数据中心空调系统节能技术白皮书

1、-. z.我的留言加载中已留言数据中心空调系统节能技术白皮书目录1. 自然冷却节能应用 31.1 概述 31.2 直接自然冷却简易新风自然冷却系统新风直接自然冷却 51.2.3 中国一些城市可用于直接自然冷却的气候数据: 81.3 间接自然冷却间接自然冷却型机房精细空调解决方案风冷冷水机组间接自然冷却解决方案水冷冷水机组间接自然冷却解决方案 151.3.4 中国一些城市可用于间接自然冷却的气候数据: 162. 机房空调节能设计 172.1 动态部件 172.1.1 压缩机 172.1.2 风机 182.1.3 节流部件 192.1.4 加湿器 192.2 构造设计 212.2.1 冷冻水下送风

2、机组超大面积盘管设计 212.2.2 D*型下送风机组高效后背板设计 222.3 控制节能 222.3.1 主备智能管理 222.3.2 EC风机转速控制 232.3.3 压差控制管理 232.3.4 冷水机组节能控制管理 261.自然冷却节能应用1.1概述随着数据中心规模的不断扩大，效劳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

3、外低温冷风，作为冷源，引入室，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，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、建筑构造等选择自然冷却方式。1.2直接自然冷却直接自然冷却系统根据风箱的构造，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。简易新风自然冷却系统简易新风自然冷却系统原理简易新风直接自然冷却系统主要由普通下送风室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

4、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、室温度以及系统设定等控制自然冷却的启动与停顿。简易新风自然冷却系统控制进入自然冷却运行模式的条件：主要根据室外温度及室设定温度作为进入自然冷却模式的依据。ASHRAE TC 9.9- 2008建议数据机房温度围18-27，可将机房温度设定为27，甚至更高些。设定的室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：1压缩机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

5、关闭，回风阀翻开，仅室侧气流进展循环。2混合运行模式在自然冷却可启动的温度围，如果自然冷却提供的冷量不能满足室需求，机组将通过压缩机循环间歇性工作保证室温度，此时系统运行模式为混合模式。混合模式下，新风阀翻开，排风阀翻开，回风阀关闭，压缩机间歇性工作，室气流为全新风。3.自然冷却模式室外新风风阀翻开，排风阀翻开，压缩机停顿运行。室所需的冷量，完全由新风提供。新风风阀及回风风阀的开度在0-100%围自动调整。为防止结霜，室外温度低于结霜温度时应停顿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顿自然冷却运行的一个下限温度。简易新风自然冷却系统优势简易新风自然冷却系统，构造简单，控制及操

6、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改造本钱低：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 运行本钱降低：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，运行本钱降低；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 要求精细空调机组必须为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。简易新风自然冷却系统应用区域简易新风自然冷却适用于中国绝大局部区域。引入新风环境应防止太阳直射，应考虑灰尘、烟雾、湿度围、平安、楼层高度等

7、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。新风直接自然冷却新风直接自然冷却系统原理新风直接自然冷却系统主要由室机组，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。当室外新风温度到达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。系统根据室外温度及室回风温度，调节新风阀、回风阀及防霜风阀进展比例调节。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回风温度设定为24为例。新风直接自然冷却系统控制1.压缩机制冷模式当室外温度高于2

8、4时，机组运行方式为：压缩机运行+室侧风循环室回风阀完全翻开，排风阀关闭，新风阀关闭，此时通过压缩机运行，室风循环来为机房提供冷量。2.混合运转模式当室外温度在1824围时，机组运行方式为：压缩机运行+全新风室回风阀完全关闭，排风阀翻开，新风阀翻开，室外此时压缩机间歇运行，降低新风温度，为机房提供冷量。3.新风自然冷却模式室外温度不高于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。在该模式下，当室外温度到达结霜温度时，防霜风阀开启，进入室新风先与局部室回风进展一次混合，将室外冷

