全氟烷氧基管道作为绝热提升管/降水管，以便于安装和移动能力。试验的充盈率为0~90%。试验结果表明，随着灌装比的提高，节能效果增强，填充比为70%时，最佳节能率可达38.7%，进一步提高灌装比可降低节能效果[4]。
水蓄冰技术原理简单、运行平稳，在工程领域得到广泛应用。黄庆河、曹连华等人将水蓄冰技术在数据中心的应用进行研究，他讨论到水蓄冰技术在数据中心的应用有两种形式；一是作为应急冷源，水蓄冰有开式、闭式两种应用形式，开式蓄冰系统技术成熟，蓄冰效果较高，相对于闭式蓄冰罐，开式蓄冰罐得到更广泛地应用。二是节能运用，有效利用备用的冷水机组与应急蓄冷系统,避免冷水机组部分负荷运行,提高其运行效率；减少制冷机白天开机时间,对于有合理分时峰、谷电差价的地区,可降低空调系统的运行费用。蓄冷温差为10℃时，运行电费节约9%左右。如果采用更大的温差蓄冰，节能效果会更加明显。由此我们可以看出水蓄冰技术在数据中心空调制冷系统中有很好的作用，节能效果也明显[5]。
数据中心有时会根据地理位置选择空调制冷系统，如我国的新疆，全年气温都较低，根据气温条件我们可以取用室外的低温空气。郭志成对自然冷却空调系统的应用进行了研究，依据新疆的气候条件，他采用了蒸发冷却空气-水空调系统技术，此技术是在直接蒸发冷却技术、间接蒸发冷却技术及乙二醇自然冷却技术的基础上进行了研制，并实现了全年100%自然冷却。该系统有三种运行模式，满足全年的制冷需求。该系统运用在数据中心中全年电能利用率（PUE）为1.26左右，与传统的机房空调系统相比，全年最大节能率达到73%。由此可见，其节能效果明显，经济效益可观[6]。
IT设备与机房空调系统是数据中心里的两大耗能设施，空调系统仅次与IT设备为第二耗能设施。随着我国IT事业的快速发展,给数据中心制冷技术带来了新的机遇，制冷技术可以得到更好地利用，合理采取有效措施，根据不同数据中心的要求采取不同的制冷系统，但终归还是得以节能为目标，降低数据中心机房空调运行能耗,减少运营成本,是实现节能减排的重要技术手段,符合我国可持续发展的战略要求。与国外相比，我国在这一方面还有着很大的潜力。
1数据中心制冷系统节能概述
1.1数据中心简介
1.1.1数据中心的定义
数据中心是全球协作的特定设备网络，其以现有的因特网络为传输通道，利用数据中心基础配套资源，通过自用或者外租的方式为各类用户提供服务。用户将其服务器、存储、网络等设备放置于数据中心，数据中心供应商为用户的设备提供基础环境、日常维护、配置测算及日常管理服务。除此以外，还可为用户提供计算空间和存储空间、通信链路、互联网出口租用、代理和其他应用服务。数据中心根据其内部的设备组成分为四部分。
1.IT系统：主要由各类服务器、磁盘阵列、安全防护和网络设备等组成。服务器设备数量在IT系统中的占比超过50%，其主要用于各类数据中心计算和交换；磁盘设备用于安全、高效、可靠的存储各类数据；安全防护主要是对IT系统提供流量清洗、病毒检测、日志审计等安全保障；数据中心内部与外部之间的数据交换主要通过网络设备来实现。
2.配电系统：为数据中心提供电力引入、电力转换及停电后的基础保障，是数据中心IT系统能够可持续、稳定运行的前提。
3.制冷系统：主要分为制冷冷源设备和空调末端设备等。主要对数据中心的IT系统和配电系统进行冷却，保证数据中心的安全稳定运行。主要分为制冷冷源设备和空调末端设备等。
4.其他系统：属于数据中心的辅助系统，一般由监控、消防以及其他保障系统组成[6]。一般来说，配电系统、制冷系统、其他系统统称为机电系统或机电配套系统。
1.1.2数据中心的分类
根据数据中心的可安装机架的数量不同，一般机架数超过10000个的数据中心称为超大型数据中心；如果机架数量少于3000个的，则称为中小型数据中心；介于这两者之间的则为大型数据中心。
根据数据中心的业务类型不同，可分为自用型和外租型。主要满足自用业务安装需求的数据中心，如电信运营构建的用于安装基础通信网、核心网、承载网等设备的数据中心就属于自用型；而主要用于满足外租客户装机或提供外租业务的机房就是外租型数据中心，此类机架在本文简称为IDC机架。
依据数据中心的机架规模、业务类型不同，其适用的节能方向和节能技术有所不同。根据数据中心的机架规模、业务类型情况，可按照园区级、机楼级、机房级进行节能规划实践，也可根据不同的业务类型，差异化的对基础保障资源的容量、等级进行合理规划。
1.2我国数据中心的发展情况
1.3我国数据中心的能耗情况
1.4数据中心制冷系统的节能方向研究
制冷系统作为数据中心的能耗结构中除IT系统外的最大耗能单元，从大量的实践案例来看，很多的制冷系统能耗浪费都是由于系统规划选型不当、自然冷源利用不充足、运行模式不合理、机房气流分配不均匀、制冷系统运行维护手段不智能、能源利用不充分而造成的，针对以上问题，本文从以下几个方向来开展数据中心制冷系统的节能研究。
（1）制冷系统的选择与数据中心的建设规模、当地的气候条件、市政配套条件都有着密不可分的关系，需要考虑各种因素的限制，系统相对复杂，部分数据中心未在建设初期选择合理的制冷系统导致系统选型不当造成能耗浪费。如水冷冷水机组系统不适用于缺水地区。
（2）制冷冷源系统的能耗占比达到整个制冷系统耗能的7080%,制冷冷源系统的运行效率和能源利用率将决定整个制冷系统的能耗水平，充分利用自然冷源、优化系统运行模式可以显著制冷冷源系统的能源消耗。
（3）作为制冷系统的另外一个组成部分，空调末端系统的耗能约占整个制冷系统耗能的20%30%,传统的机房采用先冷却空间再冷却机架的模式，机房采用地板下送风或者风帽上送风模式，空调送风距离较长，这样容易在机房内部造成局部热点，为解决该问题通常采用加大空调末端的送风量或者增加空调末端来解决，不仅造成了机房能耗浪费而且导致机房装机规模下降，因此，需要合理选择机房空调末端、优化机房气流组织，降低空调末端能耗。
（3）数据中心制冷系统与IT系统散热、设备配置、机房环境、室外大气环境等相互关联，如何实现机房IT系统散热、空调末端送风、制冷冷源系统三者之间的最佳匹配，减少空调末端无效送风和制冷冷源的过量制冷大多是依靠实践经验，在达到一定的运维成熟度之后，传统的维护和实践经验已无法降低制冷系统的能耗。伴随着IoT和AI技术的快速发展，智能化的运维将有效解决上述问题，AI能效优化，AI运维与巡检、预测性维护、实时调节参数将成为未来制冷系统发展的方向。
数据中心作为高耗能场所，制冷系统在完成对IT系统的降温后，将产生大量的余热，存在很大的利用价值及空间，可通过热泵机组，利用余热进行供暖或提供生活热水。如此可实现能源的梯次利用，提高能源综合利用率。
2双碳背景下数据中心制冷系统设计原则
2.1数据中心制冷系统容量设计原则
每个数据中心都有自己的特点，因而也没有什么可以完全套用于任何一个数据中心的技术方案。本论点主要讨论在数据中心制冷节能方面的一些基本原则和技术问题。在此基础上，每个不同的数据中心可以做出自己的节能方案。
但是这种假设有下面的不确定因素：
2、匹配式制冷系统是传统数据中心热交换过程中额外的一个步骤。这个步骤加在数据中心冷却水循环和水冷机组冷却水循环之间的，因此提高送风温度并不能提高水冷机组的制冷效率和增加自然冷却的时间。
3、根据达西·魏斯巴赫理论，水管的长度和容积会降低水管内的压力，所以这些管道会大大影响数据中心内的空调机的制冷效率和减少自然冷却的时间。
4、当把冷送风和热回风彻底隔离之后，匹配式制冷系统能够提供相当干机房空调机在冷水节能器相同的自然冷却的时间。但是在空气节能器或热交换转轮节能器是不能有着相同的自然冷却时间。而这两种节能器都是目前世界上广泛被使用的节能器。
可持续的数据中心节能改进项目应从如下几点考量：
1、在等级1的数据中心中可以使用精确匹配式制冷系统，但必须使用可调节风旦风扇来满足服务器的热密度。但在等级2的数据中心应避免使用。比如在数据中心内，有些机柜的热负载为60%，有些为80%，而另外的为30%。这时，匹配式制冷系统的风量为(.603,.803and.303)，综合下来这些风扇的平均的效率只有25%左右。
