数据中心空调系统节能技术白皮书.pdf

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数据中心空调系统节能技术白皮书
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随着数据中心规模的不断扩大,服务器热密度的不断增大,数据中心的能耗在能
源消耗中所占的比例不断增加。制冷系统在数据中心的能耗高达40%,而制冷
系统中压缩机能耗的比例高达50%。因此将自然冷却技术引入到数据中心应用,
可大幅降低制冷能耗。
自然冷却技术根据应用冷源的方式有可以分为直接自然冷却和间接自然冷却。直
接自然冷却又称为新风自然冷却,直接利用室外低温冷风,作为冷源,引入室内,
为数据中心提供免费的冷量;间接自然冷却,利用水(乙二醇水溶液)为媒介,
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用水泵作为动力,利用水的循环,将数据中心的热量带出到室外侧。
自然冷却技术科根据数据中心规模、所在地理位置、气候条件、周围环境、建筑
结构等选择自然冷却方式。

直接自然冷却系统根据风箱的结构,一般可分为简易新风自然冷却新风系统和新
风自然冷却系统。


简易新风直接自然冷却系统主要由普通下送风室内机组和新风自然冷却节能风
帽模块组成。节能风帽配置有外部空气过滤器,过滤器上应装配有压差开关,并
可以传递信号至控制器,当过滤器发生阻塞时,开关会提示过滤器报警。该节能
风帽应具备新风阀及回风阀,可比例调节风阀开度,调节新风比例。
该系统根据检测到的室外温度、室内温度以及系统设定等控制自然冷却的启动与
停止。

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进入自然冷却运行模式的条件:主要根据室外温度及室内设定温度作为进入自然
冷却模式的依据。-2008建议数据机房温度范围18-27℃,可
将机房温度设定为27℃,甚至更高些。设定的室内温度越高越利于空调机组能
效的提高,利用室外新风自然冷却的时间也越长。
简易新风自然冷却系统运行主要有以下模式:

室外温度不满足自然冷却条件时,系统运行模式为压缩机运行模式。通过压缩机
循环制冷来冷却机房。
压缩机模式下,新风阀关闭,排风阀关闭,回风阀打开,仅室内侧气流进行循环。

在自然冷却可启动的温度范围内,如果自然冷却提供的冷量不能满足室内需求,
机组将通过压缩机循环间歇性工作保证室内温度,此时系统运行模式为混合模
式。
混合模式下,新风阀打开,排风阀打开,回风阀关闭,压缩机间歇性工作,室内
气流为全新风。

室外新风风阀打开,排风阀打开,压缩机停止运行。室内所需的冷量,完全由新
风提供。新风风阀及回风风阀的开度在0-100%范围内自动调整。
为防止结霜,室外温度低于结霜温度时应停止室外新风直接自然冷却运行模式。
因此,该系统应该设置一个停止自然冷却运行的一个下限温度。

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简易新风自然冷却系统,结构简单,控制及操作方便,具有以下优势:
1更加高效节能:利用新风制冷,减少压缩机运行时间,可大幅减少制冷系统能
耗;
2改造成本低:新风系统简单,只需增加一个风帽组件,并引入新风即可,改造
费用低;
3运行成本降低:压缩机能耗在制冷系统中的能耗约占50%,压缩机运行时间
减少,能耗降低,运行成本降低;
4适用机型广泛:可使用于风冷、水冷、CW及双冷源等下送风型所有机组;
5要求精密空调机组必须为EC风机,进一步降低机房空调能耗;
6可以一组机组共享一个外部传感器,减少设备配置投资。

简易新风自然冷却适用于中国绝大部分区域。
引入新风环境应避免太阳直射,应考虑灰尘、烟雾、湿度范围、安全、楼层高度
等因素。
以应用规模来讲,简易型新风自然冷却系统适用于中小型数据机房。


新风直接自然冷却系统主要由室内机组,含新风阀、回风阀及防霜风阀的节能混
风箱模块及排风口组成。
当室外新风温度达到启动自然冷却启动设定温度,系统将进入自然冷却运行模式
或混合运行模式。
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系统根据室外温度及室内回风温度,调节新风阀、回风阀及防霜风阀进行比例调
节。
直接自然冷却系统可以根据室外温度和机房热负荷的变化自动动态调节,设定的
室内回风温度越高,利用室外新风自然冷却的时间越长,由机组的控制器来自动
选择控制不同模式的运行(以室内回风温度设定为24℃为例)。


当室外温度高于24℃时,机组运行方式为:压缩机运行+室内侧风循环
室内回风阀完全打开,排风阀关闭,新风阀关闭,此时通过压缩机运行,室内风
循环来为机房提供冷量。
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当室外温度在18℃~24℃范围内时,机组运行方式为:压缩机运行+全新风
室内回风阀完全关闭,排风阀打开,新风阀打开,室外此时压缩机间歇运行,降
低新风温度,为机房提供冷量。

室外温度不高于18℃则系统可以启动自然冷却。此时压缩机不工作。室外新风
风阀及排风风阀开启,依据室外温度最大可至全开。回风风阀依据需要的混合的
风量调整至相应开度。此时节能效果最显著。
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在该模式下,当室外温度达到结霜温度时,防霜风阀开启,进入室内新风先与部
分室内回风进行一次混合,将室外冷空气预热,然后再与室内回风进行二次混合,
精确控制送风温度。

但与简易型新风自然冷却系统比起来,新风自然冷却系统初投资更大,但也具备
以下优势:
1适用温度范围更加广泛:新风结构增加防霜混风箱等,可以适应更低的室外温
度;
2运行成本进一步降低:运行新风自然冷却的时间更长,进一步减少压缩机能耗。
3自然冷却节能效果更佳:相对于间接自然冷却,新风自然冷却无需冷液作为媒
介,无需水泵及室外风机的功耗,节能效果更佳显著。

新风自然冷却适用于中国大部分区域。
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新风自然冷却系统应该在数据中心建设之前就考虑该方案,并围绕该制冷解决方
案进行数据中心的选址、设计。
选址及设计应考虑灰尘、烟雾、湿度范围、安全、楼层高度等因素。
以应用规模来讲,新风自然冷却系统适用于中大型以及超大型数据机房。
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机房空调间接自然冷却系统由室内机组,室外干冷器(或冷却塔)和水泵等组成。
室内机组是在水冷型机组的蒸发盘管上面增加了一套自然冷却冷水盘管。室外温
度较高时,压缩机制冷运转,冷却水在板式换热器内吸热,通过干冷器,(或冷
却塔)散热,;在室外温度相对低时,水温达到一定要求时,控制水阀,让部分
或全部冷水流经自然冷却冷水盘管,冷却室内部分或全部负荷。因为制冷剂循环
独立于自然冷却水循环,所以该系统具有混合运行模式,即在使用自然冷却的同
时,压缩机间歇性运行来保证制冷量的要求。这样一来提高了使用自然冷却的室
外温度范围,产生更大的节能效果。其实物示意如下图所示:
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其系统原理示意如下图所示:
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该系统跟据室外温度和负载,有机房空调控制器自动进行模式切换,设定的室内
回风温度越高利用室外新风自然冷却的时间越长,以室内回风温度设定为27℃
为例,在室外气温低于24℃就可以启动自然制冷,进入混合模式运行。
该系统运行模式如下:

室外温度高于24℃时,自然冷却水阀关闭,冷凝器水阀开启,机组以压缩机模
式运行,为机房提供冷量。该模式下制冷系统能耗最高。

当室外温度在13℃至24℃范围内,机组在混合模式下运行。此模式,自然冷却
盘管水阀开启,冷凝器水阀开启,压缩机循环间隙性工作,干冷器提供的冷水继
续为机房提供部分冷量,此时耗电量约在压缩机满载运行时的42~90%之间。
混合模式在全年中所占比例较大,可最大程度减少压缩机运行时间。
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室外温度低于12℃系统可以实现自然冷却。此模式下压缩机循环不工作。通过
干冷器来制取冷冻水,为机房提供制冷量,此时节能效果最显著,耗电量是仅为
压缩机模式下的21%~37%左右。

间接自然冷却机房空调机组的应用,具备以下优势:
:由于无新风制冷,间接自然冷却对室外空气的质量要求降低,
适用范围更广;
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:在北方地区,全年可以节约40%的制冷能耗,在广州地区也
可以节约12%以上的制冷能耗;
、设计更加灵活方便:采用水冷方式冷却,管道距离没有限制,干冷器可
放在屋顶或地面均可,应用更加方便;
:每个机组都有自己的压缩机系统,单个机组的故障不影响
其他机组的运行;
:室内机组及干冷器采取N+1冗余配置即可,相对于冷水
主机系统的1+1或N+1配置,冗余配置成本更低;
:无新风制冷,省去新风过滤器维护成本。