9、空气预热，然后再与室回风进展二次混合，准确控制送风温度。新风直接自然冷却系统优势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 适用温度围更加广泛：新风构造增加防霜混风箱等，可以适应更低的室外温度；2 运行本钱进一步降低：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。新风直接自然冷却系统应用区域新风自然冷却适用于中国大局部区域。新风自然冷却系统应该在数据中心建立之前就考虑该方案，并围绕该制冷解决方案进展数据中心的选址、设计。选址及设计应

10、考虑灰尘、烟雾、湿度围、平安、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型以及超大型数据机房。1.2.3 中国一些城市可用于直接自然冷却的气候数据:间接自然冷却型机房精细空调原理机房空调间接自然冷却系统由室机组，室外干冷器或冷却塔和水泵等组成。室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吸热，通过干冷器，或冷却塔散热，；在室外温度相对低时，水温到达一定要求时，控制水阀，让局部或全部冷水流经自然冷却冷水盘管，冷却室局部或全部负荷。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，

11、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围，产生更大的节能效果。其实物示意如下列图所示：其系统原理示意如下列图所示：间接自然冷却机房精细空调控制该系统跟据室外温度和负载，有机房空调控制器自动进展模式切换，设定的室回风温度越高利用室外新风自然冷却的时间越长，以室回风温度设定为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：1.压缩机模式室外温度高于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。2.混合模式当室外温度在13至24围，机组在混合模式下运行。此模式，自然冷却

12、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局部冷量，此时耗电量约在压缩机满载运行时的4290%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。3.自然冷却模式室外温度低于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。间接自然冷却机房精细空调优势间接自然冷却机房空调机组的应用，具备以下优势：1.环境适用性更好：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，适用围更广；2.节能效果显著：在北方地区，全年可以节约40%的制冷

13、能耗，在地区也可以节约12%以上的制冷能耗；3.安装、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；4.解决方案更加可靠：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；5.冗余配置更加经济：室机组及干冷器采取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，冗余配置本钱更低；6.过滤器维护本钱降低：无新风制冷，省去新风过滤器维护本钱。间接自然冷却机房精细空调应用区域间接自然冷却适用于中国大局部区域。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

14、。风冷冷水机组间接自然冷却解决方案风冷冷水机组间接自然冷却原理风冷冷水机组+冷冻水型机房精细空调应用解决方案中，间接自然冷却主要表达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当局部或者全部室热负荷。自然冷却盘管同冷凝盘管并排放置合用同一风机。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缺乏时，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局部或者停顿运行。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顿运行，完全采用室外冷空气直接冷却循环冷冻水

15、，对室机房空调机组供冷。此时，仅有风机水泵的循环动力耗能，很大程度地到达节能的效果。风冷冷水机组间接自然冷却控制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展运行模式的切换，具体运转模式如下：1. 冷水机组压缩机运行模式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。2.混合模式当室外温度低于*设定温度，或低于室设定温度一定值时，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机房空调提供冷源，用来冷却局部机房热负荷。混合模式在全年中所占比例较

16、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，从而到达节能的目的。3. 自然冷却模式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，为室侧精细空调提供冷源。室侧精细空调，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。风冷冷水机组间接自然冷却优势间接自然冷却风冷冷水机组的应用，具备以下优势：1.环境适用性更好：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，适用围更广；2.节能效果显著：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

17、能耗；3.安装、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；4.快速启动：相对于水冷冷水机组，风冷冷水机组启动更加快速。风冷冷水机组间接自然冷却应用区域间接自然冷却适用于中国大局部区域。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以及超大规模的数据机房。水冷冷水机组间接自然冷却解决方案1.3.3.1 水冷冷水机组间接自然冷却原理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，通过控制冷却水局部或全部流向新增换热器，直接利用低温冷却水

18、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防止风险。其原理示意图如下列图所示：水冷冷水机组间接自然冷却控制该系统跟据室外温度和负载，由集中控制平台自动进展运行模式的切换，具体运转模式如下：1. 冷水机组压缩机运行模式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。2.混合模式当室外温度低于*设定温

