数据中心冷却技术

T tw,r tw,o 供水泵
换 热 器 阀门 2 阀门 1
机房回水
冷 凝 器
膨胀阀
• 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； 10
蒸 发 器
压缩机
水冷电制冷机组
机房供水
间接蒸发冷却塔冬季典型工况-防冻原理
• 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。
23
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 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
冬季冷却塔结冰现象严重
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 2. 为冷却塔添加额外的热源 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
缠绕电伴热带
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 2018.3.31
1
数据中心能耗增长与现状
用电量自2010年至2012年增长了29% 2012年用电量约为7203亿kWh
2009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%
9
间接蒸发冷却塔的冬季运行模式
排风 C 排风机
间接蒸发冷水机
tw,p
填料塔 表冷器 进风 O 出风 A A 冷水 进风 O
• 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；
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
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
风机周期性反转
6
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：
填料塔
表冷器 进风 O
进风 O 出风 A A 冷水
T tw,r tw,o 供水泵
换 热 器 阀门 1
机房回水
阀门 2
冷 凝 器
膨胀阀
蒸 发 器
• 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。
阀门 2
20 25 含湿量 g/kg.a
30
35
冷 凝 器
膨胀阀
蒸 发 器
压缩机
• 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℃.
机房供水
水冷电制冷机组
18
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；
测试结果：塔内湿球温度基本在0℃以上。
15
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
风水逆流
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。
风水顺流
16
间接蒸发冷却塔的夏季运行模式
排风 C 排风机
间接蒸发冷水机
tw,p
2.0
0.0
-2.0
-4.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112131415161718192021222324
-6.0
-8.0
-10.0 -12.0
7
基于间接蒸发冷却的机房空调冷源系统
排风 C 排风机
间接蒸发冷水机
tw,p
填料塔 表冷器 进风 O 出风 A A 冷水 进风 O
• 利用间接蒸发冷水机代替 冷却塔；
冷 凝 器
膨胀阀
蒸 发 器
压缩机
水冷电制冷机组
机房供水
22
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:
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
排风 C 排风机
间接蒸发冷水机
tw,p
填料塔 表冷器 进风 O 出风 A A 冷水 进风 O
T tw,r tw,o 供水泵
换 热 器 阀门 2 阀门 1
机房回水
冷 凝 器
膨胀阀
蒸 发 器
压缩机
水冷电制冷机组
机房供水
• 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 ℃。
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；
排风 C 排风机
12个标准数据中 心平均电力分布图
能耗高，增长速度快，空调用电比例高
2
目前已有的机房冷却系统
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存在的问题
系统名称 特点 冷源温度 问题 1.冷源温度高，自然冷却时间短 新风直接冷却 引入室外空气 室外干球温度 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 间接蒸发冷却+新风直接冷却 风冷冷水系统+精密空调 对引入的空气绝热加湿 对引入的空气等湿冷却 室外空气冷却制冷剂或 者冷水回水 冬季冷却水排热 大型数据中心常用 室外湿球温度 室外露点温度 室外干球温度 1.可能引入颗粒物和有害气体 2.安装空间大
进风 O 出风 A A 冷水 排风 C 排风机
间接蒸发冷水机
tw,p
填料塔
表冷器 进风 O
T tw,r tw,o 供水泵
换 热 器 阀门 1
机房回水
阀门 2
• 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。
30 25
冷水温度(℃)
冷却塔出水温度
20 15 10 5
0
间接蒸发冷水机出水温度
5
10
15 20 室外湿球温度(℃)
25
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？
压缩机
水冷电制冷机组
机房供水
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。
排风 C 风机
tw, sp
tw,r
进风 O M 填料塔 进风 O 出风 A A 表冷器 冷水
tw1
to , d o
用户换热器
tw
水泵
(a) 原理图
(b) 夏季制备冷水过程
• 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。
间接蒸发冷水机
tw,p
填料塔 表冷器 进风 O 出风 A A 冷水 进风 O
T
1.2
喷淋塔冷量比例
tw,r tw,o
供水泵
换 热 器
阀门 1
1
机房回水
阀门 2
0.8
0.6
0.4
0.2
冷 凝 器 膨胀阀 蒸 发 压缩机 器
0
-50 -40 -30 -20 -10 0 室外湿球温度(oC) 10 20
水冷电制冷机组
机房供水
13
冬季防冻实测结果
防冻实验—连续运Baidu Nhomakorabea的测试结果
不带自循环的系统稳定运行测试结果
自循环泵停止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
14
冬季防冻测试结果
防冻实验—典型工况的测试结果
不带自循环的系统稳定运行测试结果
自循环泵停止的系统稳定运行测试结果
• 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。
8
T tw,r tw,o 供水泵
换 热 器 阀门 2 阀门 1
机房回水
冷 凝 器
膨胀阀
蒸 发 器
25
对比基础：兰州全年气象参数
40.0 30.0 20.0
温度 ℃
10.0 0.0 0.00 -10.0 -20.0 -30.0 5.00 1.4℃ 10.00 11.3℃ 15.00 17.5℃ 20.00 22.0℃
含湿量 g/kg.a
26
全年电耗比较
3500
耗电量 kW
3000
2500 2000
间接蒸发冷却塔+电制冷机
耗电量 kW
冷机耗电量 风机耗电量
3500
3000 2500 2000 1500 1000 500 0
普通水冷系统
冷机耗电量 风机耗电量
1500
1000 500 0
3500
3000
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 1.冬季结冰严重 2.自然冷却时间受限
水冷机械制冷+精密空调
室外湿球温度
4
大型数据中心的节能措施
• 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
压缩机
水冷电制冷机组
机房供水
17
间接蒸发冷却塔的夏季典型工况
排风 C 排风机
间接蒸发冷水机
35
Ain 30 WB Ab 20 15 10 5 10 15 WO WA Wmix
tw,p
填料塔
表冷器 进风 O
进风 O 出风 A A 冷水
T tw,r tw,o 供水泵
换 热 器 阀门 1
温度 ℃
25
机房回水
24
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. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 全年的自然冷却时间 全年耗电量、耗水量 全年的电费、水费 防冻的性能 应对缺水的性能 系统的可靠性 运行调节性能
• 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 需要找到根治冷却塔冻的方法， 在此基础上，降低系统电耗
8.0 6.0
4.0
呼和浩特 3月4日 气温变化