2、在考虑并发性的冗余和无停机维修性时，我们需同时考虑空调机的制冷效率和冗余条件。比如在热负载为120吨的数据中心内，N十Z的冗余标准下我们配备6台30吨的空调机。相比之下，当我们只开其中4台空调机时，6台全开时的每台空调机只使用了67%的送风或30%的能源使用率。比起只开4台空调时的100%的使用率，全部6台空调全开时全部空调45%的送风效率或每台只用了30%的送风效率。按照相识定律，我们大大浪费了能源。
3、精确匹配式制冷系统将制冷系统和机柜紧密相连，我们不得不考虑它的冗余性能和维护性。我们必须安装一套独立的备用匹配式制冷系统或安装独立的机房空调系统以备不时之需。
4、当使用密闭冷通道等手段来制冷时，为了达到冗余的桔求，我们必须将机房空调机加在UPS上。这是我们需考虑UPS的可操作性和效率。
精确匹配式制冷和隔离冷送风/热回风一样有着节能的效果，可以减少冷风浪费现象并通过加大热回风的温度来提高空调机的制冷效率。在使用变频空调和可调节风量风扇时，我们可以利用相识原理来节省能源的使用。
此外，我们需尽可能的使用自然冷却来获得最大的能源节省。精确匹配式制冷和隔离冷送风/热回风这两种方式都在使用冷水节能器时，获得巨大的节能效应。但是在使用空气节能器或热交换转轮时，隔离冷送风/热回风的方式则有着更大的优势。
2.2合理选择制冷系统，利用自然冷源
该数据中心所在城区属寒冷地区，每年可使用自然冷源的时长约4968小时（相当于207天，约占一年的57%）,根据前面的测算，数据中心一期装机能力1164架,制冷系统的制冷量需求为6603.59kW。在实际工程实践中，由于“间接蒸发制冷系统利用自然冷源”方案在该省没有成熟的应用案例，也没有成熟的维护和运行经验，因此在方案论证的前期，建设单位不同意采用这一方案。因此,从以下几个方面对“水冷冷水机组系统利用自然冷源”、“风冷冷水机组系统利用自然冷源”、“风冷空调系统利用自然冷源”在本项目中的适用性进行全面论证和比较。
2.3适度提高机房温度，提升冷机效率
提高机房温度，增加自然冷源时间”的研究成果，为了进一步提高数据中心的节能效果，制冷系统节能规划中按照14/19C规划设计冷冻水供回水温度，进一步扩大自然冷源利用范围，提高冷机的工作效率。
2.4全面使用新型空调末端，提升效率
为了有效解决该数据中心空调送风距离较长、机房局部热点问题，减少无效能耗，同时提升机房装机规模，提升投资效益，该数据中心机房全面采用重力热管式背板空调，如图5-5所示，在数据中心机房侧面规划空调间，分散安装DCU，解决制冷半径受限的问题。
2.5利用余热回收，实现能源梯次利用
该数据中心所在地区属于寒冷地区，该园区营业用房、政企展厅、智慧城市调度中心、职工食堂、换班宿舍、维护支撑、智能化控制等办公用房在冬季均需要进行取暖，以上面积共计约4300㎡，参考前文计算方法，采暖热负荷需求为322.5kW（75W/㎡）。经核算，该数据中心一期配置5台（4+1系统）500RT冷机，冷冻水供回水温度按照14/19℃计算。该数据中心设计的热负荷为4×500×3.517=7034kW；依据上述分析，该数据中心办公用房采暖热负荷仅占数据中心热负荷的5%左右。按照根据当地供暖部门提供的数据，每年11月1日-次年3月10日为采暖期，按照采暖费单价8.8元/㎡/月计算，整个园区每年的取暖费为16.4万元，具体计算如下：
每年的采暖费=4300㎡（取暖面积）×8.8元/㎡/月（取暖费单价）×（4+1/3）
=16.4万元。
因此，该数据中心应用余热回收技术，实现园区内的能源梯次利用，年节省
取暖费为16.4万元。
3某数据中心简介
3.1总体概述
为了满足业务发展需要，国内西部地区某运营商一方面为了自身业务发展对数据中心机房的需求，计划通过规模化、集约化规划建设数据中心，发挥规模效益，降低建设和运营成本，另一方面是借当前政府对信息产业发展的重视，充分利用运营商的影响力，在地价、电价及配套设施等方面向政府争取更多的优惠政策，拉动地方大数据产业发展。
3.2项目概况
该项目位于西部某省份，属于新建项目。具体建设需求如下：1.数据中心装机规模需求：近期1000架，远期500架，共计1500架。2.其他用房需求：随本数据中心项目建设，同步完成营业用房、政企展厅、智慧城市调度中心、换班宿舍、维护支撑、智能化控制、地下停车场等功能用房规划建设。
3.3数据中心征地选址节能实践
依据上述建设需求，在征地选址阶段，重点考虑了重点关注自然冷源利用、能源保障情况，市政配套条件、当地政府支撑力度等因素，于2019年11月以挂牌出让方式取得该数据中心建设用地使用权，该地块所在城区属“温带半湿润”地区,根据中国建筑气候分区图，属于寒冷地区，自然冷源充足。年平均气温为11℃。最热月7月，平均气温为22．8℃；最冷月1月，平均气温为1.0℃。地块呈梯形，场地内无附属物，东西向坡度0.9‰，最大高差1.27米；南北向坡度5.9‰，最大高差6.55米。相对于其他可选地块，该地块优势如下：
1.所在地区气候条件优越，利于利用自然冷源；2.地理位置处于核心位置、发展潜力大：地块毗邻城市轻轨站，位于新城区，属于未来城市发展核心区域，新城建设已成规模，机房可在建成后立即投入使用。3.周边配套设施完善，供电、供水、传输引接条件便利。以上优势将为后续数据中心机房规划、设计、建设、运营、维护建设过程的降本增效、节能减排提供先天条件。
3.4数据中心园区规划节能实践
3.4.1数据中心园区总平面规划
综合考虑城市规划规定、场地条件、建设单位需求、数据中心工艺要求、国家、政府相关法律法规，经建设单位规划、当地政府主管部门审批同意，该数据中心总平面布局如图5-2所示。
图5-2某数据中心总平面规划图
依据该数据中心的建设需求，该数据中心园区终期共规划3栋建筑，总建筑面积17095平方米，总装机能力1650架。为提高提高效益，盘活资金压力，该数据中心具体分期实施情况如下：一期：总建筑面积14323平方米，装机能力1164架。包含1栋机房楼（12135平方米，其中地下面积2716平方米）、1栋辅助用房（2188平方米）；二期：包含机房楼1栋，总建筑面积2773平方米，装机能力486架。
3.4.2数据中心使用功能规划
据建设单位要求，该数据中心园区建筑物需具备通信机房（含自用机房、IDC机房、电力电池室、油机房、高低压配电室等）、营业用房、政企展厅、智慧城市调度中心、职工食堂、换班宿舍、维护支撑、智能化控制、地下停车场等多项功能，综合考虑园区场地总体使用、预留发展用地等因素，一期工程机房楼、辅助用房使用功能规划如下：1）1#机房楼：自用机房、IDC机房、电力电池室、营业用房及政企展厅、维护支撑用房等；2）辅助用房：油机房、高低压配电室、职工食堂、换班宿舍等。
4某数据中心制冷系统节能技改思路与措施
4.1冷却水塔改造
本项目采用某国际知名品牌的横流开式冷却水塔,配合冷水机组工作,同样采用2+1配置,单机选型流量750m3/h,供、回水温差6℃,选用变频风机,风机采用变频电机,功率60kW。
依据3.2节冷水机组的节能原理,冷却水温度的高低在很大程度上影响着冷水机组的效率和能耗。因此,认识清楚冷却水塔在不同工况下的出水温度规律,对制定相关的节能策略是非常关键的。
根据冷却水塔厂家提供的性能数据,我们研究了不同环境湿球温度下,不同负载情况下,冷却水塔出水温度的变化规律,具体见图7。图7显示了冷却水塔6℃供、回水温差工况情况下,60%、80%和100%负载情况下,冷却水塔出水温度随环境湿球温度的变化情况。从图中可以看出,在湿球温度高于22℃时,不同负载率下冷却水塔的出水温度基本一致。再当湿球温度更低时,出水温度差异逐渐变大,且负载率越低,冷却水塔出水温度也越低。以湿球温度14℃时为例,60%负载下出水温度约17℃,100%负载的约20℃,约有3℃温差。同时,随着负载率降低,出水温度持续降低的幅度约小。
(1)
T0——蒸发温度
Tk——冷凝温度
按逆卡诺循环效率公式(1)分析,蒸发温度不变,冷凝温度下降3度,效率约提升25%,耗功减少约20%,节能效果明显。
图7冷却水塔6℃供、回水温差下不同散热负载时出水温度
图8显示了100%工况下,冷却水供、回水温差对冷却塔出水温度的影响。可以看出,与负载率的影响类似,随着环境湿球温度降低,供回水温差越小的工况,冷却水塔的出水温度显示更低。但在高湿球温度情况下,出水温度没有明显差异。
图8冷却水塔不同供回水温差下出水温度
此外,冷却水温度降低后,除了可以提升冷水机组制冷效率,降低冷水机组功耗外,也有利于制冷系统更快的进入全部自然冷供冷模式,从而大大降低数据中心全年PUE。
综合上述分析,我们可以得出以下结论:
(1)在制冷系统正常工作时,在环境湿球温度低于24℃时,可采取措施,如打开备机等方法,避免冷却水塔工作在满载工况,以得到更低的出水温度,从而提高冷水机组的效率,达到降低制冷系统整体功耗的目的;
(2)在冷却水泵运行工况允许的情况下,当环境湿球温度较低时,可提高冷却水流量,降低供回水温差,达到降低冷却水出水温度的目的;
(3)避免开启不必要的冷却水塔,如冷却水塔已经工作在60%负载及以下时,不必开启新的冷却水塔,以得到更低的负载工况。因为更低负载工况下,冷却水塔出水温度变化不大,冷却水塔的功耗反而增加了,对总体能效表现不利。
4.2循环水泵组改造
为保证末端空调供水安全，某移动数据中心水冷系统管路采用双（环）路形式：冷冻水系统采用闭式循环系统，并设置开式蓄冷罐兼作为冷冻水系统定压装置。每个制冷站均配置两套独立的分集水器，分集水器之间设置压差旁通装置。机楼启用初期，热负荷较低的情况下，通过旁通管调节冷冻水流量，旁通最大流量为单台冷水主机额定流量的40%[3]。从两套分集水器分别引出供回水管在每层机楼、每个机房模组内成环，管道设置必要的阀门以保证在管道故障、系统维护检修时可切换。集分水器及供回水管网结构如图2所示。
图2水冷系统管网结构
水冷系统循环水泵的能耗与其转速n、流量Q和扬程H有关，即当水泵转速为一定值时（额定转速n1），流量与扬程为反比关系。三者的关系如图3(a)所示，如果用水流量减少，从Q1减少到Q2，则扬程沿着n1曲线从H1增加到H2。当用水流量增加，从Q1变到Q3，扬程则沿着n1曲线从H1降低到H3[4]。水泵此时的能耗总是等于扬程与流量的乘积。并且在此3种流量和扬程的情况下，水泵始终在最佳工况点上工作，则水泵的能耗也基本相等，即：
H1×Q1=H2×Q2=H3×Q3
在实际运行过程中，冷冻水循环泵要保证整个系统中最不利压差点的最小压差。这就要求水泵工作时的管网压力，应满足末端空调冷冻水循环的基本要求。如果供水压力（扬程）升高，不仅造成能源浪费，同时管网因承受高压，缩短管网使用寿命，水泵电机也因水泵送不出水而持续发热，加速电机老化甚至烧毁机泵。如果供水压力（扬程）降低，系统热负荷增大导致用水流量增大，管网的末梢、远端或高处等最不利点压差就会减小，导致该点末端空调水流循环不畅，无法满足机房内的制冷需求。根据图3(b)所示，当系统热负荷波动导致冷冻水循环流量降低，从Q1变化到Q2或Q3时（Q1为水泵满足冷冻水供水扬程H1的最大流量），如果能及时调整电机转速，从原来的n1值，调整为Q2时的n2值或Q3时的n3值，根据水泵在一定转速下的流量、扬程关系，水泵工作在n2曲线上的Q2流量所对应的扬程为H1；工作在n3曲线上的Q3流量所对应的扬程也为H1。当用水量变化时，如果能及时调整电机转速，就可以实现冷冻水压力不变的情况下，降低水泵出水量，并且实现节能，即扬程不变时，3种转速和流量条件下的能耗满足以下不等式：
H1×Q3＜H1×Q2＜H1×Q1
保证最不利末端压差的前提下，通过调节电源频率，调节水泵转速和流量。实际运行生产过程中调整频率会影响到水泵压力扬程、流量，同时还要保证水泵工作在高效点附近，水泵调频范围在35~50Hz；根据理论计算能耗变化与频率变化的三次方程线性关系，通过调频节能效果比较明显。
图3水泵流量—扬程曲线
第5章 辅助设备选型
5.1节流阀选型计算
在制冷系统中，处理压缩机、换热器等这些设备外，节流装置也是在制冷系统中实现制冷必需的部件之一，它 的种类有很多，包括热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管等等。
电子膨胀阀按结构形式的不同，分为电子直流膨胀阀、脉冲电机式膨胀阀和指令电机式膨胀阀等等。其原理为 通过微处理器控制和脉冲电动机驱动，通过传动杆的升降，阀心可以上下移动，从而进行流量调节。
依据工作条件，制冷量273kW，蒸发温度2℃，有效过热度5℃，冷凝温度40℃，过冷度5℃，利用软件选择电子 膨胀阀，得到的电子膨胀阀数据如表（5-1）
表5-1膨胀阀参数
5.2 干燥过滤器
干燥过滤器一般用在氟利昂制冷系统中，用于吸收制冷剂中的水分及清除制冷剂中的机械杂质。干燥过滤器通 常安装在节流阀之前，水平安装，方向与制冷剂流动方向一致。保证制冷剂顺利流通，不致因堵塞影响正常工作。 选用干燥过滤器的型号：CDR04813-DC，其各个参数如下表
表5-2干燥过滤器
5.3油分离器选型计
油分离器主要用于将压缩机排出的气体中夹带的润滑油分离出来。常用的油分离器有以下几种形式：洗涤式、 离心式、过滤式和填料式。
油分离器的选型计算，主要是确定油分离器的筒直径，保证油分离器内的气体制冷剂的流速符合要求，达到分 油的效果。
5.4冷却塔
冷却塔是一种通过水和空气的的接触作用，蒸发散去制冷空调或者工业中产生废热的设备。冷却塔的使用范围 很广泛，主要应用于空调冷却系统、冷冻系列、注塑、发电等领域。冷却塔分类为开式冷却塔、闭式冷却塔。
在进行冷却塔的选型时主要考虑冷却塔中的循环水量，循环水量在冷却塔运行时会产生水量的损失，比如蒸发 损失、风吹损失、排污水量。所以在选型时应选取比计算所需水量稍大的冷却塔。冷却塔还需要定期的清洗，因为 冷却水中大多数含有钙、碳酸盐，长期已久就会形成水垢沉淀物，因此就要定时地去清洗。
在本文设计制冷系统中，冷却水循环水量G=54.7m3/h。根据要求选用无锡方舟流体科技有限公司逆流开式冷却 塔，型号为FKN-65。其具体参数如下表
表6-3
5.5室内机房设备
为IDC机房设计8台室内空调末端设备与8台排风机，N+1台冗余。末端设备与冷源螺杆冷水机组相连。末端设备 将冷却新风送至机房内进行热交换，由机房内排风机将机房回风排到机房的楼道内，再由楼道排风机排到机房楼 外。机房空调末端设备额定制冷量为80kW、额定输入功率4kW、额定风量21000m3/h，排风机额定风量20000 m3/h、 输入功率0.9kW。
图5-1下送上回气流组织方式
机房采用下送上回的送风模式，该方式也是目前很多使用与在建的数据中心常用的一种气流组织方式。下送风 则需要采用架空地板，同时利用架空地板的下部空间作为送风静压箱，可以减少送风系统的动压，增加静压稳定气 流。该气流组织方式如图（5-1）所示
5.6直接风侧自然冷却
自然冷却技术是数据中心最有效的节能技术。常用的自然冷却技术包括：水侧自然冷却技术、风侧间接自然冷 却技术、风冷冷机自然冷却技术和风侧直接自然冷却技术。风侧直接自然冷却技术直接利用室外低温空气给数据中 心机房降温，换热流程得到了减少。该自然冷却技术可以分为两种工作模式：
（1）完全自然冷却模式
该工况下完全利用室外低温空气给机房降温，不用开启机械制冷。
（2）部分自然冷却模式
该工况下室外冷源不能满足机房送风需求时，需要开启部分机械制冷。
根据桂林市的气候条件，桂林市冬季时温度较低，平均温度在13~20℃，同时风力强度较大。在这些气候条件基 础上，考虑用到风侧直接自然冷却技术，冬季时直接采用室外冷空气，减轻冷水机组负荷。
在室外的空气温室、湿度可以满足数据中心的送风温湿度要求，直接使用风机将室外低温空气抽入，经过过滤 器过滤之后直接送至机房内给IT设备降温，再将升温后的空气排到室外。
从室外引入的低温空气可以同机械制冷采用下送上回的方式，这样也可以减少材料的费用。依据数据中心机房 对送风量的要求，采用8台风机+8台过滤器。一台风机与一台过滤器配合使用。送风风机额定风量20000 m3/h，输入 功率1.5kW。
据统计在桂林市可以使用风侧直接自然冷却全年可达到将近3000小时，占全年34％的时间。风侧直接自然冷却 与螺杆水冷冷水机组相比，能耗要小得多。使用冷水机组与风侧直接自然冷却的结合方式比全年使用螺杆水冷冷水 机组能耗得到大大地降低。所以此节能方式是可以推广使用的。
在本章节中，主要对除压缩机、换热器之外的设备进行计算选型。制冷系统四大部件中的节流阀选择使用电子 膨胀阀，电子膨胀阀的调节范围大，可在10~100％之间调节，制冷剂流量变化可以很大。对制冷量的调节同时可配 合风侧直接自然冷却时使用，效果更佳。干燥过滤器则可以解决制冷剂在管道流动过程中，吸收制冷剂中的水分及 清除制冷剂中夹杂的杂质。根据制冷剂种类及制冷量选择使用型号为CDR04813-DC的干燥过滤器。为冷却水循环选配 一台符合要求的冷却塔，冷却塔是水冷冷水机组中的一个重要组成部分，它可以带走系统中多余的废热。冷凝器中 的冷却水循环水量54.7m3/h，在选择冷却塔时必须要达到这一要求。因此选用无锡方舟逆流开式冷却塔，型号为 FKN-65。
同时全年仅仅使用螺杆水冷冷水机组，产生的能耗会比较大。考虑到桂林市的气候条件，桂林市全年有将近 3000小时的时间可以使用风侧直接自然冷却技术，因此采用风侧直接自然冷却与螺杆水冷冷水机组配合使用的方 式。风侧直接自然冷却技术产生的能后远小于螺杆水冷冷水机组，所以采用此种制冷方式可以达到节能效果。
结论
研究结合数据中心水冷空调系统构成及原理，定性分析水冷系统的节能措施，对运维过程中实现水冷空调系统安全可控、高效运行、节能降耗具有重要意义。从机房规划、设计、空调设备选型、施工、运维全生命周期内进行精细化管理，降低制冷系统能耗成本，最终实现绿色节能的数据中心。
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双碳背景下数据中心制冷系统节能分析
摘要
关键词：双碳；数据中心；制冷系统；节能
Abstract
With the rapid development of 5G communications, big data, cloud computing and the Internet of Things, data centers are carrying more and more business, and the total power consumption of data centers is rising as a proportion of the global total power consumption. The high energy consumption of the data center directly affects the economic benefit of the enterprise, and the high reliability and redundancy configuration of the refrigeration system also need to invest high construction cost. Data centers use the same principles for performance requirements, energy efficiency goals, construction flexibility, and so on. Refrigeration and air conditioning systems, as one of the components, are configured in the same way, which cannot meet the requirements of use. The challenge brought by high energy consumption of data centers has become a constraint factor for the development of data center industry. The construction of energy-saving, green, efficient and low-carbon data centers will surely become the only way for the future development of the industry. Scholars at home and abroad have attached great importance to the energy conservation research of data center. Since data center is a new product brought by information technology in the new era, it is necessary to increase the energy conservation research of data center. A typical data center consists of the Internet Technology (IT) system, power distribution system, cooling system, and other systems. Each system consists of several sub-systems. The complexity of the system makes energy saving planning of the data center more difficult. The energy conservation research of data center is mostly carried out from a single system or a certain level, and the energy conservation planning of data center lacks integrity and completeness
Sex. Therefore, this paper takes the data center as the overall research object, closely combines the energy saving of the data center with each system of the data center, and carries out planning and design from the "source". Detailed research data center cooling system, power distribution system in the direction and strategy of energy conservation, and the related research results, the research theory in one data center should be used in engineering practice, significantly increased the greening of the data center, low level of carbide, to promote the sustainable development of the whole data center industry has very important significance. In this paper, according to the author's years of practical experience in data center engineering, combined with the theoretical research on energy conservation of data center, it is proposed that the energy conservation planning of data center should be included in the preliminary planning and design stage, and the energy conservation practice should be carried out from the "source" to avoid passive rectification after energy consumption waste.
