数据中心冷水系统自然冷却节能分析

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1、数据中心冷水系统自然冷却节能分析1自然冷却技术的概念在室外温度较低的冬季和过渡季节，可以直接利用室外低温环境制冷，只需部分开启或无需开启制冷机组，减少能耗，此即为自然冷却技术。自然冷却主要有水侧自然冷却和风侧自然冷却。风侧自然冷却是指室外低温新风与回风以一定比例混合达到所要求的送风温度，或者利用室外低温新风与回风进行换热，降低机房内回风温度。仅利用新风达不到要求的送风温度时，由室内精密空调承担部分冷量。由于空气质量问题及风侧自然冷却对空间布置和建筑规模有特殊耍求，水侧自然冷却技术仍是国内数据中心制冷系统的主流方案。2水侧自然冷却技术原理空调系统采

2、用水冷冷水机组+开式冷却塔作为冷源，输出7〜15°C（可调整）的冷水至末端制冷，数据机房内部采用冷水型机房专用空调。机房专用空调相对传统空调系统增加了水-水板式换热器，在一定的湿球温度下，冷却塔可以将冷却水温度降低到比冷水回水温度低2°C（由板式换热器换热温茅决定，可调整），冷却水通过板式换热器与冷水换热，降低冷水回水温度，冷水机组的压缩机承担部分负荷,进入部分自然冷却模式；冷却水温度比冷水供水温度低2°C（由板式换热器换热温差决定，可调整）时，冷水机组压缩机完全停止，进入完全自然冷却模式。因此，在冬季和春、秋过渡季，压缩机可以处于部分工作甚至全

3、部停止工作状态，减少冷水机组的运行能耗。在我国长江以北的广人地区，大型数据中心空调系统应用水侧自然冷却技术非常普遍。但是否所有地区、所有系统都适宜设置部分自然冷却呢？本文对冷水系统的部分自然冷却进行节能优势分析。3带与不带部分自然冷却的冷源系统3.1冷源组成水冷系统形式多样，仅以开式冷却塔+冷却水泵+冷水机组+冷水泵的冷源形式为基础进行讨论。自然冷却时冷却塔通过冷却水泵+板式换热器的形式与冷水进行换热。冷水机组与板式换热器共用冷却水泵和冷水泵。3.2带与不带自然冷却的冷源架构带部分自然冷却的冷源如图3所示，板式换热器和冷水机组串联，冷水和冷却水先

4、经过板式换热器再经过冷水机组。如果冷却水和冷水在板式换热器换热后，冷水供水温度可以满足耍求，无需启动冷水机组，为完全自然冷却状态；如果流经板式换热器后的冷水温度高于所需供水温度，开启冷水机组承担部分负荷，为部分自然冷却状态。不带部分自然冷却的冷源如图lb所示，板式换热器和冷水机组并联。如果冷却水和冷水在板式换热器换热后冷水供水温度可以满足要求，则冷却水和冷水仅通过板式换热器换热，为自然冷却状态；如果冷却水温度不能将冷水回水温度降到所需要的供水温度，冷却水和冷水不通过板式换热器，直接流经冷水机组，为压缩机制冷状态。水冷冷水机组板式换热器t卩冷水供水

5、右冷水泵仏水回水a带部分自然冷却11冷却塔/6冷却水泵仃水冷冷水机组板式换热器冷水Ih1zK

6、(1冷水供水b不带部分自然冷却图1自然冷却冷源示意图4水侧自然冷却技术的节能性分析4.1水侧自然冷却的技术参数4.1.1湿球温度与逼近度当可以通过与室外低温环境换热降低冷水回水温度时，可减少或无需冷水机组承担负荷，系统进入自然冷却工况。对于风冷冷水机组,室外参数为室外制冷机所处的环境温度，即干球温度；对于水冷冷水机组+开式冷却塔的形式，室外参数为室外湿球温度。湿球温度代表某一地点某一时间，水通过蒸发所能达到的最低温度，即水在冷却塔中理论上可被冷却到的极

7、限温度。但实际上，冷却塔出水温度达不到湿球温度，冷却塔出水温度与湿球温度之差称为逼近度。夏季水在冷却塔内的冷却主要靠水蒸发时吸收汽化潜热，水和空气的显热交换量很小，冷却塔出水温度与空气湿球温度相差较小，一般情况下逼近度取4〜5°C；冬季气温低，水分子的运动动能和分子扩散能力降低，水蒸发带走的热量减少，如果想获得与夏季相同的换热量，就必须加大逼近度，靠显热交换获得冷却量，逼近度通常取6〜10°Co本文中按照冬季自然冷却工况时逼近度为8°C进行冷却塔选型。4.1.2冷水供回水温度GB50174—2008《电子信息系统机房设计规范》规定机房内环境温度为

8、（23±1）°C。由于机房内冷热通道分开布置，甚至封闭冷通道或者热通道，冷热通道温度差异很大，环境温度的定义较为笼统。ASHRAE注重机柜进风温度，推荐值为18〜27°C，该温度范围内普通服务器使用寿命较长。结合国内外标准，国内数据中心冷水系统设计中机柜进风侧温度通常设为23°C左右，对于房间级机房专用空调（房间级空调是相对于列间空调或者机柜级空调而言，指整个机房共用静压箱，共用空调），相应冷水供回水温度选择12°C/18°C较为普遍，对于机柜附近近端制冷方式，也可以尝试15°C/21°C高温供回水温度。4.1.3板式换热器传热温差自然冷却时，高

9、温冷水的热量经过板式换热器传递给温度较低的冷却水，低温冷却水通过板式换热器将较高温度冷水的热量带走，降低回水温度。换热器两侧流体的传热温