数据中心冷却技术

数据中心冷却技术—用于北方地区数据中心的节能冷源技术谢晓云清华大学建筑节能研究中心2018.3.31112个标准数据中心平均电力分布图用电量自2010年至2012年增长了29%2012年用电量约为7203亿kWh22009年我国服务器的保有量约为366万台耗电量约为414亿千瓦时，约占全国全年用电量的1%。空调设备的耗电量约为145亿千瓦时，约占总能耗的35%2012年数据中心年耗电量664亿千瓦时，3年增长了60%能耗高，增长速度快，空调用电比例高数据中心能耗增长与现状新风直接冷却新风直接冷却直接蒸发冷却+新风直接冷却间接蒸发冷却+新风直接冷却风冷系统风冷冷水系统+精密空调水冷系统水冷机械制冷+精密空调3目前已有的机房冷却系统系统名称特点冷源温度问题新风直接冷却引入室外空气室外干球温度1.冷源温度高，自然冷却时间短2.需要控制湿度，系统复杂3.可能引入颗粒物和有害气体4.安装空间大直接蒸发冷却+新风直接冷却对引入的空气绝热加湿室外湿球温度1.可能引入颗粒物和有害气体2.安装空间大间接蒸发冷却+新风直接冷却对引入的空气等湿冷却室外露点温度风冷冷水系统+精密空调室外空气冷却制冷剂或者冷水回水室外干球温度1.冷源温度高，自然冷却时间短2.使用干冷器的系统复杂，投资高水冷机械制冷+精密空调冬季冷却水排热大型数据中心常用室外湿球温度1.冬季结冰严重2.自然冷却时间受限4目前已有的机房冷却系统存在的问题•大型数据中心冷源节能的主要措施：•将数据中心建在北方•采用水冷的制冷系统•水冷系统核心问题：•冬季冷却塔防冻•提高水冷系统的性能，降低电耗大型数据中心的节能措施目前已有的冷却塔防冻措施1.使用其他设备替代冷却塔干冷器代替冷却塔闭式冷却塔代替开式冷却塔2.为冷却塔添加额外的热源缠绕电伴热带进风口处增加热水水帘防冻化冰管3.改变冷却塔的结构安装挡风板改变布水方式4.改变冷却塔的运行方式风机周期性反转冷却塔结冰的问题数据中心需要全年冷却北方寒冷及严寒地区冬季平均气温低于0℃冷却塔结冰现象十分严重除冰浪费大量的人力物力冷却塔结冰的危害1.影响冷却塔的散热效果2.损坏冷却塔的承重结构、填料等部件3.影响冷却塔的使用寿命以上措施均不能解决进风温度低的问题6冬季冷却塔结冰现象严重目前水冷系统冬季防冻的措施•电加热系统：电耗高、安全性低、无法根治防冻；•夏季用冷却塔，冬季用干冷器：•干球温度决定自然冷却时间，电耗高•换热面积大，投资高•无法应对气温日夜变化，系统切换复杂•采用闭式冷却塔替代常规冷却塔：•性能低于常规冷却塔•冬季控制不当，仍然会冻•冬季，干冷器问题都存在-12.0-10.0-8.0-6.0-4.0-2.00.02.04.06.08.0123456789101112131415161718192021222324呼和浩特3月4日气温变化需要找到根治冷却塔冻的方法，在此基础上，降低系统电耗7基于间接蒸发冷却的机房空调冷源系统•利用间接蒸发冷水机代替冷却塔；•夏季：作为电动制冷机的冷却塔，冷却水出水温度比常规冷却塔低2~4℃，提高冷机的COP。•冬季：独立供冷，从原理上根本实现冬季防冻•过渡季：间接蒸发冷水机对机房回水预冷，与电制冷机联合供冷。tw,otw,rtw,p间接蒸发冷水机表冷器机房供水机房回水进风O填料塔排风机排风CA冷水进风O出风AT阀门1阀门2供水泵换热器冷凝器膨胀阀压缩机蒸发器水冷电制冷机组8间接蒸发冷却塔的原理•在空气和水直接接触热湿交换之前，首先通过表冷器使空气与冷水进行显热换热。M进风O用户换热器水泵填料塔风机表冷器排风CA冷水进风O出风A,ootd,wrtwt,wspt1wt•核心部件：准逆流式空气-水非接触式换热器，逆流式空气-水填料塔。•各部件实现流量匹配，夏季工况制出的冷水极限温度为进风露点温度。(a)原理图(b)夏季制备冷水过程9间接蒸发冷却塔的冬季运行模式•关闭电制冷机，仅用间接蒸发冷水机供冷。关闭阀门2，开启阀门1。