不同地区数据中心空调系统节能技术应用分析.docx

不同地区数据中心空调系统节能技术应用分析

《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》要求新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到1.3以下。但与传统建筑空间相比，数据中心散热密度大，单位面积散热量可达传统办公区域的40倍以上，并且IT设备所具有的散热特点也会导致数据中心热点分布不均匀。数据中心热环境特点要求数据中心必须设计成全封闭的结构，只能依靠空调制冷系统的全年运行来实现数据中心控温控湿的目的，这也是空调制冷系统能耗成为数据中心能耗占比较大的一个重要原因。大型数据中心一般采用水冷或风冷集中式冷冻水空调系统，其能耗主要由主机能耗、冷却塔能耗（水冷）、水泵能耗、末端设备能耗等组成，受室外环境温湿度、机房环境温湿度、IT设备负载率、冷冻水供回水温度影响较大。本文重点讨论不同地区气候条件对数据中心空调制冷节能技术应用的影响，并结合实例通过仿真模拟系统进行研究分析。

1、数据中心主要常用空调制冷节能技术

1.1冷源侧部分

制冷机组压缩机采用变频磁悬浮技术，机组平均能效比可提高20%～50%，特别是在部分负荷运行时大幅度提高能效比。水泵、冷却塔风机变频变流量控制技术，可根据负荷变化调节供水量和风机排风量，降低功耗。提高制冷系统供回水温度及变水温控制技术，一般可将供回水温度从7℃/12℃提高到17℃/23℃，使制冷机组能效大幅提升。自然冷源利用技术（Freecooling），可在过渡季和冬季利用室外冷空气和冷水进行供冷，是关闭制冷机组机器节能环保的供冷方式。

1.2空调用户侧部分

IT机房冷热通道隔离气流组织优化技术，使空调送回风分开，避免混合，提高送风能效；采用列间空调就近精准送风，可大幅提高送风能效。IT机柜设备采用液冷技术，将IT机柜主要发热设备或全部发热设备采用专用冷却液体浸没式冷却，可大幅提高冷却能效，节能效果显著。液冷系统的冷源侧可以是水冷或风冷。

2、不同气候条件对空调制冷节能技术应用能效的影响

我国地形复杂，温度分布极其不均，不同地区的全年气温、湿度差别很大，依据《民用建筑热工设计规范（含光盘）》（GB50176-2016）的建筑热工设计分区，从北到南可分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和5个气候区。因此，我国目前所建设的数据中心，其常用的水冷和风冷式制冷系统的运行都会受到室外气候条件影响。

由于室外空气温湿度是对制冷系统的运行能效影响最大的因素，因此不同类型制冷系统能耗受所处地区气候类型差别影响差异较大，使得在对数据中心能效水平进行评价时，必须要综合考虑数据中心所处地区的气候特点。

选取哈尔滨、北京、西安、上海、福州、贵阳、广州在5个气候区里具有代表性的典型城市为研究对象城市，并以福州市某实际数据中心案例的建筑模型为研究对象建筑，以该案例采用的空调制冷节能技术为研究对象技术，通过仿真模拟系统进行全年8760h空调制冷系统运行能效模拟，给出5个气候区不同研究对象城市数据中心的全年空调制冷系统运行能效EER变化曲线和PUE变化曲线，借以阐明相同建筑采用相同空调制冷节能技术在不同气候条件下节能效果受到气候条件影响的程度，并提出用“气候影响指数（Qn）”来衡量评价。同时，提出自然冷源利用的“有效湿球温度（Thy）”和“有效时长（hy）”等评价指标来进一步衡量对不同地区节能技术应用的适用性和节能水平。5个气候区里具有代表性的典型城市的气候条件如表1所示。表1具有代表性的典型城市的气候条件

注：表中含湿量为11.01g/kg干空气、焓值为53.3kJ/kg干空气是基于室内送风状态点（温度为25C°，相对湿度为55%）计算而得。

2.1研究对象建筑概况

2.1.1福州市某数据中心建筑设计参数

福州市某数据中心总建筑面积2.74万m2，最大建筑高度23.868m。地下1层为水泵房、应急冷源-蓄冷设备间，5层主楼为厂房机房、传统机房、报告厅、门厅、测试机房及设备用房等，4层附属动力楼为变配电室、蓄冷间表1具有代表性的典型城市的气候条件UPS机房、电池室等电气设备及其辅助设备用房。主机房室内设计温度为25℃,相对湿度为55%；辅助区室内设计温度为26℃,相对湿度为55%，UPS及电池室空调设计温度为28℃，相对湿度无要求。

根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）选取了5个气候区的建筑围护结构参数，并以5个气候区不同的建筑维护结构参数建立如图1所示的3D建筑能耗模型。

图1建筑能耗模型3D示意图

2.1.2数据中心IT设备及空调制冷设备

6kW机柜2340个、5kW机柜900个，合计3240个。采用水冷制冷系统（冷水机组+冷冻水泵+冷却水泵+冷却塔）+列间空调+新风机组成的中央空调系统。气流组织采用弥漫送风+封闭热通道，冷水机组采用4台（3用1备）1700RT磁悬浮变频离心