F5_06_创新数据中心制冷空调技术的发展趋势_李先庭_清华大学

�*创新数据中心制冷空调技术创新数据中心制冷空调技术创新数据中心制冷空调技术创新数据中心制冷空调技术的发展趋势的发展趋势的发展趋势的发展趋势李先庭清华大学建筑技术科学系建筑环境与设备研究所2清华大学建筑技术科学系李先庭简介李先庭简介李先庭简介李先庭简介�1985年考入清华大学，1995获博士学位，2005年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2007年获北京茅以升青年科技奖，现为清华大学建筑技术科学系教授、博士生导师、副所长�主要从事高效、节能的人工环境研究，主编或参编著作5部，发表科研论文160余篇，其中英文杂志文章50余篇；申请和授权发明专利30余项，获省部级科技进步奖3项；主要研究成果已应用于人民大会堂、CCTV春节晚会演播大厅、奥运场馆等30余项实际工程�现为国际制冷学会E1委员会副主席，中国制冷学会常务理事兼空调热泵专业委员会副主任委员，北京制冷学会副理事长，CAR-ASHRAEBeijingGroup负责人，IndoorandBuiltEnvironment、《制冷学报》等国内外杂志编委�联系方式：�北京清华大学建筑学院建筑技术科学系100084；�电话：[phone]；�Email:[e-mail]3清华大学建筑技术科学系目录目录目录目录一、数据中心的发展及对制冷空调的要求二、常见数据机房制冷空调方案及评价三、数据中心节能制冷空调技术的发展趋势四、若干节能制冷空调技术的分析与评价五、总结�*一、数据中心的发展及对制冷一、数据中心的发展及对制冷一、数据中心的发展及对制冷一、数据中心的发展及对制冷空调的要求空调的要求空调的要求空调的要求5清华大学建筑技术科学系20332033203320332187218721872187228022802280228029542954295429543729372937293729-4.8%-4.8%-4.8%-4.8%7.5%7.5%7.5%7.5%29.6%29.6%29.6%29.6%26.3%26.3%26.3%26.3%4.3%4.3%4.3%4.3%060012001800240030003600420020052006200720082009投资规模/亿元-10%0%10%20%30%40%50%年增长率投资规模年增长率IDCIDCIDCIDC的发展现状的发展现状的发展现状的发展现状我国电信运营商投资规模我国IDC市场规模�IDCIDCIDCIDC业务和市场规模迅猛增长，未来发展潜力巨大�金融、政府、制造、物流等行业的信息化建设�3333GGGG、网游、互联网、电子商务等的迅猛增长�服务器容量和集成度不断提高，IDCIDCIDCIDC机房能耗与日俱增�IDCIDCIDCIDC机房能耗可达几~~~~几十kW/mkW/mkW/mkW/m2222�目前我国数据中心能耗达数百亿kWh/kWh/kWh/kWh/年13.813.813.813.821.621.621.621.634.634.634.634.648.748.748.748.772.872.872.872.8102.2102.2102.2102.230.2%30.2%30.2%30.2%56.5%56.5%56.5%56.5%40.8%40.8%40.8%40.8%49.5%49.5%49.5%49.5%60.2%60.2%60.2%60.2%40.4%40.4%40.4%40.4%020406080100120200520062007200820092010IDC市场规模/亿元0%20%40%60%80%100%年增长率市场规模年增长率6清华大学建筑技术科学系空调节能的意义空调节能的意义空调节能的意义空调节能的意义�我国IDCIDCIDCIDC机房的能耗结构不合理�PUEPUEPUEPUE指标较高，平均在2.52.52.52.5以上�空调能耗比例过高