论文总字数：23865字

摘 要

21世纪，人文社会，经济科学发展迅速，将人类带入信息时代。与此同时，通信，计算机，互联网，电气等行业也得到了快速发展，数据中心应运而生。数据中心机房内运行着大量电子设备等设施，放出大量的热量，为维持数据中心机房的正常运行，需空调系统常年制冷降低机房内温度。当前，能源消耗逐年上升，各个行业需要大量的能源供应，其中建筑耗能尤其空调耗能最为突出。节能减排作为我国的基本国策之一，减少能源消耗越来越受到重视，而数据中心机房空调系统作为确保机房内部各类电子信息设备正常运行的辅助系统，每年消耗大量电能，在数据中心总能耗中所占比例约为40%左右，因此对机房空调系统进行节能研究有着重要的意义。目前，数据中心机房空调系统多采用冷水机组制冷，在过渡季节以及严寒的冬季，室外环境温度有所下降，冷却塔供冷有着巨大的节能潜力，本文将以南京地区为例，采集南京全年气象参数，对南京地区某一数据中心机房进行考察，并对其全年制冷系统的能耗进行计算分析，由此提出优化设计方案，以达到节能效果。

关键词:数据中心机房，过渡季，冬季，冷却塔供冷，空调节能

Abstract

In the 21st century, humanities, society, and economic sciences have developed rapidly, bringing mankind into the information age. At the same time, the communications, computer, Internet, and electrical industries have also developed rapidly, and data centers have emerged. A large number of electronic equipment and other facilities are running in the data center equipment room to release a lot of heat. In order to maintain the normal operation of the data center equipment room, annual cooling of the air conditioning system is required to reduce the temperature in the equipment room. At present, energy consumption has been rising year by year, and various industries need a large amount of energy supply, of which building energy consumption, especially air-conditioning energy consumption, is the most prominent. As one of China’s basic national policies, energy conservation and emission reduction has attracted more and more attention. The data center computer room air conditioning system, as an auxiliary system to ensure the normal operation of all types of electronic information equipment in the computer room, consumes a large amount of electric energy each year. The proportion of energy consumption is about 40%, so it is of great significance to study the energy-saving of the computer room air conditioning system. At present, data center computer room air-conditioning systems mostly use chiller refrigeration. In the transitional season and severe winter, the outdoor ambient temperature has dropped, and cooling tower cooling has huge potential for energy saving. This article will use Nanjing as an example to collect Nanjing for the whole year. Meteorological parameters, study the energy-saving potential and optimal design of computer room air-conditioning systems, and compare the energy consumption of data center air-conditioning systems before and after energy-saving transformation, and analyze the economic benefits.

KEY WORDS:Internet data center, transition seasons and winter, cooling tower, air conditioning energy conservation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2数据中心空调系统分析 2