19、度，或低于室设定温度一定值时，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，为机房提供局部冷量。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，从而到达节能的目的。3. 自然冷却模式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，为室侧精细空调提供冷源。室侧精细空调，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优势水冷冷

20、水机组间接自然冷却的应用，具备以下优势：1.环境适用性更好：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，适用围更广；2.节能效果显著：尤其是北方地区；3.安装、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；水冷冷水机组应用间接自然冷却区域间接自然冷却适用于中国大局部区域。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。1.3.4 中国一些城市可用于间接自然冷却的气候数据:2.机房空调节能设计随着技术的开展，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、机组构造设计、控制节能等。

21、2.1动态部件风冷及水冷室机组制冷系统主要由压缩机、膨胀阀、蒸发盘管及室风机。为了实现机组节能运转，机组各部件均件经过不同阶段的开展历程。压缩机压缩机型式从最早的活塞式、转子式、目前已经开展到高效涡旋式。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，将局部负载时的机组的COP值大大提升，目前高效EC涡旋式压缩机的局部负荷的COP值可高达6.2。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。

22、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。压缩机类型比照：风机室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、目前已经改良开展至航空级复合材料叶轮EC离心风机。改良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。风机类型比照：节流部件在节流元件中，目前制冷系统中越来越多地使用电子膨胀阀，由于实时准确控制制冷剂流量，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。加湿器目前，机

23、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。考虑到机房的平安性、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。加湿方式比照：2.2构造设计针对节能的构造设计思路主要有：1在有限空间尽量增大换热器面积，以提高换热能力；2降低机组风压损失，以降低风机功耗。基于以上思路，在构造设计上，机房空调采用的方式有：1对于冷冻水机组，下送风机组的换热局部与风机局部分两段设计，风机下置地板下安装，将原来机组风机占用的空间用来增大换热器面积2对于D*型下送风机组，可将回风口面积增大，风量保持不变

24、的情况下，降低风速，以减少压降，到达风机节能的目的。风口面积增大主要措施主要是增加机组深度。冷冻水下送风机组超大面积盘管设计冷冻水室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制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，更大的利用机组的部空间。采用此种构造设计的机房空调，除换热效率提高外，同等风量条件下，

25、风机功耗最高可降低约25%。型下送风机组高效后背板设计采用后背板设计，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；3降低风机功耗可降低风机功耗达5%12%2.3控制节能主备智能管理越来越多的用户选择冷冻水型精细空调解决方案，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

26、可以改变传统的主备控制方式为主备智能管理方式，以到达进一步节能目的。主备智能管理运行模式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台机组承当。而主备智能管理模式下，2台机组都处于运行状态，承当机房所需的总制冷量和风量，即每台机组承当机房1/2的风量及制冷量。假设*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，直到到达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。主备智能管理运行节能原理节能根本原理：风机输入

27、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，比方风机转速降低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。风机转速控制机组的节能管理运行控制还表达在以下两个方面：1当室温度到达设计值时，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。压差控制管理2.3.3.1 压差控制管理应用

28、原因在数据中心里，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，建议考虑参加孔板。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，各处静压非常不均匀，而高架地板气流配送量缺乏以满足IT 效劳器机柜的气流需求，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气流量配比在1.62.5 之间。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

29、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到达设计值，完美匹配IT 负载所需的风量。由于IT 负载的动态性，精细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。2.3.3.2 压差控制管理应用方式通过平均分布在高架地板下的静压测量值围0250Pa，静压值通过信号转换器和信号线传送到精细空调机组，精细空调机组的控制器应能够维持高架地板系统在设定的值围，每套压差传感器连接于一台机组。所有精细空调机组可以通过总线系统群组控制。2.3.3.3 压差控制管理应用优势使用压差控制管理方案有以下优点：1.配送的风量能够动态调节而匹配所需风量，每个地板的出风量能够满足设计值，低风量配比。2.减少耗电：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。3.可随需扩展的系统，容易建立高密度制冷区和低密度制冷区。4.风机数量的减少，噪音量下降。恒定的气流配送和动态制冷能