数据中心空调系统节能技术白皮书

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3

1.1 概述3

1。2 直接自然冷却3

1。2。1简易新风自然冷却系统3

1。2。2新风直接自然冷却5

1。2。3 中国一些城市可用于直接自然冷却的气候数据: 8 1.3 间接自然冷却8

1.3.1间接自然冷却型机房精密空调解决方案8

1。3。2风冷冷水机组间接自然冷却解决方案12

1。3.3水冷冷水机组间接自然冷却解决方案15

1。3.4 中国一些城市可用于间接自然冷却的气候数据：16 2。机房空调节能设计17

2。1 动态部件17

2.1。1 压缩机17

2.1。2 风机18

2.1.3 节流部件19

2.1.4 加湿器19

2.2 结构设计21

2.2.1 冷冻水下送风机组超大面积盘管设计21

2.2。2 DX型下送风机组高效后背板设计22

2。3 控制节能22

2。3.1 主备智能管理22

2.3。2 EC风机转速控制23

2。3。3 压差控制管理23

2.3.4 冷水机组节能控制管理26

1。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，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，

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。

1。2直接自然冷却

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.

1.2.1简易新风自然冷却系统

1.2。1。1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。

1。2。1。2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内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：

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，排风阀关闭,回风阀打开，仅室内侧气流进行循环。2．混合运行模式

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。

3。自然冷却模式

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.

1。2.1。3简易新风自然冷却系统优势

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.

1.2.1.4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。

1。2。2新风直接自然冷却

1。2.2。1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。

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）.

1。2.2.2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。

2.混合运转模式

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。

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。

1。2。2.3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.

1.2。

2.4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部分区域。

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。

1。2.3 中国一些城市可用于直接自然冷却的气候数据：

1.3。1。1间接自然冷却型机房精密空调原理

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：

其系统原理示意如下图所示：

1。3。1。2间接自然冷却机房精密空调控制

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:

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℃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。

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。

1.3。1。3间接自然冷却机房精密空调优势

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，适用范围更广；

2.节能效果显著：在北方地区，全年可以节约40%的制冷能耗，在广州地区也可以节约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；

6。过滤器维护成本降低：无新风制冷,省去新风过滤器维护成本.

1。3。1。4间接自然冷却机房精密空调应用区域

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。

1.3。2风冷冷水机组间接自然冷却解决方案

1.3。

2.1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.

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。

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.

1.3.

2.2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行运行模式的切换，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

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.

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。

1。3。2.3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，适用范围更广；

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。

1.3.2。4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.

1。3.3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：

1。3.3.2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行运行模式的切换，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。

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.

1。3.3。3水冷冷水机组间接自然冷却优势

水冷冷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,适用范围更广;

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；

1.3.3。4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。

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。

2.1动态部件

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。

2.1.1压缩机

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涡旋式压缩机的部分负荷的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。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: