数据中心热管多联空调系统应用与节能分析_袁钦.pdf

2023年第6期数据中心热管多联空调系统应用与节能分析袁钦1，田振武1，李坤明2，王克勇1，田原1，王丽1（1.中通服咨询设计研究院有限公司，江苏省南京市 210006；2.中国电信股份有限公司苏州分公司，江苏省苏州市 215004）摘要介绍苏州某数据中心热管多联空调系统的应用案例,分析空调运行模式与节能设计过程；并通过对苏州地区全年室外气象参数以及五种制冷空调新技术测试数据的分析，得出苏州地区热管多联空调系统全年综合制冷能效比达 15.1。本案例可为大型数据空调热管多联空调系统设计项目提供参考。关键词数据中心；热管多联空调；全年能效比；自然冷却1工程概况本工程位于苏州高新区，数据中心单栋机楼高为 23.6 m，工程建筑总面积约 20 650 m2，单层建筑面积 4950 m2，本工程按照国标 GB 50174-2017（数据中心设计规范）中 A 级数据中心的标准建设。该数据中心规划 2458 个机柜，根据业务不同，建设有单机柜功耗为 635 kW 的服务器机柜，计算总冷负荷 18 600 kW。2系统应用条件分析数据中心是有全年不间断运行的特点，其中制冷系统的作用就是把机房散发的热量传向室外环境，从而保证服务器正常的运转环境，因此全年气象参数与数据中心制冷系统节能的关系密不可分。环境干球温度和湿球温度是影响空调系统全年能效的关键因素1。图 1 和图 2 所示分别为苏州地区全年逐时干球温度与湿球温度分布。从图中可以看出，尽管夏季 7 月份苏州干球温度大于 30 的时间超过 30%，湿球温度大于 25 的时间超过 60%，但是全年干湿球温度较低的时间占比仍然较大，特别是15 月和 1012 月，对于空调系统来说具有较大的自然冷源利用空间。根据数据中心设备发热密度与特性，空调末端可以按设备发热密度由低到高选择芯片级、服务器级、机柜级、行级、房间级等制冷形式3。本项目的主用 IT 设备密度较高，空调末端形式采用机柜级热管背板、行级列间空调；电力电池室等配套房间采用房间级水冷空调。近年来，数据中心领域出现间接蒸发冷却、液冷、热管等先进制冷技术，为数据中心节能做出了积图 2苏州地区全年逐时湿球温度分布图图 1苏州地区全年逐时干球温度分布图技 术 交 流132023年第6期极的贡献4-7，但是这些技术在应用过程中存在诸多条件限制。间接蒸发冷却技术需要定制化的土建结构、配电等条件；液冷技术更是需要定制液冷服务器机柜，以及客户业务需求等条件；热管系统能够利用制冷剂相态变化及重力驱动的原理制冷，节能效果显著，但是室外机需要充足的设备平台才能够达到较好的制冷效果。3热管多联空调系统架构本数据中心机楼屋顶共配置 11 台制冷量为300 kW 的蒸发冷却模块热管主机，单机架功耗 7kW 及 12 kW 的 IT 机柜采用热管背板新型制冷末端贴近热源制冷，2N 备份；单机架功耗 6 kW 及 8kW 的传输机柜采用热管房级空调+冷冻水型房级空调双冷源制冷，风帽送风；单机架功耗 10 kW 及35 kW 的核心机柜采用热管列间空调+水氟列间空调双冷源制冷，2N 备份。热管多联制冷系统，具备多种运行模式：湿球温度大于 18 的夏季，采用压缩机机械制冷模式；环境湿球温度在 1018 时，采用压缩机与热管混合制冷模式，热管系统优先运行，压缩机制冷作为冷量补充及备份；环境湿球温度在 010 时，采用完全热管自然冷却模式；环境湿球温度小于 0 时，完全自然冷却且冷凝器风机降频运行。热管多联制冷系统中，当室内外温差大于 5 时，热管系统可自启动运行，从而延长了自然冷源利用时间，并且在室外干球温度低于-30 时热管制冷仍可正常运行。在环境湿球温度大于 18 的时间占全年的36%，全楼数据中心空调系统均采用冷冻水机械制冷，此时机械制冷期间 PUE（电能利用效率）只能达到 1.38，即使结合混合模式和自然冷却模式节能运行，仍然无法满足全年 PUE 低于 1.3 的节能设计目标。值得注意的是：虽然冷冻水自然冷却与热管自然冷却的混合制冷模式、自然冷却模式的运行时间相差不多，但是在自然冷却模式运行状态下，热管空调系统总功耗是冷冻水空调系统总能耗的 36%左右。