间接自然冷却适用于中国大部分区域。
间接自然冷却对室外空气要求降低,适合更复杂的安装环境。
以应用规模来讲,机房空调间接自然冷却系统适用于各种规模的数据机房。


风冷冷水机组+冷冻水型机房精密空调应用解决方案中,间接自然冷却主要体现
在带自然冷却盘管的冷水主机上。风冷冷水主机利用自然冷却盘管承担部分或者
全部室内热负荷。自然冷却盘管同冷凝盘管并排放置合用同一风机。
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系统运行示意图
夏季:采用风冷冷水机组制冷模式运行
过渡时期,当环境温度比冷冻水温度低时,可以启动自然冷却系统,自然冷却系
统制冷量不足时,风冷冷冻水机组作为补偿冷源运行,从而降低机房能耗。过渡
季节风冷冷水机组运行部分或者停止运行。
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冬季:当室外温度低于回水温度,差值到一定程度,风冷冷水机组压缩机可以停
止运行,完全采用室外冷空气直接冷却循环冷冻水,对室内机房空调机组供冷。
此时,仅有风机水泵的循环动力耗能,很大程度地达到节能的效果。

该系统跟据室外温度和负载,由风冷冷水机组控制器自动进行运行模式的切换,
具体运转模式如下:

当室外温度不满足系统自然冷却模式或混合模式运行条件时,制冷系统将启动冷
水机组压缩机制冷运行,为数据中心提供冷源。此时冷水机组和普通冷水主机运
行方式一致。

当室外温度低于某设定温度,或低于室内设定温度一定值时,进入混合制冷模式。
此模式下压缩机按照负荷需求调节制冷量输出,自然冷却盘管提供的冷水继续为
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机房空调提供冷源,用来冷却部分机房热负荷。混合模式在全年中所占比例较大,
混合模式可以最大程度上减少压缩机运行的时间或减少压缩机制冷输出比例,从
而达到节能的目的。

此模式下冷水机组压缩机循环不工作。冷凝风机开启,根据需求调节转速,水泵
持续运行,乙二醇水溶液在自然冷却盘管中释放热量,温度降低,为室内侧精密
空调提供冷源。室内侧精密空调,则按照智能备机管理模式运行,根据机房负荷
调节EC风机转速及冷液流量。

间接自然冷却风冷冷水机组的应用,具备以下优势:
:由于无新风制冷,间接自然冷却对室外空气的质量要求降低,
适用范围更广;
:在北方地区,全年可以节约40%的制冷能耗,在南方地区每
年也可节约7%以上的制冷能耗;
、设计更加灵活方便:风冷冷水机组可放在屋顶或地面均可,应用更加方
便;
:相对于水冷冷水机组,风冷冷水机组启动更加快速。

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间接自然冷却适用于中国大部分区域。
间接自然冷却对室外空气要求降低,适合更复杂的安装环境。
以应用规模来讲,风冷冷水机组自然冷却系统适用于中大以及超大规模的数据机
房。


水冷冷水主机本身无法利用室外自然冷却节能,该系统的自然冷却主要通过系统
集成来实现的:在冷却水与冷冻水之间增加换热器,在室外温度较低时,通过控
制冷却水部分或全部流向新增换热器,直接利用低温冷却水冷却冷冻水,以减少
压缩机的运转从而实现节能,在系统设计时需要注意冷却水低温防冻问题防止管
路冻裂暴管。由于在系统级别上集成,设计方案及控制逻辑通常由设计单位设计,
而设备由不同的厂家提供,控制程序由第三方提供,故需要充分考虑切换时的应
急方案避免风险。其原理示意图如下图所示:
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该系统跟据室外温度和负载,由集中控制平台自动进行运行模式的切换,具体运
转模式如下:

当室外温度不满足系统自然冷却模式或混合模式运行条件时,制冷系统将启动冷
水机组压缩机制冷运行,为数据中心提供冷源。按照负载需求,机组自动调节压
缩机制冷量输出。

当室外温度低于某设定温度,或低于室内设定温度一定值时,制冷系统将进入混
合制冷模式。
此模式下压缩机按照负荷需求调节制冷量输出,自然冷却换热器提供的冷水继续
为机房空调提供冷源,为机房提供部分冷量。混合模式在全年中所占比例较大,
混合模式可以最大程度上减少压缩机运行的时间或减少压缩机制冷输出比例,从
而达到节能的目的。

