数据中心双冷源空调系统能耗分析

《数据中心双冷源空调系统能耗分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数据中心双冷源空调系统能耗分析（7页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、数据中心双冷源空调系统能耗分析摘要：对数据中心空调系统的节能优化是解决数据中心能耗巨大问题的有效 方法之一，是实现可持续发展和节能减排的重要手段。本文通过对数据中心双冷 源空调系统的能耗分析，从自身风机功耗、不同负荷下的能耗等方面进行分析， 提出双冷源空调节能运行策略，为同类型数据中心空调节能运行提供参考。关键词：数据中心 双冷源空调 节能1、前言随着万物互联的推进，数据中心的发展也日益壮大，但其巨大的电力消耗也 引人关注，空调制冷系统作为保证数据中心稳定运行的重要组成部分，其能耗约 占数据中心总能耗的 45%，降低制冷能耗是提高数据中心能效的有效方法之一 1 因此，需对其空调制冷系统能耗进行

2、合理分析，提出优化的节能运行方法，从而 实现降低数据中心 PUE 的目的。本文将结合深圳联通某数据中心双冷源空调运营 管理经验，从可靠性与节能性的角度出发，分析数据中心双冷源空调系统的运行 特点。2、数据中心空调系统特点为确保制冷系统的高可用性，国内外数据中心机房建设标准规范均对制冷系 统在冗余方面提出了严格要求。根据数据中心的规模以及当地气候环境等因素的 不同，数据中心空调制冷系统的选择也存在差异。根据冷源选择的不同，目前常 见的数据中心空调有风冷空调系统、水冷冷水空调系统、双冷源空调系统等。1.1 风冷冷风型精密空调系统风冷冷风型精密空调系统主要由室内精密空调与室外冷凝器组成，每台空调 为

3、一个独立的循环和控制2，一般采用制冷剂作为传热介质，主要依靠室外风冷 冷凝器与外界进行换热。其主要特点是技术成熟，安装和维护方便，每个机房为“N+X ”的冗余备机方式，不会因单台故障而使得机房高温的事故发生。但由于室外机数量较多，不仅需要较大的占地面积，还会影响其散热环境；同时室内机 与室外机的安装也会受到二者的距离和高度的限制。由于自身的局限性，因此风 冷冷风型精密空调系统主要在小型数据中心中应用较多，不适合在大型数据中心 中使用。此外，风冷系统能耗主要受大气的干球温度影响，因此其能耗一般要高 于水冷系统。图1风冷单冷源空调系统1.2水冷冷水空调系统水冷冷水空调系统适合大中型数据中心，为了保

4、证数据业务的可靠性，目前很多高规格的数据中心都要求达到Uptime Tier IV标准3需要达到该标准，对 于冷源、水源、管路共享的系统，一般采用N+X配合环网的方式进行冗余或者采 用2N的系统架构进行冗余。表1 Tier 4对空调水系统的要求项目Uptime Tier IV水源双路水源或者路水源+路现场 蓄水冷冻水管路双路机房专用空调冗余满足在市区一路电源下，可以维持关键区域制冷冷冻水机组、冷冻和冷却水泵冗余满足在失去一路电源下，可以维持关键区域的制冷N+X 配合环网的制冷系统架构是常见的冗余方式；对于单一冷源的制冷系统 由于部分共享冷源、管路、水源，水冷系统冗余数量要求较高，且容易产生单故

5、 障点，若要达到真正冗余的规模，势必在初期投资和后期运维中承担巨大的成本 压力4。图2水冷冷水单冷源空调系统1.3 双冷源空调系统由于风冷式和水冷式空调系统都具有一定的局限性，因此便出现了对于双冷 源空调系统的研究，所谓双冷源空调系统，就是结合了风冷型和水冷型空调，由 两套相互独立的冷源组成，形成 2N 的制冷系统架构，可根据实际的应用情况， 选择开启不同冷源。双冷源空提系统作为两种空调系统的组合，增加了空调系统的可靠性，同时 系统可根据数据中心负载情况进行主备机的切换，节能效果较好，整个空调系统 没有单点故障，可以保障空调系统最高的冗余等级。但其也存在着前期投资较大 日常维护工作繁琐和占地面

6、积较大等问题。图 3 风冷双冷源空调系统从上图可以看出，双冷源空调有两套独立的制冷系统，相比单冷源系统，双 冷源空调室内机有两套盘管，然而这两套盘管对风机的回风是有一定阻力的，因 此导致了双冷源空调系统的克服风机阻力的能耗值会高于单冷源空调系统。3、双冷源空调系统运行能耗分析3.1 空调系统风机功耗分析机房空调的室内机的换热器是铜管铝翅片类型，当空调为双冷源时，机房空 调的室内机盘管的面积相比单冷源增大一倍。翅片管的压力降可通过下式进行计 算5：式中，Ap为流动阻力，Pa； N为流动方向上的管排数；G为最小断面质量m流速，kg/m?p为气体密度，kg/m?； f为阻力系数，无量纲参数。由此可见