1.3 研究现状分析 2

1.3.1 冷却塔供冷 2

1.3.2新风节能 3

1.3.3 变频空调系统 4

1.2 本文主要工作 5

第二章 冷却塔供冷系统特性 6

2.1 冷却塔供冷形式及特点 6

2.1.1 直接供冷系统 6

2.1.2 间接供冷系统 7

2.2 冷却塔性能分析 8

2.3 板式换热器的性能分析 9

2.4 冷却塔供冷系统的切换温度 9

2.5 部分冷却塔供冷 10

2.6本章小结 10

第三章 南京数据中心常规制冷能耗分析 11

3.1 南京全年气象参数分析 11

3.2 某数据中心常规制冷能耗分析 13

3.2.1 制冷设备参数汇总 13

3.2.2 冷却塔热工特性 14

3.2.3 冷水机组全年能耗 16

3.3 本章小结 19

第四章 数据中心机房空调系统优化设计 21

4.1 部分冷却塔供冷 21

4.2 完全冷却塔供冷 24

4.3 水泵匹配 25

4.4 经济效益分析 25

4.5本章小结 26

第五章 参观调研 27

5.1 调研单位基本情况 27

5.2 机房空调系统设计 27

5.3 本章小结 28

第六章 总结与展望 29

6.1 总结 29

6.2 展望 29

致谢 30

绪论

课题背景及研究意义

环保问题是当今世界最受关注的重要问题之一，如今工业在飞快发展，石油，煤炭，天然气三大不可再生能源日趋枯竭，地球气候生态环境的恶化，使人类必须对社会生产模式做出调整改变，节能减排浪潮席卷全世界。众所周知，节能减排作为我国的一项基本国策，其理念深入到国家各个相关部门。我国在几十年间取得了令人瞩目的成就，但我国仍是世界最大发展中国家，同时，我国也是全球第一人口大国，经济的发展，科技的进步，人民生活水平的提高以及对更高层次生活质量的追求使得能源的开采利用与日俱增。而这也导致了我国能源问题上形势不容乐观。另外，我国国土辽阔，但能源分布不均匀，能源的开采地大多在西部经济较为落后地区，能源应用地多集中于东部发达地区，能源的运输耗费了大量的人力物力财力，能源问题已成为我国发展道路上的瓶颈，因此，国家提出可持续发展的新号召，十九大的召开将全面建成小康社会的伟大目标提上日程，这就需要社会各界的共同努力。我国作为发展中国家，在经济发展过程中，工业，生活等方面向大气或水中排放了大量的有害物质，造成了雾霾等严重污染后果，我国人口众多，有着14亿国民，对能源需求远远超过其他国家，造成能源资源总量短缺情况严重突出，大量的能源消耗应用，对自然环境造成了极大损害。因此，节能减排环保工作刻不容缓，是每位地球公民的责任。

在我国，随着城镇化和现代化的高速发展，各行各业快速发展，带来大幅度增长的能源消耗，建筑行业内的消耗量增长最为显著，已经达到全社会总能源消耗量的三分之一左右，建筑物本身所需的各类建筑材料需要大量的生产量来满足社会需要，而生产能耗依然巨大，因此建筑总能耗已占到全国能源总消耗量的45%。而作为人类最为主要的活动场所，建筑物内为提供人类舒适的生活空间，维持满意的热湿环境，需要消耗大量的电能用于空调系统，因此，降低空调能耗是降低总建筑耗能的关键途径。

自改革开放以来，我国的经济以及科技取得飞速发展。与此同时，互联网，计算机行业也在不断进步与创新，企业事业单位对于数据信息的应用，处理以及需求呈现大幅度增长，数据中心机房进而快速发展，成为互联网行业里不可或缺的一环。数据中心机房内部安装有各类高频热负荷设备，以及电缆，电源，信息设备，空调系统等等^[1]，为保证信息畅通，网络正常使用，机房不允许出现电力中断故障，因此需长时间大量供电，占到了建筑总用电量的20%-30%，数据中心机房能耗包括信息设备能耗，空调系统能耗，电源系统能耗三大部分，其中空调能耗占比约40%^[2]，因此数据中心机房空调系统的节能降耗不仅可以为环保事业作出有效贡献，而且在一定程度上能够降低企业运营成本，提高效益。

1.2数据中心空调系统分析

数据中心机房空调系统包括空调设备和通风循环设备。当室内温湿度条件发生变化，空调设备可根据冷负荷的改变对温湿度做出相应调整，维持室内热湿环境的平衡。而机房内气体的循环以及通风主要依靠通风循环设备，冷气流被送到机房内机柜热源周围，与发热的电子信息设备进行换热后，返送回空调设备。数据中心机房产热量高，散湿量低，因此，为了保证能及时有效的将机房内的大量热量排到室外，并防止机械设备等发生结露现象，空调系统的送风量应足够大，送风焓差应较小，这样便可以保证机房设备的正常工作。

根据相关要求，数据中心可分为A,B,C三个等级。不同等级的数据中心机房对于湿度，温度，洁净度等参数要求也不相同，开机时机房内的环境温度、湿度标准如下：

表1-1 机房设计规范对环境要求

数据中心机房空调系统的功能就是根据室内设备的散热量以及室外环境的影响调节制冷量，与冷负荷维持平衡关系，以此保证室内环境的稳定以及设备的正常运行。

当前，数据中心机房的节能程度以及能源利用率的高低主要取决于PUE值，PUE为Power Usage Effectiveness的简写，是数据中心内部所有设备，所有系统，全部机器在运行过程当中所消耗的所有能量与IT负载所消耗的能量之比。PUE = 数据中心总设备能耗/IT设备能耗，PUE是一个比值，基准是2，越接近1表明能效水平越好。

目前，全球平均PUE数值为2.0,其中发达国家数据中心PUE值约为1.8，在我国，半数以上的数据中心机房PUE值高于2.0，甚至部分高达3.0,而导致PUE值偏高的重要原因即空调系统耗能高^[2]。数据中心属于发热量很高的建筑物，与此同时，机房内部大量的电子信息设备对环境湿度，洁净度都有较高的要求，因此，数据中心机房通常为封闭式结构，必须依靠常年运行的空调系统维持一定的温湿度，导致了空调系统的高能耗。因此，降低空调能耗是关键。

1.3 研究现状分析

1.3.1 冷却塔供冷

针对数据中心机房空调系统耗能高这一问题，国内外进行了一系列的调查研究，国外学者较早提出了冷却塔供冷技术这一概念，又称为冷却水侧免费供冷。

冷却塔供冷即在常规制冷机组上增设旁通管路，在过渡季节以及冬季，室外环境湿球温度降低到一定程度后，停开制冷机组，利用冷却水与冷冻水直接或间接地进行热交换，从而降低能耗。目前，该方法在欧洲地区以及北美应用广泛，并取得了多项研究成果。在欧洲北部地区，该技术的应用最为普遍，因为当地气候干燥寒冷，这为冷却塔免费供冷技术的实现创造了良好的实际条件，从而使得节能效果发挥更加显著。欧美对于冷却塔免费供冷技术的研究已经相当的成熟完备，因此，最近几年，一些欧美国家都开始转变研究方向，他们的研究目标已经由冷却塔供冷转向了如何充分利用HVAC先进新兴技术与之相互结合起来进而达到更好的节省能源，并提升人在此空间内的舒适感。欧美地区较为发达的经济与科技实力，以及对研究该类项目的有利气候条件，为其提供了有效支持，目前已经取得了相当可观的成果。相对于国外，国内冷却塔供冷技术起步较晚，相关研究主要建立在欧美较为成熟的研究成果基础之上，结合本国实际情况，将理论研究付诸实践。

具体的冷却塔供冷将在第二章中进行详细说明。

1.3.2新风节能

新风节能技术即在冬季室外温度较低时，采用相关技术将室外干湿球温度较低的新风引到机房内部，利用天然冷源带走机房内的热量，达到机房内散热的目的。由于数据中心机房内部有大量的精密仪器，电子设备，对洁净度要求较高，新风必须要经过过滤系统的净化后才能够引入机房内。

新风节能系统的构成主要包括中央控制器，进风设施，排风设施，过滤设施，加湿设备（可选），环境监测传感器等安装构件^[4]。进风设施和排风设施负责完成机房内的气流组织以及通风排风。环境监测传感器利用智能技术对机房内温度，湿度等参数进行全面监测，中央控制器接收来自传感器的信息，二者联合对机房内的环境参数进行全方位监测，从而确定并控制通风系统和空调机组的开启与关闭，并用低能耗的通风系统取代高能耗机组工作，从而节省电能。

新风节能系统原理图如下:

图1-1 新风节能系统示意图^[4]