，能效水平较低，具有较大的节能空间�空调系统节能势在必行ITITITIT设备设备设备设备44%44%44%44%制冷系统制冷系统制冷系统制冷系统38%38%38%38%电源系统电源系统电源系统电源系统15%15%15%15%照明系统照明系统照明系统照明系统3%3%3%3%国内典型国内典型国内典型国内典型IDCIDCIDCIDC机房的能耗分配机房的能耗分配机房的能耗分配机房的能耗分配1.92.51.71.61.2500.511.522.53PUE美国中国日本芬兰Google各国各国各国各国IDCIDCIDCIDC机房的机房的机房的机房的PUEPUEPUEPUE指标指标指标指标7清华大学建筑技术科学系IDCIDCIDCIDC机房的空调负荷特点机房的空调负荷特点机房的空调负荷特点机房的空调负荷特点�发热密度大、热负荷全年保持高水平�单位平米发热量几百上千瓦，甚至更高�空调需具有全年高效稳定的制冷能力�温湿度要求较高�温度保持23232323℃±±±±1~21~21~21~2℃，相对湿度保持50%50%50%50%±±±±10%10%10%10%�空调需保持室内温湿度均匀，波动小�高效优化的气流组织�热负荷显热比高，加湿和除湿量小�空调需具备高显热比特性�洁净度要求一般较高�宜保持空间封闭�空调需具有一定的净化除尘能力8清华大学建筑技术科学系IDCIDCIDCIDC对制冷空调的要求对制冷空调的要求对制冷空调的要求对制冷空调的要求9清华大学建筑技术科学系云计算数据云计算数据云计算数据云计算数据中心对制冷节能的要求中心对制冷节能的要求中心对制冷节能的要求中心对制冷节能的要求�相比较传统数据中心，创新数据中心（云数据中心）对制冷提出了更高要求，不仅需要避免过度制冷，与此同时，需要制冷能够根据热负荷的变化，提供所需要的制冷，即不多，也不少。�创新数据中心，要求数据中心可靠、稳定、绿色和高效，不能出现局部热点，从供电、制冷、机柜微环境，到数据中心的运维管理，都需要绿色、高效、稳定。�*二、常见数据机房制冷空调二、常见数据机房制冷空调二、常见数据机房制冷空调二、常见数据机房制冷空调方案及评价方案及评价方案及评价方案及评价11清华大学建筑技术科学系风冷式冷风型机房空调风冷式冷风型机房空调风冷式冷风型机房空调风冷式冷风型机房空调�结构形式�室外机：风冷式冷凝器�室内机：冷风型（直接蒸发）�优势�安装、维护方便�技术成熟，无水，安全性高�不足�风冷换热效果差，能效比低，能耗高�室内、外机距离不宜过远�易造成室外机热岛，排热不畅，甚至引发高压保护停机12清华大学建筑技术科学系水冷式冷风型机房空调水冷式冷风型机房空调水冷式冷风型机房空调水冷式冷风型机房空调�结构形式�水冷冷凝器安装于室内机�蒸发器：直接蒸发�优势�能效比较高，相比风冷节能�无安装距离限制�节省室外机安装空间�不足�室内具有水系统，一定的安全隐患�需水源，配置冷却塔、水泵等�冬季的运行问题风机板式换热器压缩机蒸发器电加热电加湿13清华大学建筑技术科学系冷水型（冷冻水）空调冷水型（冷冻水）空调冷水型（冷冻水）空调冷水型（冷冻水）空调�结构形式�蒸发器制取冷水，送至冷水盘管用于设备降温�冷凝器可为风冷，水冷，蒸发冷等多种形式�优势�机组能效水平高，节能性更好�可使用机房所在建筑的空调冷冻水�盘管末端可灵活布置，比如将冷水盘管安装在机柜内部，冷却效果好�不足�水泄漏隐患电加热电加湿风机冷水盘管14清华大学建筑技术科学系双冷源机组双冷源机组双冷源机组双冷源机组�结构和运行方式�风冷++++冷冻水；风冷++++冷却水；冷却水++++冷冻水�优先启用能效比高的系统�优先系统无法使用时，运行另一系统�优势�双备份，系统安全性高�综合能效比高，降低运营成本�不足�系统复杂，初投资高蒸发器冷水盘管电加热电加湿压缩机风机风冷室外机风冷+冷冻水蒸发器冷水盘管电加热压缩机板式换热器风机电加湿冷却水+冷冻水15清华大学建筑技术科学系常见气流组织形式常见气流组织形式常见气流组织形式常见气