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数据中心冷却技术— 用于北方地区数据中心的节能冷 源技术 谢晓云 清华大学建筑节能研究中心 2018.3.31 数据中心能耗增长与现状 用电量自2010年至2012年增长了29% 2012年用电量约为7203亿kWh 2009年我国服务器的保有量约为366万台 耗电量约为414亿千瓦时，约占全国全年用电量的1%。空调设备的耗电量约为145亿千瓦时，约占总能耗的35% 2012年数据中心年耗电量664亿千瓦时，3年增长了60% 能耗高，增长速度快，空调用电比例高  12个标准数据中心平均电力分布图 目前已有的机房冷却系统 新风直接冷却 风冷系统 水冷系统 新风直接冷却 风冷冷水系统 + 精密空调 水冷机械制冷+ 精密空调 直接蒸发冷却 + 新风直接冷却 间接蒸发冷却 + 新风直接冷却 目前已有的机房冷却系统存在的问题 系统名称 特点 冷源温度 问题 1.冷源温度高，自然冷却时间短 新风直接冷却 引入室外空气 室外干球温度 2.需要控制湿度，系统复杂 3.可能引入颗粒物和有害气体 4.安装空间大 直接蒸发冷却+新风直接冷却 对引入的空气绝热加湿 室外湿球温度 1.可能引入颗粒物和有害气体 间接蒸发冷却+新风直接冷却 对引入的空气等湿冷却 室外露点温度 2.安装空间大 室外空气冷却制冷剂或 1.冷源温度高，自然冷却时间短 风冷冷水系统+精密空调 室外干球温度 2.使用干冷器的系统复杂，投资 者冷水回水 高 水冷机械制冷+精密空调 冬季冷却水排热 室外湿球温度 1.冬季结冰严重 大型数据中心常用 2.自然冷却时间受限 大型数据中心的节能措施 大型数据中心冷源节能的主要措施： 将数据中心建在北方 采用水冷的制冷系统 水冷系统核心问题： 冬季冷却塔防冻 提高水冷系统的性能，降低电耗 冬季冷却塔结冰现象严重 冷却塔结冰的问题 数据中心需要全年冷却 北方寒冷及严寒地区冬季平均气温低于0℃ 冷却塔结冰现象十分严重除冰浪费大量的人力物力 冷却塔结冰的危害 影响冷却塔的散热效果 损坏冷却塔的承重结构、填料等部件 影响冷却塔的使用寿命 以上措施均不能解决进风温度低的问题  目前已有的冷却塔防冻措施 使用其他设备替代冷却塔干冷器代替冷却塔 闭式冷却塔代替开式冷却塔 为冷却塔添加额外的热源缠绕电伴热带 进风口处增加热水水帘防冻化冰管 改变冷却塔的结构安装挡风板 改变布水方式 改变冷却塔的运行方式风机周期性反转 目前水冷系统冬季防冻的措施 电加热系统：电耗高、安全性低、无法根治防冻； 夏季用冷却塔，冬季用干冷器： 干球温度决定自然冷却时间，电耗高 换热面积大，投资高 无法应对气温日夜变化，系统切换复杂 采用闭式冷却塔替代常规冷却塔： 性能低于常规冷却塔 冬季控制不当，仍然会冻 冬季，干冷器问题都存在 需要找到根治冷却塔冻的方法，在此基础上，降低系统电耗  8.0 呼和浩特 3月4日气温变化 6.0 4.0 2.0 0.0 -2.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112131415161718192021222324 -4.0 -6.0 -8.0 -10.0 -12.0 基于间接蒸发冷却的机房空调冷源系统 排风 C 间接蒸发冷水机 排风机 tw,p ? 填料塔 表冷器 进风 O 进风 O 出风 A A 冷水 T tw,r 供水泵 阀门 1 tw,o 换 热 机房回水 器 阀门 2 冷 膨胀阀 蒸 凝 发 器 压缩机 器 机房供水 水冷电制冷机组  利用间接蒸发冷水机代替冷却塔； 夏季：作为电动制冷机的冷却塔，冷却水出水温度比常规冷却塔低2~4℃，提高冷机的COP。 冬季：独立供冷，从原理上根本实现冬季防冻 过渡季：间接蒸发冷水机对机房回水预冷，与电制冷机联合供冷。 8 间接蒸发冷却塔的原理 在空气和水直接接触热湿交换之前，首先通过表冷器使空气与冷水进行显热换热。 t w ,r 进风 O t o , d o  t w , sp M t w1  排风 C 风机 填料塔 进风 O 出风 A A 表冷器 冷水 用户换热器 tw 水泵 (a) 原理图 (b) 夏季制备冷水过程 核心部件：准逆流式空气-水非接触式换热器，逆流式空气-水填料塔。 各部件实现流量匹配，夏季工况制出的冷水极限温度为进风露点温度。 间接蒸发冷却塔的冬季运行模式 排风 C 间接蒸发冷水机 排风机 tw,p 填料塔 表冷器 进风 O 进风 O 出风 A A 冷水 T tw,r 供水泵 阀门 1 tw,o 换 热 机房回水 器 阀门 2 膨胀阀 冷 蒸 凝 发 器 压缩机 器 机房供水 水冷电制冷机组  ? 关闭电制冷机，仅用间接蒸发冷水机供冷。关闭阀门2，开启阀门1。 ? 冬季防冻运行：利用系统回 水将室