但该系统同样存在一些不足，过滤器需要定期清理更换，室外空气处理不当进入机房内，所含化学成分可能会对机房内各种机器设备带来不利影响，缩短使用寿命。

1.3.3 变频空调系统

目前，数据中心多采用常规定频冷水机组，压缩机主要以离心式制冷压缩机和螺杆式制冷压缩机两种类型为主。定频空调系统，供电频率固定，因此压缩机转速基本保持不变，室内温湿度等环境参数以及冷负荷发生变化时，压缩机会相应的开启或关停，以此来维持室内环境平衡。常规定频冷水机组在生产过程中按照一定的设计工况，而实际情况下，当条件发生改变，压缩机的功率与设计工况存在偏差，压缩机的排气压力与冷凝压力也并不是理想工况下的状态，两者之间存在一定偏差。当制冷剂在压缩机内的过程结束后，此时的压力与冷凝压力也不相匹配，可能会出现高于或者低于冷凝压力的情况，这样会对机组以及能效都会造成不利影响。

除此之外，常规定频冷水机组需要润滑油来保证压缩机正常工作，当冷凝压力与蒸发压力二者之间的差值保持在一定数值以上时，整个机组才能够维持正常运行。环境温度下降到一定程度以下时，就需要人为的提高冷凝压力（比如：减小冷却水的流量，降低冷凝器风机转速)，又或者降低蒸发温度，如减小蒸发器的水流量等，而数据中心机房冷负荷较大，制冷系统需全年运行，如此操作会使得机组效率降低，损失较大。

因此，针对这一情况，可采用变频冷水机组代替常规制冷机组。每个制冷机组的关键都在于压缩机，压缩机的转速是整个制冷系统制冷量以及制冷效率的调节剂。变频器的功能即是调节改变压缩机的转速，与室内温度湿度以及冷负荷状态相适应，达到节省能耗的效果。

变频空调系统与常规制冷系统的区别就在于本身能够实现自主的调节作用，制冷原理与常规制冷系统并无差别。当室内环境参数发生变化，或者室内冷负荷发生改变，变频空调可相应的调节制冷量以此来维持室内热湿环境的相对平衡。因此，使用变频空调，室内热湿环境对于人体来说，舒适度较高。

变频制冷系统适用于全年冷负荷较大，需要全年空调制冷，并且冷却条件波动比较大的情况，目前，在变频空调领域有新研究出磁悬浮变频离心式冷水机组，将磁悬浮技术与制冷相结合，传统制冷系统中，润滑油必不可少，而该系统与传统系统不同的是不再需要润滑油以及润滑油系统，转速也不会受到机械传动系统的影响和限制。下图为磁悬浮制冷压缩机磁悬浮系统示意图。

图1-2. 磁悬浮制冷压缩机磁悬浮系统示意图^[5]

常规冷水机组中，压缩机的运转会对压缩机的组成部件带来一定的磨损，为维持压缩机的正常使用以及延长其使用寿命，需要润滑油系统对相关部件进行保护，但当润滑油在运行过程中不慎被带到换热器中后，在换热器表面上形成的油膜会对传热效率造成不利影响，而磁悬浮变频冷水机组则没有此类问题。但变频压缩机也有一定的隐患，比如容易出现故障，压缩机不断的改变转速而缩短了压缩机的使用寿命，另外，变频压缩机伴随着较大的电磁干扰，这对机房内电子信息设备是不利的^[5]。

本文主要工作

1).实地参观南京某数据中心，绘出机房制冷系统图。

2).针对冷却塔供冷形式，分析其影响因素以及系统设计形式，以南京地区为例，整理南京地区全年气象参数，分别对某数据中心机房常规制冷以及改造后冷却塔供冷模式下全年能耗进行计算分析及对比。

第二章 冷却塔供冷系统特性

冷却塔供冷即在过渡季节以及冬季，室外环境湿球温度降低到一定程度时，停开制冷机组，利用冷却水与冷冻水进行热交换从而冷却建筑空间^[6]。该系统的目的是节能降耗，并在诸多实际应用中取得了可观的效果。但该系统的适用性受到了多方面因素的限制，能否取得良好的运行成果与该系统的应用地点以及冷却塔的形式特点，建筑冷负荷，气候状况等密切相关。对于冷却塔供冷系统的原理，分类以及不同类型的性能特点等方面，本章将做出详细分析介绍。