Key words: double carbon; Data center; Refrigeration system; Energy saving
0绪论
0.1研究背景
现如今云计算、大数据等新技术高速发展，尤其2019年开始5G技术在我国开始应用。数据中心作为数据流转枢纽和业务承载平台，已成为全球数字经济的重要基础设施之一。随着发展的需求，建立新的数据中心与对旧数据中心的改造成为趋势。据有关数据报告表明，2019年中国数据中心的数量为7.4万个左右，大约能占全球数据中心总量的23％，但这个数量与美国、西欧相比仍有较大的差距，在国内数据中心建设仍有较大的发展。
数据中心的数量得到了发展，但是同时也存在一些问题，数据中心机房的扩大、IDC设备的增加，所需要消耗的能源也随之增加。现如今消耗的能源主要是电能，不仅仅是IDC设备运行耗能，设备运行时散发出大量的热量，而这些热量需要空调设备将其转移，因此，空调设备的耗电量也成为数据中心机房耗能的一大设备。降低数据机房的能耗，不仅仅是降低IDC设备运行能耗，同时也要降低空调设备的能耗。
在这里将讨论怎样为数据中心设计合理的空调制冷系统，同时在这个基础上结合各种因素做到减少制冷系统的能耗，也就是我们要为其设计节能空调制冷系统。这就是接下来我们要研究、设计的方向。为数据中心做到节能不仅降低的能耗，还可以创造出更大的经济价值，同时绿色节能也符合国家政策，为保护自然环境做出贡献。
0.2研究综述
随着通信技术的发展，所需的数据中心的数量及规模一直在不断地扩大。科学技术技术在迅速地爆发，基于传统技术理念和实施技术要求的局限性，数据中心也在面临着能源消耗过大的问题。目前，据相关数据表明，美国数据中心平均电能利用率（PUE）为1.9，我国数据中心电能利用率（PUE）普遍为2.2，所以，根据数据显示，我国在节能这一方面还有很大的潜力，可以做更进一步的提升。
数据中心设计对机房的温度、湿度和洁净度有很高的要求。根据《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）规定，数据中心机房的空调冷负荷由设备散热、太阳辐射热、围壁结构传热、照明设备传热、操作人员散热以及新风负荷以及除湿过程产生的潜热构成[2]。与常用的普通家庭空调相比，机房空调属于工艺性空调，要求必须满足一定的工艺性要求。
对于数据中心空调的设计现在都有着很多的案例，在设计时根据不同的气候条件、不同的地理位置设计不同的空调制冷系统。有很多国内外学者对数据中心空调制冷系统进行了研究。A.Amir等人研究另一种夜空辐射冷却（NSRC）系统，NSRC是一种被动的、可持续的冷却方法，它利用天空作为辐射散热器。提出并分析了一个可靠的混合NSRC系统，该系统包括一个热泵系统，用于远程、离网数据中心的冷却。混合夜间天空辐射冷却系统具有很大的潜力，并对其行系统优化[3]。
HafizM.Daraghmeh等人研究了采用R-134a制冷剂填充分离式两相热虹吸回路(STPTL)作为数据中心自由冷却技术的可行性。两个数据中心机架，其中一个带有翅片和管式热虹吸管，由计算机机房空调单元(CRAC)单独冷却。热虹吸有助于部分消除CRAC压缩机负荷，从而研究了热虹吸回路的节能潜力。冷凝器是一种水冷设计，采用全氟烷氧基管道作为绝热提升管/降水管，以便于安装和移动能力。试验的充盈率为0~90%。试验结果表明，随着灌装比的提高，节能效果增强，填充比为70%时，最佳节能率可达38.7%，进一步提高灌装比可降低节能效果[4]。
水蓄冰技术原理简单、运行平稳，在工程领域得到广泛应用。黄庆河、曹连华等人将水蓄冰技术在数据中心的应用进行研究，他讨论到水蓄冰技术在数据中心的应用有两种形式；一是作为应急冷源，水蓄冰有开式、闭式两种应用形式，开式蓄冰系统技术成熟，蓄冰效果较高，相对于闭式蓄冰罐，开式蓄冰罐得到更广泛地应用。二是节能运用，有效利用备用的冷水机组与应急蓄冷系统,避免冷水机组部分负荷运行,提高其运行效率；减少制冷机白天开机时间,对于有合理分时峰、谷电差价的地区,可降低空调系统的运行费用。蓄冷温差为10℃时，运行电费节约9%左右。如果采用更大的温差蓄冰，节能效果会更加明显。由此我们可以看出水蓄冰技术在数据中心空调制冷系统中有很好的作用，节能效果也明显[5]。
数据中心有时会根据地理位置选择空调制冷系统，如我国的新疆，全年气温都较低，根据气温条件我们可以取用室外的低温空气。郭志成对自然冷却空调系统的应用进行了研究，依据新疆的气候条件，他采用了蒸发冷却空气-水空调系统技术，此技术是在直接蒸发冷却技术、间接蒸发冷却技术及乙二醇自然冷却技术的基础上进行了研制，并实现了全年100%自然冷却。该系统有三种运行模式，满足全年的制冷需求。该系统运用在数据中心中全年电能利用率（PUE）为1.26左右，与传统的机房空调系统相比，全年最大节能率达到73%。由此可见，其节能效果明显，经济效益可观[6]。
IT设备与机房空调系统是数据中心里的两大耗能设施，空调系统仅次与IT设备为第二耗能设施。随着我国IT事业的快速发展,给数据中心制冷技术带来了新的机遇，制冷技术可以得到更好地利用，合理采取有效措施，根据不同数据中心的要求采取不同的制冷系统，但终归还是得以节能为目标，降低数据中心机房空调运行能耗,减少运营成本,是实现节能减排的重要技术手段,符合我国可持续发展的战略要求。与国外相比，我国在这一方面还有着很大的潜力。
1数据中心制冷系统节能概述
1.1数据中心简介
1.1.1数据中心的定义
数据中心是全球协作的特定设备网络，其以现有的因特网络为传输通道，利用数据中心基础配套资源，通过自用或者外租的方式为各类用户提供服务。用户将其服务器、存储、网络等设备放置于数据中心，数据中心供应商为用户的设备提供基础环境、日常维护、配置测算及日常管理服务。除此以外，还可为用户提供计算空间和存储空间、通信链路、互联网出口租用、代理和其他应用服务。数据中心根据其内部的设备组成分为四部分。
1.IT系统：主要由各类服务器、磁盘阵列、安全防护和网络设备等组成。服务器设备数量在IT系统中的占比超过50%，其主要用于各类数据中心计算和交换；磁盘设备用于安全、高效、可靠的存储各类数据；安全防护主要是对IT系统提供流量清洗、病毒检测、日志审计等安全保障；数据中心内部与外部之间的数据交换主要通过网络设备来实现。
2.配电系统：为数据中心提供电力引入、电力转换及停电后的基础保障，是数据中心IT系统能够可持续、稳定运行的前提。
3.制冷系统：主要分为制冷冷源设备和空调末端设备等。主要对数据中心的IT系统和配电系统进行冷却，保证数据中心的安全稳定运行。主要分为制冷冷源设备和空调末端设备等。
4.其他系统：属于数据中心的辅助系统，一般由监控、消防以及其他保障系统组成[6]。一般来说，配电系统、制冷系统、其他系统统称为机电系统或机电配套系统。
1.1.2数据中心的分类
根据数据中心的可安装机架的数量不同，一般机架数超过10000个的数据中心称为超大型数据中心；如果机架数量少于3000个的，则称为中小型数据中心；介于这两者之间的则为大型数据中心。
根据数据中心的业务类型不同，可分为自用型和外租型。主要满足自用业务安装需求的数据中心，如电信运营构建的用于安装基础通信网、核心网、承载网等设备的数据中心就属于自用型；而主要用于满足外租客户装机或提供外租业务的机房就是外租型数据中心，此类机架在本文简称为IDC机架。