•冬季防冻运行：利用系统回水将室外风加热至11℃以上，室外风的湿球温度上升至3℃以上，保证喷淋塔不冻；•机组表冷器与填料塔共同承担降温任务，减少表冷器排数，减少冬季水的蒸发量；•根据室外湿球高低，调节填料塔排风机频率，保证稳定的出水温度；tw,otw,rtw,p间接蒸发冷水机表冷器机房供水机房回水进风O填料塔排风机排风CA冷水进风O出风AT阀门1阀门2供水泵换热器冷凝器膨胀阀压缩机蒸发器水冷电制冷机组10间接蒸发冷却塔冬季典型工况-防冻原理•典型工况：室外-40℃，冷水回水14℃，表冷器出风13.8℃，表冷器出风湿球2.5℃，填料塔喷淋水温11.1℃，冷水出水温度10℃。tw,otw,rtw,p间接蒸发冷水机表冷器机房供水机房回水进风O填料塔排风机排风CA冷水进风O出风AT阀门1阀门2供水泵换热器冷凝器膨胀阀压缩机蒸发器水冷电制冷机组11间接蒸发冷却塔的冬季运行策略•根据室外湿球温度高低，调节机组的排风机频率；仅通过调节排风量来适应室外气候的变化，冷却水系统不调节；12间接蒸发冷却塔的冬季运行策略•冬季，依靠喷淋塔和表冷器同时带走机房排热，喷淋塔承担的冷量比例，随室外湿球温度降低，逐渐减少，耗水量也相应降低；00.20.40.60.811.2-50-40-30-20-1001020喷淋塔冷量比例室外湿球温度(oC)13tw,otw,rtw,p间接蒸发冷水机表冷器机房供水机房回水进风O填料塔排风机排风CA冷水进风O出风AT阀门1阀门2供水泵换热器冷凝器膨胀阀压缩机蒸发器水冷电制冷机组自循环泵停止的系统稳定运行测试结果不带自循环的系统稳定运行测试结果测试结果：塔出水温度保持在10℃±0.1℃；冷却塔运行正常冬季防冻实测结果防冻实验—连续运行的测试结果14自循环泵停止的系统稳定运行测试结果不带自循环的系统稳定运行测试结果测试结果：塔内湿球温度基本在0℃以上。冬季防冻测试结果防冻实验—典型工况的测试结果15风水逆流风水顺流测试结果管内水温在12℃以上。管壁温度在5℃以上。对于冬季防冻来说，顺流比逆流的温度更高,防冻效果更好。冬季防冻测试结果防冻实验—空气水换热器的表面温度分布16间接蒸发冷却塔的夏季运行模式•作为电制冷机组的冷却塔；关闭阀门1，开启阀门2。•通过表冷器对进风降温，降低其湿球温度，从而降低冷水出水温度，提高制冷机COP。•相同室外湿球温度，间接蒸发冷水机出水温度比常规冷却塔低2.5～6℃，电制冷机COP高1.2～2。tw,otw,rtw,p间接蒸发冷水机表冷器机房供水机房回水进风O填料塔排风机排风CA冷水进风O出风AT阀门1阀门2供水泵换热器冷凝器膨胀阀压缩机蒸发器水冷电制冷机组17间接蒸发冷却塔的夏季典型工况•表冷器进风干球32.7℃,进风湿球21.8℃,此时冷却水回水温度26.1℃,冷却水出水温度20.1℃.tw,otw,rtw,p间接蒸发冷水机表冷器机房供水机房回水进风O填料塔排风机排风CA冷水进风O出风AT阀门1阀门2供水泵换热器冷凝器膨胀阀压缩机蒸发器水冷电制冷机组181015202530355101520253035温度℃含湿量g/kg.aWmixWBWOAbAinWA与常规冷却塔的比较——夏季性能•同样进风状态，夏季工况，间接蒸发冷水机出水温度比常规冷却塔低2.5~6℃，电动制冷机的COP高1~2，降低机械制冷机组的电耗；051015202530510152025冷水温度(℃)室外湿球温度(℃)间接蒸发冷水机出水温度冷却塔出水温度19间接蒸发冷却塔与电制冷机结合的新型冷源的优势•相比普通的水冷系统，新系统：•冬季彻底防冻；•夏季降低冷却水温，提高电制冷机的COP，降低机房的PUE；•相比普通的风冷系统，新系统：•夏季大幅度降低冷凝温度，提高电制冷机的COP，降低电制冷机的电耗;•自然冷却时间显著增加，显著降低系统的PUE；20实际工程可能遇到的问题•如果不能保证水的供应，部分时间缺水怎么办？•如果数据中心内部空间有限，没有地方放置大型电制冷机怎么办？21如果不能保证水的供应，部分时间缺水怎么办？