此模式下冷水机组压缩机不工作。冷却塔运行,风机根据需求调节转速,水泵(冷
冻水泵及冷却水泵)持续运行,冷冻水在自然冷却换热器与冷却水交换热量,冷
冻水温度降低,为室内侧精密空调提供冷源。室内侧精密空调,则按照智能备机
管理模式运行,根据机房负荷需求调节EC风机转速及冷液流量。

水冷冷水机组间接自然冷却的应用,具备以下优势:
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:由于无新风制冷,间接自然冷却对室外空气的质量要求降低,
适用范围更广;
:尤其是北方地区;
、设计更加灵活方便:冷却塔可放在屋顶或地面均可,应用更加方便;

间接自然冷却适用于中国大部分区域。
间接自然冷却对室外空气要求降低,适合更复杂的安装环境。
以应用规模来讲,水冷冷水机组自然冷却系统适用于大规模及超大规模的数据机
房。
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随着技术的发展,节能技术不断在机房空调系统中应用,包括各动态部件的节能
选型、机组结构设计、控制节能等。

风冷及水冷室内机组制冷系统主要由压缩机、膨胀阀、蒸发盘管及室内风机。为
了实现机组节能运转,机组内各部件均件经过不同阶段的发展历程。
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压缩机型式从最早的活塞式、转子式、目前已经发展到高效涡旋式。机组容量的
卸载方式由最初的启停控制、吸排旁通数码涡旋、交流变频无极调节至目前的高
效直流无刷电机,将部分负载时的机组的COP值大大提升,目前高效EC涡旋
。
对于机房空调专用风冷冷水机组,其压缩机多采用涡旋压缩机或螺杆式压缩机。
采用涡旋压缩机的机组,可含多个压缩系统,一个压缩机构建一个系统或多个压
缩机并联组成一个系统。制冷系统根据制冷需求,可阶梯式输出制冷量。对于采
用螺杆压缩机的机组,可调节压缩机转速,无级调整制冷输出。
压缩机类型对比:
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室内风机也由最早交流电机皮带传动离心风机、交流直联外转子离心风机、EC
离心风机、目前已经改进发展至航空级复合材料叶轮EC离心风机。
改进航空级复合材料叶轮EC离心风机,叶轮直径更大,质量更轻。在获取同等
风量的情况下转速更低,功耗也更低,而且由于质量更强,在启动及运转时,自
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身消耗的功率更低。该风机比最早交流电机皮带传动离心风机节能高达50%以
上。
风机类型对比:

在节流元件中,目前制冷系统中越来越多地使用电子膨胀阀,由于实时精确控制
制冷剂流量,通常采用电子膨胀阀比采用热力膨胀阀的制冷系统节能8%左右。

目前,机房空调主要采用的加湿方式为电极式加湿及远红外加湿。随着数据机房
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节能减排的进一步要求,新的加湿方式如超声波加湿、湿膜加湿等被考虑应用到
数据机房。考虑到机房的安全性、产品成熟度及节能性,相信超声波加湿机在数
据机房的应用将有广阔的前景。
加湿方式对比:
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针对节能的结构设计思路主要有:
1)在有限空间内尽量增大换热器面积,以提高换热能力;
2)降低机组内风压损失,以降低风机功耗。
基于以上思路,在结构设计上,机房空调采用的方式有:
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1)对于冷冻水机组,下送风机组的换热部分与风机部分分两段设计,风机下置
地板下安装,将原来机组内风机占用的空间用来增大换热器面积
2)对于DX型下送风机组,可将回风口面积增大,风量保持不变的情况下,降
低风速,以减少压降,达到风机节能的目的。风口面积增大主要措施主要是增加
机组深度。