依据数据中心的机架规模、业务类型不同，其适用的节能方向和节能技术有所不同。根据数据中心的机架规模、业务类型情况，可按照园区级、机楼级、机房级进行节能规划实践，也可根据不同的业务类型，差异化的对基础保障资源的容量、等级进行合理规划。
1.2我国数据中心的发展情况
1.3我国数据中心的能耗情况
1.4数据中心制冷系统的节能方向研究
制冷系统作为数据中心的能耗结构中除IT系统外的最大耗能单元，从大量的实践案例来看，很多的制冷系统能耗浪费都是由于系统规划选型不当、自然冷源利用不充足、运行模式不合理、机房气流分配不均匀、制冷系统运行维护手段不智能、能源利用不充分而造成的，针对以上问题，本文从以下几个方向来开展数据中心制冷系统的节能研究。
（1）制冷系统的选择与数据中心的建设规模、当地的气候条件、市政配套条件都有着密不可分的关系，需要考虑各种因素的限制，系统相对复杂，部分数据中心未在建设初期选择合理的制冷系统导致系统选型不当造成能耗浪费。如水冷冷水机组系统不适用于缺水地区。
（2）制冷冷源系统的能耗占比达到整个制冷系统耗能的7080%,制冷冷源系统的运行效率和能源利用率将决定整个制冷系统的能耗水平，充分利用自然冷源、优化系统运行模式可以显著制冷冷源系统的能源消耗。
（3）作为制冷系统的另外一个组成部分，空调末端系统的耗能约占整个制冷系统耗能的20%30%,传统的机房采用先冷却空间再冷却机架的模式，机房采用地板下送风或者风帽上送风模式，空调送风距离较长，这样容易在机房内部造成局部热点，为解决该问题通常采用加大空调末端的送风量或者增加空调末端来解决，不仅造成了机房能耗浪费而且导致机房装机规模下降，因此，需要合理选择机房空调末端、优化机房气流组织，降低空调末端能耗。
（3）数据中心制冷系统与IT系统散热、设备配置、机房环境、室外大气环境等相互关联，如何实现机房IT系统散热、空调末端送风、制冷冷源系统三者之间的最佳匹配，减少空调末端无效送风和制冷冷源的过量制冷大多是依靠实践经验，在达到一定的运维成熟度之后，传统的维护和实践经验已无法降低制冷系统的能耗。伴随着IoT和AI技术的快速发展，智能化的运维将有效解决上述问题，AI能效优化，AI运维与巡检、预测性维护、实时调节参数将成为未来制冷系统发展的方向。
数据中心作为高耗能场所，制冷系统在完成对IT系统的降温后，将产生大量的余热，存在很大的利用价值及空间，可通过热泵机组，利用余热进行供暖或提供生活热水。如此可实现能源的梯次利用，提高能源综合利用率。
2双碳背景下数据中心制冷系统设计原则
2.1数据中心制冷系统容量设计原则
每个数据中心都有自己的特点，因而也没有什么可以完全套用于任何一个数据中心的技术方案。本论点主要讨论在数据中心制冷节能方面的一些基本原则和技术问题。在此基础上，每个不同的数据中心可以做出自己的节能方案。
但是这种假设有下面的不确定因素：
2、匹配式制冷系统是传统数据中心热交换过程中额外的一个步骤。这个步骤加在数据中心冷却水循环和水冷机组冷却水循环之间的，因此提高送风温度并不能提高水冷机组的制冷效率和增加自然冷却的时间。
3、根据达西·魏斯巴赫理论，水管的长度和容积会降低水管内的压力，所以这些管道会大大影响数据中心内的空调机的制冷效率和减少自然冷却的时间。
4、当把冷送风和热回风彻底隔离之后，匹配式制冷系统能够提供相当干机房空调机在冷水节能器相同的自然冷却的时间。但是在空气节能器或热交换转轮节能器是不能有着相同的自然冷却时间。而这两种节能器都是目前世界上广泛被使用的节能器。
可持续的数据中心节能改进项目应从如下几点考量：
1、在等级1的数据中心中可以使用精确匹配式制冷系统，但必须使用可调节风旦风扇来满足服务器的热密度。但在等级2的数据中心应避免使用。比如在数据中心内，有些机柜的热负载为60%，有些为80%，而另外的为30%。这时，匹配式制冷系统的风量为(.603,.803and.303)，综合下来这些风扇的平均的效率只有25%左右。
2、在考虑并发性的冗余和无停机维修性时，我们需同时考虑空调机的制冷效率和冗余条件。比如在热负载为120吨的数据中心内，N十Z的冗余标准下我们配备6台30吨的空调机。相比之下，当我们只开其中4台空调机时，6台全开时的每台空调机只使用了67%的送风或30%的能源使用率。比起只开4台空调时的100%的使用率，全部6台空调全开时全部空调45%的送风效率或每台只用了30%的送风效率。按照相识定律，我们大大浪费了能源。
3、精确匹配式制冷系统将制冷系统和机柜紧密相连，我们不得不考虑它的冗余性能和维护性。我们必须安装一套独立的备用匹配式制冷系统或安装独立的机房空调系统以备不时之需。
4、当使用密闭冷通道等手段来制冷时，为了达到冗余的桔求，我们必须将机房空调机加在UPS上。这是我们需考虑UPS的可操作性和效率。
精确匹配式制冷和隔离冷送风/热回风一样有着节能的效果，可以减少冷风浪费现象并通过加大热回风的温度来提高空调机的制冷效率。在使用变频空调和可调节风量风扇时，我们可以利用相识原理来节省能源的使用。
此外，我们需尽可能的使用自然冷却来获得最大的能源节省。精确匹配式制冷和隔离冷送风/热回风这两种方式都在使用冷水节能器时，获得巨大的节能效应。但是在使用空气节能器或热交换转轮时，隔离冷送风/热回风的方式则有着更大的优势。
2.2合理选择制冷系统，利用自然冷源
该数据中心所在城区属寒冷地区，每年可使用自然冷源的时长约4968小时（相当于207天，约占一年的57%）,根据前面的测算，数据中心一期装机能力1164架,制冷系统的制冷量需求为6603.59kW。在实际工程实践中，由于“间接蒸发制冷系统利用自然冷源”方案在该省没有成熟的应用案例，也没有成熟的维护和运行经验，因此在方案论证的前期，建设单位不同意采用这一方案。因此,从以下几个方面对“水冷冷水机组系统利用自然冷源”、“风冷冷水机组系统利用自然冷源”、“风冷空调系统利用自然冷源”在本项目中的适用性进行全面论证和比较。
2.3适度提高机房温度，提升冷机效率
提高机房温度，增加自然冷源时间”的研究成果，为了进一步提高数据中心的节能效果，制冷系统节能规划中按照14/19C规划设计冷冻水供回水温度，进一步扩大自然冷源利用范围，提高冷机的工作效率。
2.4全面使用新型空调末端，提升效率
为了有效解决该数据中心空调送风距离较长、机房局部热点问题，减少无效能耗，同时提升机房装机规模，提升投资效益，该数据中心机房全面采用重力热管式背板空调，如图5-5所示，在数据中心机房侧面规划空调间，分散安装DCU，解决制冷半径受限的问题。
2.5利用余热回收，实现能源梯次利用
该数据中心所在地区属于寒冷地区，该园区营业用房、政企展厅、智慧城市调度中心、职工食堂、换班宿舍、维护支撑、智能化控制等办公用房在冬季均需要进行取暖，以上面积共计约4300㎡，参考前文计算方法，采暖热负荷需求为322.5kW（75W/㎡）。经核算，该数据中心一期配置5台（4+1系统）500RT冷机，冷冻水供回水温度按照14/19℃计算。该数据中心设计的热负荷为4×500×3.517=7034kW；依据上述分析，该数据中心办公用房采暖热负荷仅占数据中心热负荷的5%左右。按照根据当地供暖部门提供的数据，每年11月1日-次年3月10日为采暖期，按照采暖费单价8.8元/㎡/月计算，整个园区每年的取暖费为16.4万元，具体计算如下：