2.1 冷却塔供冷形式及特点

目前，冷却塔供冷系统可主要分为以下4种形式：制冷剂自然循环制冷，开式冷却塔加过滤器，闭式冷却塔供冷，开式冷却塔加板式换热器形式^[7]。冷却塔供冷方式的选择应当根据当地的气候条件，初投资，运行费用，建筑特点等因素综合来确定。当前，在实际应用中，采用较多的形式为直接供冷与间接供冷。

直接供冷与间接供冷这两种形式的主要区别在于，直接供冷系统中冷却水直接进入空调末端。

2.1.1 直接供冷系统

直接供冷系统即在原有常规制冷系统中增设旁通管道，夏季，室外大气湿球温度较高，无法利用冷却塔供冷，空调系统按照常规模式运行，冬季及过渡季节，室外大气湿球温度下降到一定程度，为冷却塔供冷提供自然条件，打开旁通阀门，关停冷水机组，冷却水，冷冻水水路发生变化，冷却塔供冷模式开启，直接供冷系统简图如下所示：

1-冷凝器 2-蒸发器 3-用户 4-冷冻水泵5-冷却水泵 6-过滤器 7-冷却塔

图2-1. 直接供冷系统简图

如上图所示，在夏季，常规制冷系统运行时，阀门V1,V3关闭，V2直通打开，旁通关闭。制冷机组开启，冷却水由冷却塔送出，经过冷却水泵送入冷凝器，最后返回冷却塔，完成循环。冷水在蒸发器中被冷却降温，由泵和管道输送到用户端，使用后的冷水回水又经泵和管道返回蒸发器，构成冷冻水循环系统。在过渡时间段以及冬季，制冷机组不再运行，V1,V3打开，打开V2阀门旁通，即虚线部分，其他阀门关闭，转换为冷却塔供冷模式，此时，冷冻水泵停用，冷却水的循环回路是：冷却水泵-用户-冷却塔-冷却水泵。

但开式冷却塔直接供冷模式存在较大缺陷，水与室外空气接触，空气中的污染成分或化学成分容易对冷却水水质造成不利影响，进而可能造成冷却水管路及末端设备的阻塞和腐蚀。因此，该形式必须增设过滤器。

开式冷却塔加过滤器这一系统，在上述诸多形式中节能效果最好，开式冷却塔加换热器系统虽同是开式冷却塔，但因为存在换热器的中间换热损失，节能效果较差。上图所示系统空调末端即可直接利用冷却水的冷量，供冷时间延长。但是，虽然加了过滤器，水质仍然会不可避免的受到污染，对冷冻水及管路设备造成损害，因此，为避免上述缺点，开式系统很少被应用。

2.1.2 间接供冷系统

间接供冷系统即在原有空调制冷机组的基础上，并联一个板式换热器，冷却水与冷冻水在板式换热器内进行热交换，该种形式有效避免了冷冻水管路，空调设备的堵塞，腐蚀等问题。换热器的种类形式有很多，其中板式换热器体积小，结构较为紧凑，换热效果好，换热温差小，所以间接供冷系统中大多采用板式换热器。

下图为间接供冷系统示意图：

图2-2. 间接供冷系统示意图

该系统管路设计复杂，增设了板式换热器，增大了初投资，适用于需常年制冷的场合，目前，相比于直接供冷系统，间接供冷系统应用较为广泛。

2.2 冷却塔性能分析

冷却塔根据不同的分类依据可有许多种类别。如湿式冷却塔和干式冷却塔，二者的根本差别在于冷却水是否与空气直接接触。除此之外，冷却塔还包括机械通风冷却塔以及混合通风冷却塔，逆流冷却塔和横流冷却塔等类型 ^[8]。冷却塔的工作原理即温度较高的水与温度较低的空气进行换热，从而将热水冷却。水与空气的换热过程主要有两种形式即蒸发传热与接触传热。蒸发传热带走的热量大约占整个冷却塔传热量的75-85%,接触传热带走的主要是显热热量，约占整个冷却塔换热量的20-35%。

关于冷却塔，需引入两个重要的参数:

水温降：冷却塔进出口水温差；

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