流组织形式�无组织送风（空调侧送下回）�只需机房空调即可，投资低�近凉远热，气流组织差�风道上送下回�室内温度相对均匀�冷热掺混，送风效率降低�机柜内部温度较高�地板下送上回�冷热通道分开，送风与热流同向，送风效率高�地板下走线，送风阻力大，风量减小�地板漏风过大，送风地板处的风量减小地板下送上回风道上送下回�*三、数据中心节能制冷空调技术三、数据中心节能制冷空调技术三、数据中心节能制冷空调技术三、数据中心节能制冷空调技术的发展趋势的发展趋势的发展趋势的发展趋势17清华大学建筑技术科学系IDCIDCIDCIDC冷却技术的关键及其发展趋势冷却技术的关键及其发展趋势冷却技术的关键及其发展趋势冷却技术的关键及其发展趋势高效的冷源高效的冷源高效的冷源高效的冷源�冷却的原动力�制冷能效比合理的气流组织合理的气流组织合理的气流组织合理的气流组织�冷却的直接执行环节�冷风利用效率IDCIDCIDCIDC空调节能空调节能空调节能空调节能的关键环节的关键环节的关键环节的关键环节IDCIDCIDCIDC空调节能空调节能空调节能空调节能的发展趋势的发展趋势的发展趋势的发展趋势优化冷源和系优化冷源和系优化冷源和系优化冷源和系统，提高统，提高统，提高统，提高冷量制冷量制冷量制冷量制取取取取的能源利用效的能源利用效的能源利用效的能源利用效率率率率优化气流组织形优化气流组织形优化气流组织形优化气流组织形式，提高式，提高式，提高式，提高冷量使冷量使冷量使冷量使用用用用的效率的效率的效率的效率18清华大学建筑技术科学系高效冷源高效冷源高效冷源高效冷源•采用风冷冷凝器，安装维护方便•设备COP低于3，能耗高•风冷冷凝器容易形成热岛，排热不畅风冷式冷风型空调室外自然冷源利用设备设备层面的发展趋势：从低设备层面的发展趋势：从低设备层面的发展趋势：从低设备层面的发展趋势：从低COPCOPCOPCOP到高到高到高到高COPCOPCOPCOP水冷、蒸发冷式冷水型空调•采用水冷或蒸发式冷凝器，COP达4~5•室内若采用冷水型，效率更高•与风冷式空调配合，双备份，冬季防冻•热管，新风换热器等设备•冬季和过渡季利用室外冷量冷却，COP最高可达10以上•高温下无法使用，需配置常规空调19清华大学建筑技术科学系高效冷源高效冷源高效冷源高效冷源系统层面的发展趋势：注重与其他制冷空调系统的结合与系统层面的发展趋势：注重与其他制冷空调系统的结合与系统层面的发展趋势：注重与其他制冷空调系统的结合与系统层面的发展趋势：注重与其他制冷空调系统的结合与配合，强调能源的综合利用配合，强调能源的综合利用配合，强调能源的综合利用配合，强调能源的综合利用�冷凝热回收�机房空调采用水冷式冷凝器，回收大量的冷凝热，用于供暖或供生活热水�实现机房空调的高效运行和能源的综合利用�跨季节与夜间蓄冷技术�冬季利用热管蓄冷并储存，夜间利用低谷电价蓄冷�节省运行费，利用自然冷源�燃气冷电联供系统�燃气发电机++++吸收式制冷机组，分布式能源系统�燃气发电机供电，余热供吸收式制冷机供冷，以独立能源系统满足IDCIDCIDCIDC的所有用能需求�提高能源综合利用效率，降低运行成本，提高能源供应可靠性20清华大学建筑技术科学系气流组织气流组织气流组织气流组织•无送回风道，利用空调设备的送回风形式•造成远端过热，冷热掺混•气流组织差自由送风机柜内送风有组织送风•利用地板或风道送回风•有效减小送风损失，室内温度场相对均匀•气流组织较好•机柜内置冷却盘管，水冷背板，“冰箱”式冷却包等•冷风直接作用于发热元件处•送风效率高，冷却效果好元件直接冷却•冷却液体流经发热元件，直接带走热量•省略空气传热环节，已不存在气流组织•效率最高，效果最优21清华大学建筑技术科学系气流组织气流组织气流组织气流组织自由送风自由送风自由送风自由送风有组织送风（风道上送风）有组织送风（风道上送风）有组织送风（风道上送风）有组织送风（风道上送风）机柜内送风（水冷背板）机柜内送风（水冷背板）机柜内送风（水冷背板）机柜内送风（水冷背板