每年的采暖费=4300㎡（取暖面积）×8.8元/㎡/月（取暖费单价）×（4+1/3）
=16.4万元。
因此，该数据中心应用余热回收技术，实现园区内的能源梯次利用，年节省
取暖费为16.4万元。
3某数据中心简介
3.1总体概述
为了满足业务发展需要，国内西部地区某运营商一方面为了自身业务发展对数据中心机房的需求，计划通过规模化、集约化规划建设数据中心，发挥规模效益，降低建设和运营成本，另一方面是借当前政府对信息产业发展的重视，充分利用运营商的影响力，在地价、电价及配套设施等方面向政府争取更多的优惠政策，拉动地方大数据产业发展。
3.2项目概况
该项目位于西部某省份，属于新建项目。具体建设需求如下：1.数据中心装机规模需求：近期1000架，远期500架，共计1500架。2.其他用房需求：随本数据中心项目建设，同步完成营业用房、政企展厅、智慧城市调度中心、换班宿舍、维护支撑、智能化控制、地下停车场等功能用房规划建设。
3.3数据中心征地选址节能实践
依据上述建设需求，在征地选址阶段，重点考虑了重点关注自然冷源利用、能源保障情况，市政配套条件、当地政府支撑力度等因素，于2019年11月以挂牌出让方式取得该数据中心建设用地使用权，该地块所在城区属“温带半湿润”地区,根据中国建筑气候分区图，属于寒冷地区，自然冷源充足。年平均气温为11℃。最热月7月，平均气温为22．8℃；最冷月1月，平均气温为1.0℃。地块呈梯形，场地内无附属物，东西向坡度0.9‰，最大高差1.27米；南北向坡度5.9‰，最大高差6.55米。相对于其他可选地块，该地块优势如下：
1.所在地区气候条件优越，利于利用自然冷源；2.地理位置处于核心位置、发展潜力大：地块毗邻城市轻轨站，位于新城区，属于未来城市发展核心区域，新城建设已成规模，机房可在建成后立即投入使用。3.周边配套设施完善，供电、供水、传输引接条件便利。以上优势将为后续数据中心机房规划、设计、建设、运营、维护建设过程的降本增效、节能减排提供先天条件。
3.4数据中心园区规划节能实践
3.4.1数据中心园区总平面规划
综合考虑城市规划规定、场地条件、建设单位需求、数据中心工艺要求、国家、政府相关法律法规，经建设单位规划、当地政府主管部门审批同意，该数据中心总平面布局如图5-2所示。
图5-2某数据中心总平面规划图
依据该数据中心的建设需求，该数据中心园区终期共规划3栋建筑，总建筑面积17095平方米，总装机能力1650架。为提高提高效益，盘活资金压力，该数据中心具体分期实施情况如下：一期：总建筑面积14323平方米，装机能力1164架。包含1栋机房楼（12135平方米，其中地下面积2716平方米）、1栋辅助用房（2188平方米）；二期：包含机房楼1栋，总建筑面积2773平方米，装机能力486架。
3.4.2数据中心使用功能规划
据建设单位要求，该数据中心园区建筑物需具备通信机房（含自用机房、IDC机房、电力电池室、油机房、高低压配电室等）、营业用房、政企展厅、智慧城市调度中心、职工食堂、换班宿舍、维护支撑、智能化控制、地下停车场等多项功能，综合考虑园区场地总体使用、预留发展用地等因素，一期工程机房楼、辅助用房使用功能规划如下：1）1#机房楼：自用机房、IDC机房、电力电池室、营业用房及政企展厅、维护支撑用房等；2）辅助用房：油机房、高低压配电室、职工食堂、换班宿舍等。
4某数据中心制冷系统节能技改思路与措施
4.1冷却水塔改造
本项目采用某国际知名品牌的横流开式冷却水塔,配合冷水机组工作,同样采用2+1配置,单机选型流量750m3/h,供、回水温差6℃,选用变频风机,风机采用变频电机,功率60kW。
依据3.2节冷水机组的节能原理,冷却水温度的高低在很大程度上影响着冷水机组的效率和能耗。因此,认识清楚冷却水塔在不同工况下的出水温度规律,对制定相关的节能策略是非常关键的。
根据冷却水塔厂家提供的性能数据,我们研究了不同环境湿球温度下,不同负载情况下,冷却水塔出水温度的变化规律,具体见图7。图7显示了冷却水塔6℃供、回水温差工况情况下,60%、80%和100%负载情况下,冷却水塔出水温度随环境湿球温度的变化情况。从图中可以看出,在湿球温度高于22℃时,不同负载率下冷却水塔的出水温度基本一致。再当湿球温度更低时,出水温度差异逐渐变大,且负载率越低,冷却水塔出水温度也越低。以湿球温度14℃时为例,60%负载下出水温度约17℃,100%负载的约20℃,约有3℃温差。同时,随着负载率降低,出水温度持续降低的幅度约小。
(1)
T0——蒸发温度
Tk——冷凝温度
按逆卡诺循环效率公式(1)分析,蒸发温度不变,冷凝温度下降3度,效率约提升25%,耗功减少约20%,节能效果明显。
图7冷却水塔6℃供、回水温差下不同散热负载时出水温度
图8显示了100%工况下,冷却水供、回水温差对冷却塔出水温度的影响。可以看出,与负载率的影响类似,随着环境湿球温度降低,供回水温差越小的工况,冷却水塔的出水温度显示更低。但在高湿球温度情况下,出水温度没有明显差异。
图8冷却水塔不同供回水温差下出水温度
此外,冷却水温度降低后,除了可以提升冷水机组制冷效率,降低冷水机组功耗外,也有利于制冷系统更快的进入全部自然冷供冷模式,从而大大降低数据中心全年PUE。
综合上述分析,我们可以得出以下结论:
(1)在制冷系统正常工作时,在环境湿球温度低于24℃时,可采取措施,如打开备机等方法,避免冷却水塔工作在满载工况,以得到更低的出水温度,从而提高冷水机组的效率,达到降低制冷系统整体功耗的目的;
(2)在冷却水泵运行工况允许的情况下,当环境湿球温度较低时,可提高冷却水流量,降低供回水温差,达到降低冷却水出水温度的目的;
(3)避免开启不必要的冷却水塔,如冷却水塔已经工作在60%负载及以下时,不必开启新的冷却水塔,以得到更低的负载工况。因为更低负载工况下,冷却水塔出水温度变化不大,冷却水塔的功耗反而增加了,对总体能效表现不利。
4.2循环水泵组改造
为保证末端空调供水安全，某移动数据中心水冷系统管路采用双（环）路形式：冷冻水系统采用闭式循环系统，并设置开式蓄冷罐兼作为冷冻水系统定压装置。每个制冷站均配置两套独立的分集水器，分集水器之间设置压差旁通装置。机楼启用初期，热负荷较低的情况下，通过旁通管调节冷冻水流量，旁通最大流量为单台冷水主机额定流量的40%[3]。从两套分集水器分别引出供回水管在每层机楼、每个机房模组内成环，管道设置必要的阀门以保证在管道故障、系统维护检修时可切换。集分水器及供回水管网结构如图2所示。
图2水冷系统管网结构
水冷系统循环水泵的能耗与其转速n、流量Q和扬程H有关，即当水泵转速为一定值时（额定转速n1），流量与扬程为反比关系。三者的关系如图3(a)所示，如果用水流量减少，从Q1减少到Q2，则扬程沿着n1曲线从H1增加到H2。当用水流量增加，从Q1变到Q3，扬程则沿着n1曲线从H1降低到H3[4]。水泵此时的能耗总是等于扬程与流量的乘积。并且在此3种流量和扬程的情况下，水泵始终在最佳工况点上工作，则水泵的能耗也基本相等，即：
H1×Q1=H2×Q2=H3×Q3