因此在考虑全年节能效果的情况下，热管空调自然冷却模式的节能性更优。4节能性分析目前对数据中心氟泵空调、间接蒸发冷却空调、气泵空调、气动液泵空调、热管多联空调等制冷新技术的相关研究日益成熟，这些技术均在实际案例中得到一些应用，尽管应用规模、使用场景各有不同，但是在特定的环境温度下对制冷系统进行能效比测试分析，依然是反映技术节能性的主要手段。本文通过对上述五种数据中心制冷新技术的检测数据进行分析，对比各自的技术特点，从而进行制冷空调系统全年适用性分析。依据 GB/T 19413-2010 中对空调全年能效比的测试要求，以干球温度 35、25、15、5、-5 为测试工况点，对氟泵（液泵）、气泵、气动液泵、间接蒸发冷却、热管多联空调系统进行测试对比，其测试数据均来自厂家提供的检测报告。在干球温度 35 的情况下，五种制冷系统能效比均在 3.6左右，能效差别不大；干球温度在 25 时，间接蒸发冷却系统能效比要比其他制冷方式都高；干球温度在 25 以下时，五种制冷系统能效比均随着测试干球温度降低而增加。在 525 之间热管多联制冷系统能效比明显高于其他制冷系统，最高可达 25 以上，而 525 的温度分布区间占全年总时间的89.3%。不同工况下五种制冷方式测试能效与全年温度分布时长如图 3 所示。根据 GB/T 19413-2010 计算制冷空调系统月份能效比，五种制冷方式全年能效比如图 4 所示。15 月和 1012 月，热管多联制冷系统能效比明显高于其他制冷方式。69 月，集中制冷方式能效比差图 3不同工况下制冷方式测试能效与全年温度分布时长技 术 交 流142023年第6期近来，有人冒用本刊名义在网上公然征稿，收取各种费用，更有甚者建立网站，在各大论坛发布信息。对此，本刊编辑部特作如下声明：1.本刊网址：2.本刊投稿邮箱：；3.本刊联系电话：[phone]-22664.本刊通信地址：上海市平江路48号（200032）5.凡在本刊发表的文章已被中国学术期刊网络出版总库及CNKI系列数据库、维普资讯、北京万方数据股份有限公司和万方数据电子出版社全文收录，作者可在以下网站搜索到文章：此外任何以本刊名义发布的征稿及组稿信息均系假冒。本刊对一切假冒和侵权行为保留法律追究的权利。望广大读者相互转告，不要上当受骗。电信快报编辑部严正声明别并不大，由此也可以看出：提高数据中心全年运行能效的关键点在于 15 月和 1012 月的制冷系统对自然冷却的利用。5结束语本文介绍了苏州某数据中心热管多联空调系统实际应用案例中空调运行模式与节能设计过程，并对数据中心氟泵空调、间接蒸发冷却空调、气泵空调、气动液泵空调、热管多联空调等制冷新技术进行全年能效对比分析，得出 15 月和 1012 月的热管多联制冷系统能效比明显高于其他制冷技术，五种制冷方式在 69 月对自然冷却的应用效果不佳。计算可知，苏州地区热管多联空调系统在全年综合制冷能效比达到 15.1。参考文献1中国气象局气象信息气象资料室，清华大学建筑科技科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集M.北京：中国建筑工业出版社，2005.2田振武.数据中心机房新型蒸发冷却空调系统应用的理论及分析 D.西安：西安工程大学,20203田振武,王桂坤,陆晓宇,等.某数据中心空调末端设计分析 J.电信快报,2021（11）：44-464侯晓雯,杨培艳,刘天伟.液冷服务器在数据中心的研究与应用 J.信息通信,2019（9）:48-51.5黄翔,屈名勋.“双碳”目标下绿色数据中心冷却关键技术路径的探讨 J.制冷与空调,2022,22（3）：1-10.6杜雪涛.水冷型热管散热系统在数据中心的应用研究D.广州：华南理工大学,2016.7田振武,黄翔,褚俊杰,等.干燥地区数据中心水侧蒸发冷却空调系统的实测分析 J.暖通空调，2021,51（8）：12-17.袁钦（1975），男，高级工程师，硕士，主要从事移动通信、数据中心节能技术与工程应用等方面的工作。收稿日期：2023-02-08图 4五种制冷方式全年能效比技 术 交 流15