22•缺水时，间接蒸发冷却塔喷淋部分停止运行，依靠表冷器通过室外风对冷却水降温。•以兰州为例，夏季设计参数下（干球温度32.7℃，湿球温度21.5℃，大气压84.82kPa），冷却水温度为45.6℃/50.6℃，冷凝温度为51.6℃。对于风冷机组，此时冷凝温度为47.7℃。极端缺水情况，其效果与风冷机相当。•若将间接蒸发冷却塔的风机设计为双速风机，缺水时，风机在高速下运行，冷却水温仅为40.9℃/45.9℃，电制冷机的冷凝温度为46.9℃，比风冷机组的耗电量要低。•该系统也可以在极端无水工况下与风冷机组在相当的耗电量下运行，大大降低了水冷系统对补水的依靠程度，提高了系统的安全性。tw,otw,rtw,p间接蒸发冷水机表冷器机房供水机房回水进风O填料塔排风机排风CA冷水进风O出风AT阀门1阀门2供水泵换热器冷凝器膨胀阀压缩机蒸发器水冷电制冷机组如果数据中心内部空间有限，没有地方放置大型电制冷机怎么办？•模块化的小型制冷机与间接蒸发冷却塔联合一体机:23可实现不用单独配置冷冻机房，所有一体化模块机组均可放置于屋顶多台小型模块化设计，同样可实现分期增加模块、分期投资可靠性（由于个别机器出现问题而影响系统性能）提高，与风冷系统相当，比大型水冷系统要高运行管理调节性能好，一体机内部自动调节，对外可输出稳定温度的冷水，可很好应对一天内昼夜温差大等室外气温变化频繁的工况，无需系统进行调节间接蒸发冷却塔与电制冷机一体机的可靠性防冻性能稳定可靠：一体机内部的流程，保证了间接蒸发冷却塔的进风被高温的回水加热，从而保证冬季极端工况不冻；由于个别机器出现问题几乎不会影响系统性能24保持间接蒸发冷却空调冷源系统的原有优势从原理上，冬季实现防冻夏季出水温度低于湿球温度由于表冷器给空气降温，冬季耗水量比直接蒸发冷却塔低实际案例：兰州某数据中心应用不同方案的对比•对比方案：1.间接蒸发冷却塔与电制冷机结合的水冷方案；2.普通冷却塔与电制冷机结合的水冷方案；3.风冷冷水机组方案；•对比内容：1.全年的自然冷却时间2.全年耗电量、耗水量3.全年的电费、水费4.防冻的性能5.应对缺水的性能6.系统的可靠性7.运行调节性能25对比基础：兰州全年气象参数26-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.00.005.0010.0015.0020.00温度℃含湿量g/kg.a11.3℃17.5℃22.0℃1.4℃全年电耗比较0500100015002000250030003500耗电量kW冷机耗电量风机耗电量0500100015002000250030003500耗电量kW冷机耗电量风机耗电量0500100015002000250030003500耗电量kW冷机耗电量风机耗电量冷冻水进出水温（10/16℃）间接蒸发冷却塔+电制冷系统自然冷却时间长，电耗最低；普通水冷系统次之，但冬季出现结冻，可靠性不高；普通风冷系统自然冷却时间短，电耗最高；间接蒸发冷却塔+电制冷机普通水冷系统普通风冷系统全年电耗比较0500100015002000250030003500耗电量kW冷机耗电量风机耗电量间接蒸发冷却塔+电制冷机0500100015002000250030003500耗电量kW冷机耗电量风机耗电量0500100015002000250030003500耗电量kW冷机耗电量风机耗电量普通水冷系统普通风冷系统冷冻水进出水温（15/21℃）冷冻水温越高，间接蒸发冷却塔+电制冷机的节电效果越显著；自然冷却时间超过7000小时，电制冷机一直部分负荷运行；不同方案全年电耗比较（冷冻水温10/16℃）29机房所需排热量：14400kW；电价：0.38元/kWh，水价：4.5元/m3方案自然冷却切换条件自然冷却时间（h）全年耗电量(MWh)全年耗水量(万t)全年电费(万元）全年水费（万元）总运行费用（万元/年）1.间接蒸发冷却塔+电制冷机湿球和露点平均值≤6.8°C507551691