在实际运行过程中，冷冻水循环泵要保证整个系统中最不利压差点的最小压差。这就要求水泵工作时的管网压力，应满足末端空调冷冻水循环的基本要求。如果供水压力（扬程）升高，不仅造成能源浪费，同时管网因承受高压，缩短管网使用寿命，水泵电机也因水泵送不出水而持续发热，加速电机老化甚至烧毁机泵。如果供水压力（扬程）降低，系统热负荷增大导致用水流量增大，管网的末梢、远端或高处等最不利点压差就会减小，导致该点末端空调水流循环不畅，无法满足机房内的制冷需求。根据图3(b)所示，当系统热负荷波动导致冷冻水循环流量降低，从Q1变化到Q2或Q3时（Q1为水泵满足冷冻水供水扬程H1的最大流量），如果能及时调整电机转速，从原来的n1值，调整为Q2时的n2值或Q3时的n3值，根据水泵在一定转速下的流量、扬程关系，水泵工作在n2曲线上的Q2流量所对应的扬程为H1；工作在n3曲线上的Q3流量所对应的扬程也为H1。当用水量变化时，如果能及时调整电机转速，就可以实现冷冻水压力不变的情况下，降低水泵出水量，并且实现节能，即扬程不变时，3种转速和流量条件下的能耗满足以下不等式：
H1×Q3＜H1×Q2＜H1×Q1
保证最不利末端压差的前提下，通过调节电源频率，调节水泵转速和流量。实际运行生产过程中调整频率会影响到水泵压力扬程、流量，同时还要保证水泵工作在高效点附近，水泵调频范围在35~50Hz；根据理论计算能耗变化与频率变化的三次方程线性关系，通过调频节能效果比较明显。
图3水泵流量—扬程曲线
第5章 辅助设备选型
5.1节流阀选型计算
在制冷系统中，处理压缩机、换热器等这些设备外，节流装置也是在制冷系统中实现制冷必需的部件之一，它 的种类有很多，包括热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管等等。
电子膨胀阀按结构形式的不同，分为电子直流膨胀阀、脉冲电机式膨胀阀和指令电机式膨胀阀等等。其原理为 通过微处理器控制和脉冲电动机驱动，通过传动杆的升降，阀心可以上下移动，从而进行流量调节。
依据工作条件，制冷量273kW，蒸发温度2℃，有效过热度5℃，冷凝温度40℃，过冷度5℃，利用软件选择电子 膨胀阀，得到的电子膨胀阀数据如表（5-1）
表5-1膨胀阀参数
5.2 干燥过滤器
干燥过滤器一般用在氟利昂制冷系统中，用于吸收制冷剂中的水分及清除制冷剂中的机械杂质。干燥过滤器通 常安装在节流阀之前，水平安装，方向与制冷剂流动方向一致。保证制冷剂顺利流通，不致因堵塞影响正常工作。 选用干燥过滤器的型号：CDR04813-DC，其各个参数如下表
表5-2干燥过滤器
5.3油分离器选型计
油分离器主要用于将压缩机排出的气体中夹带的润滑油分离出来。常用的油分离器有以下几种形式：洗涤式、 离心式、过滤式和填料式。
油分离器的选型计算，主要是确定油分离器的筒直径，保证油分离器内的气体制冷剂的流速符合要求，达到分 油的效果。
5.4冷却塔
冷却塔是一种通过水和空气的的接触作用，蒸发散去制冷空调或者工业中产生废热的设备。冷却塔的使用范围 很广泛，主要应用于空调冷却系统、冷冻系列、注塑、发电等领域。冷却塔分类为开式冷却塔、闭式冷却塔。
在进行冷却塔的选型时主要考虑冷却塔中的循环水量，循环水量在冷却塔运行时会产生水量的损失，比如蒸发 损失、风吹损失、排污水量。所以在选型时应选取比计算所需水量稍大的冷却塔。冷却塔还需要定期的清洗，因为 冷却水中大多数含有钙、碳酸盐，长期已久就会形成水垢沉淀物，因此就要定时地去清洗。
在本文设计制冷系统中，冷却水循环水量G=54.7m3/h。根据要求选用无锡方舟流体科技有限公司逆流开式冷却 塔，型号为FKN-65。其具体参数如下表
表6-3
5.5室内机房设备
为IDC机房设计8台室内空调末端设备与8台排风机，N+1台冗余。末端设备与冷源螺杆冷水机组相连。末端设备 将冷却新风送至机房内进行热交换，由机房内排风机将机房回风排到机房的楼道内，再由楼道排风机排到机房楼 外。机房空调末端设备额定制冷量为80kW、额定输入功率4kW、额定风量21000m3/h，排风机额定风量20000 m3/h、 输入功率0.9kW。
图5-1下送上回气流组织方式
机房采用下送上回的送风模式，该方式也是目前很多使用与在建的数据中心常用的一种气流组织方式。下送风 则需要采用架空地板，同时利用架空地板的下部空间作为送风静压箱，可以减少送风系统的动压，增加静压稳定气 流。该气流组织方式如图（5-1）所示
5.6直接风侧自然冷却
自然冷却技术是数据中心最有效的节能技术。常用的自然冷却技术包括：水侧自然冷却技术、风侧间接自然冷 却技术、风冷冷机自然冷却技术和风侧直接自然冷却技术。风侧直接自然冷却技术直接利用室外低温空气给数据中 心机房降温，换热流程得到了减少。该自然冷却技术可以分为两种工作模式：
（1）完全自然冷却模式
该工况下完全利用室外低温空气给机房降温，不用开启机械制冷。
（2）部分自然冷却模式
该工况下室外冷源不能满足机房送风需求时，需要开启部分机械制冷。
根据桂林市的气候条件，桂林市冬季时温度较低，平均温度在13~20℃，同时风力强度较大。在这些气候条件基 础上，考虑用到风侧直接自然冷却技术，冬季时直接采用室外冷空气，减轻冷水机组负荷。
在室外的空气温室、湿度可以满足数据中心的送风温湿度要求，直接使用风机将室外低温空气抽入，经过过滤 器过滤之后直接送至机房内给IT设备降温，再将升温后的空气排到室外。
从室外引入的低温空气可以同机械制冷采用下送上回的方式，这样也可以减少材料的费用。依据数据中心机房 对送风量的要求，采用8台风机+8台过滤器。一台风机与一台过滤器配合使用。送风风机额定风量20000 m3/h，输入 功率1.5kW。
据统计在桂林市可以使用风侧直接自然冷却全年可达到将近3000小时，占全年34％的时间。风侧直接自然冷却 与螺杆水冷冷水机组相比，能耗要小得多。使用冷水机组与风侧直接自然冷却的结合方式比全年使用螺杆水冷冷水 机组能耗得到大大地降低。所以此节能方式是可以推广使用的。
在本章节中，主要对除压缩机、换热器之外的设备进行计算选型。制冷系统四大部件中的节流阀选择使用电子 膨胀阀，电子膨胀阀的调节范围大，可在10~100％之间调节，制冷剂流量变化可以很大。对制冷量的调节同时可配 合风侧直接自然冷却时使用，效果更佳。干燥过滤器则可以解决制冷剂在管道流动过程中，吸收制冷剂中的水分及 清除制冷剂中夹杂的杂质。根据制冷剂种类及制冷量选择使用型号为CDR04813-DC的干燥过滤器。为冷却水循环选配 一台符合要求的冷却塔，冷却塔是水冷冷水机组中的一个重要组成部分，它可以带走系统中多余的废热。冷凝器中 的冷却水循环水量54.7m3/h，在选择冷却塔时必须要达到这一要求。因此选用无锡方舟逆流开式冷却塔，型号为 FKN-65。
同时全年仅仅使用螺杆水冷冷水机组，产生的能耗会比较大。考虑到桂林市的气候条件，桂林市全年有将近 3000小时的时间可以使用风侧直接自然冷却技术，因此采用风侧直接自然冷却与螺杆水冷冷水机组配合使用的方 式。风侧直接自然冷却技术产生的能后远小于螺杆水冷冷水机组，所以采用此种制冷方式可以达到节能效果。
结论
研究结合数据中心水冷空调系统构成及原理，定性分析水冷系统的节能措施，对运维过程中实现水冷空调系统安全可控、高效运行、节能降耗具有重要意义。从机房规划、设计、空调设备选型、施工、运维全生命周期内进行精细化管理，降低制冷系统能耗成本，最终实现绿色节能的数据中心。
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