7、，翅片管换热器的阻力与管盘数N成正比，由于双冷源空调的翅片 换热器管排数N是单冷源空调管排数N的2倍，也就是双冷源空调的翅片阻力是 单冷源空调的阻力的2倍。而且这个阻力造成的功耗损失会伴随空调系统整个运 行的生命周期，无法消除。表 2 空调内风机功耗对比类型空调功率实测内风机总内风机功率(Kw)电流(A)(Kw)双冷源空调10016.510.89普通单冷空调10013.99.17为展现实际运行中双冷源空调与单冷源空调风机功耗的大小，选取两台均为 100kW 冷量，均有 3 台内风机且占地面积相同的某品牌空调进行对比，经计算， 一台 100kW 冷量的双冷源空调风机功率对比相同占地面积的单冷源空

8、调功率大 1700W左右，相比单冷源空调系统，双冷源空调系统PUE制冷影响因子CLF可能 会提高 0.0050.007 之间。这就决定了双冷源空调系统很难将 PUE 下降到理想值 这个是在实际的空调系统选型中需要提前考虑的。3.2 空调系统不同负荷能耗分析风冷型空调的能耗主要受室外干球温度变化影响，水冷型空调的能耗主要受 室外湿球温度变化影响。对于空调本身来说，室外机大小的配置会影响空调的能 效。由于干球温度一直都是高于湿球温度，所以水冷型空调可以做到更高的能效。 而风冷空调需要做到与水冷空调接近的能效则需要更大的成本投入。(1) 不同负荷下空调系统能效一般情况下，为了保证系统的可靠性，双冷源

9、空调应该以冷冻水模式为优选 模式，风冷模式为备用模式。由于中央空调冷却塔受湿球温度影响，所以一般情 况下冷冻水模式下的空调能效会略高于风冷模式。但是中央空调的能效比随着负载率的逐步降低，而风冷空调系统由于有多台 空调组成，所以可以认为此时风冷空调的能效比几乎是维持不变的，根据GB 19576-2019给定值，得出风冷空调系统能效比与中央空调系统能效比的曲线变 化图，其中风冷空调系统能效比选择为单冷型一级能效。屮主仝铜丢* 能数比一 XZZ倜眾啜 觀比01010 吨 巴戟I，；闪丽乳E070&0 W 10C图4部分负荷下空调系统能耗对比2）双冷源空调系统运行现状以上的分析都是基于目前变频的空调系

10、统，空调系统的能效都比较好。但是 目前一些双冷源空调系统能耗远达不到以上的能效数据。在一些早期的数据中心 双冷源空调系统配置定频水泵+末端三通水阀，整个制冷系统的能耗非常高。由 于定频的中央空调水系统，所以在部分负荷时关闭中央空调，开启风冷空调反而 系统会更节能。以下曲线是深圳某双冷源空调系统数据中心中央空调系统能效比 与风冷模式运行能效比对比图。% LH 2 占 1- LH 2.1.0.10 IQ 5040506070 SO 90 KX?负裁比剖%)图5某数据中心双冷源系统空调系统全年LF从图中可以看出，相比变频的系统，当负荷下降时，定频水系统的中央空调 应该更快切入风冷模式运行，系统会更节

11、能。但是双冷源空调系统一般都不会配 置应急蓄冷装置，所以如果在关停中央空调进入风冷模式，空调系统的冗余可靠 性会有所下降，此时需要在冗余可靠性与系统节能性作出选择。4、结论通过以上的对比，对于双冷源空调系统总结以下几点：（1）相比于单冷源 空调系统，双冷源空调系统冗余可靠性更高，但是双冷源空调系统的风机功耗比 较高，双冷源空调系统PUE制冷影响因子CLF可能会比单冷源空调提高 0.0050.007之间，导致采用双冷源空调系统的数据中心PUE很难下降到理想值。（2）双冷源空调系统在运行维护时，中央空调空调系统能效比随着负载降低逐 步下降，当下降到一定比例时切换到风冷模式运行系统更节能，但切换到风

12、冷模 式运行系统冗余可靠性有所下降，此时需要在冗余可靠性与系统节能性作出选择。（3）对于配置了双冷源空调的数据中心，在生命周期的前期或者后期，机房上 架率低、负载较小时，应当考虑优先使用风冷模式运行，对于数据中心节能有一 定的帮助。参考文献：1 郑勇锋，苑学贺，张金帅,梅玉娜高效能数据中心制冷技术研究J.科技 经济导刊,2020,28（02）:5-7.2 马燕，徐强 . 数据中心节能技术应用指南，20193 Uptime Institute.Data Center Site Infrastructure Tier Standard S:Topology，20184 铁锦程，金成城，彭克坚.数据中心制冷系统在冗余和节能上的平衡J.中 国金融电脑，2018（02）:75-80.5 史美中，王中铮. 热交换器原理与设计（第4版），2009（6）：168