冷冻水室内机组由于无压缩机等制冷零部件,主要由两大部件组成:盘管及风机。
机组的主要能耗在于风机功耗,而风机的功耗主要用于克服盘管及空气过滤器的
阻力,为了实现节能运转就需要从降低盘管及空气过滤器的阻力着手。同样风量
下,增大盘管的面积可降低盘管迎风风速,从而降低盘管阻力,实现节能运转。
目前在冷冻水室内机组中采用下置式风机模块即是基于该项考虑。新型超大面积
换热器,将风机模块安装在换热器模块的下面,更大的利用机组的内部空间。
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采用此种结构设计的机房空调,除换热效率提高外,同等风量条件下,风机功耗
最高可降低约25%。

采用后背板设计,加深机组深度,增大机组回风口面,优化风道及制冷循环,提
高机组能效,故可称为高效后背板。
高效后背板主要可以带来以下好处:
1)更均匀的制冷剂和气流分布:
机组加深后,换热器角度发生变化,可以使制冷剂分布更均匀,同时换热器迎风
气流也更加均匀;
2)降低气流侧压力降
进风面积增加,降低回风风速,同时更加均匀的气流也会使气流压降降低;
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3)降低风机功耗
可降低风机功耗达5%~12%


越来越多的用户选择冷冻水型精密空调解决方案,而越来越多的机房空调配置
EC风机,以降低能耗。
对于配置EC风机的冷冻水型空调,在配置备份机组情况下,完全可以改变传统
的主备控制方式为主备智能管理方式,以达到进一步节能目的。

假设机房空调配置为1主1备,则在传统备机模式下,1台机组运行,1台机组
作为热备份,处于待机状态。机房所需的制冷量及风量有1台机组承担。
而主备智能管理模式下,2台机组都处于运行状态,承担机房所需的总制冷量和
风量,即每台机组承担机房1/2的风量及制冷量。
若某一台机组出现故障,另外1台机组能自动提高风机转速,提高单台机组的制
冷量和风量,直到达到机房所需的冷量和风量要求。
所以该节能运行模式下,空调机组系统的可靠性和传统模式下1台机组运行和1
台备用机组待机的可靠性一样。

节能基本原理:
风机输入功率立方定律:风机的输入功率与风机的转速成三次方关系,比如风机
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转速降低1/2,风机的输入功率降低到原来的1/8,即风机功耗降低了7/8,采
用主动备用管理模式能耗大大降低。
如:机房空调配置为1+1配置,则在主备智能管理模式下,每台空调风量为单
台运行时风量的1/2,则空调转速降低至原来的1/2,能耗减少7/8。

机组的节能管理运行控制还体现在以下两个方面:
1)当室内温度达到设计值时,由控制器按比例控制,降低风机转速,这样可以减
少风机功耗实现机组节能。
2)当机组进入除湿运转时,机组减少气流,既可实现快速除湿,同时又可以降低除
湿时风机功耗,实现机组节能。


在数据中心里,理想的高架地板系统需要提供一个无障碍的风箱用作送风,这个
风箱没有任何的泄漏。同时应尽可能地把动压转化为静压,建议考虑加入孔板。
目前大量的数据中心现实使用情况中,采用下走线的高架地板下,各处静压非常
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不均匀,而高架地板气流配送量不足以满足IT服务器机柜的气流需求,造成机
柜上下温差,引起局部热点。同时,由于出风口地板不同的开孔率,高架地板漏
风等因素而冷风气流不能匹配IT机柜的气流。这种情况下,绝大多数的用户都
会采用增加空调的方法来解决。据统计,一般数据中心的送风气流量和实际所需
~。
压差管理系统能够很好的解决上述问题而不增加空调。通过安装压差传感器,可
以确保地板保持均衡的压力,在均衡的压力下,通过正确的选型和机组参数调整,
能够保证出风口地板出风量达到设计值,完美匹配IT负载所需的风量。由于IT
负载的动态性,精密空调机组应能够调整制冷量从而动态匹配IT负载热量,真
正做到主动控制和动态制冷。

通过平均分布在高架地板下的静压测量值(范围0~250Pa),静压值通过信号
转换器和信号线传送到精密空调机组,精密空调机组的控制器应能够维持高架地
板系统在设定的值范围,每套压差传感器连接于一台机组内。所有精密空调机组
可以通过总线系统群组控制。
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使用压差控制管理方案有以下优点:
,每个地板的出风量能够满足设计
值,低风量配比。
:配送的风量等于所需风量下,所需空调机组和风机数量减少,耗能
减少。
,容易建立高密度制冷区和低密度制冷区。
,噪音量下降。恒定的气流配送和动态制冷能力使得机房消除