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南小刚2017年8月通信机楼DC重构空调节能解决方案2019/8/15行业背景----常用机房制冷方式目前行业内主要的几种机房制冷方式传统风冷空调上部平送风，地板下送风；冷通道封闭；列间制冷；机架面板供冷；机架顶部供冷；机架底部供冷；可移动空调热管换热机组；热管空调；热管背板；多联机热管空调水冷/蒸发冷空调100%压缩机制冷技术+自然冷却技术2水冷式冷凝+冷却泵+冷却塔风冷式冷凝蒸发式冷凝压缩机制冷循环冷凝压缩蒸发传统上对于空调的分类，主要是在冷凝环节采用了不同的技术，在压缩和蒸发环节，差异不大传统空调制冷技术原理2019/8/1532019/8/154（3）水盘中设浮球阀，自动补充冷却水量。风冷式空调冷凝原理以及相关数据2019/8/155风冷型空调在室外高温环境下，制冷量和COP均损失较大制冷量从33.75kw下降到24.09kw，损失28.6%;耗电功率从10.67kw上升到14.05kw，增大31.6%；SCOP从3.16下降到1.72。2019/8/156水冷式空调冷凝原理以及相关数据2019/8/157蒸发式冷却工作原理图解结构上将冷凝器和冷却塔合二为一，省略冷却水从冷凝器到冷却塔的传递阶段；充分利用水的蒸发潜热冷却工艺流体，水量消耗为水冷式冷凝器的45～50%。2019/8/158蒸发冷却式空调冷凝原理以及相关数据2019/8/159冷凝方式风冷式水冷式蒸发式冷凝温度45℃40℃38℃单位冷量风机风量420-500m3/h120-200m3/h110-160m3/h冷却水泵能耗--视楼层而定，最少扬程需20米3-5米扬程即可单位冷量冷凝能耗0.026KW0.038KW0.014KW冷源系统SCOP2.5-3.53.5-4.64.2-5.1蒸发式冷凝对比节能比传统风冷系统节约耗电30%以上，比传统水冷节能１５%以上，节水５０%左右，维护简单注：冷凝温度每降低1℃，压缩机能耗降低3%2、蒸发式冷却与风冷、水冷的技术比较2019/8/1510蒸发式冷却采用平面液膜换热技术气态制冷剂液态制冷剂冷却循环水冷却水流动特点：交错、复迭流动2019/8/1511传统水冷系统板管蒸发冷却式空调系统系统集成13新形势下绿色数据中心的节能技术探索•绿色节能，在低碳潮流下，数据中心急需有所作为，制冷系统是数据中心的耗电大户，约占整个系统能耗的30℅~45%，制冷系统的节能受到了前所未有的关注。优化送风方式、冷热通道布局、冷热通道隔离、智能群控、利用室外自然冷源等方案已呈现出百花齐放的现象。还有数据中心采用了热回收装置产生热水，作为生活、洗澡、游冰池等用途，降低了整个系统的碳消耗。•动态化，在新型数据中心的建设和应用中，按需制冷或动态制冷也成为数据中心冷却方案中一项很重要的评价标准。所谓按需制冷指的是数据中心空调的冷量输出是伴随着IT热负荷的变化而变化，是一个动态的、可调节的输出。随数据中心发热密度的不断增大，数据中心空调除了提供稳定、可靠、绿色的冷却的同时，如何防止出现局部热点也成为冷却方案需要重点考虑的需求之一。•数据中心虚拟化的发展使得服务器等设备发热量会有更大波动，包括不同时间及不同空间的变化，动态制冷更能适应虚拟化需求。动态制冷技术有风量智能调节技术(温度控制或静压控制)，变容量压缩机技术、智能控制系统等，动态智能冷却技术通过建置多个传感器来监控温度根据散热需求针对性地动态供应冷却气流,其风量大小可以根据需要随时调节，从而达到节能目的。•冷源的利用率的提升也是提高数据中心冷却效率的另外一个重要途径，并被业界所重视。在气流组织优化方面，从最初的大空间自然送风方式，逐渐升级到如地板送风、风道送风等一些粗放型的有组织送风方式，再到当前的机柜送风、或者封闭通道冷却方式运行，甚至有了更前沿的针对机柜、芯片、散热元件的定点冷却方式的应用。14新形势下绿色数据中心的节能技术探索•高密度，经过大量的实验验证发现，当单个机柜(服务器)的热负荷过高时，如果还是采用传统方式的机房专用空调来解决，就会造成以下问题:l)机房环境温度控制得不理想，会有局部热点存在;2)由于设备需要通过大量的循环风来带走如此多的热量，采用传统的机房空调系统会占用大量的机房空间。上送风机组需要采用风管的载面积尺寸非常巨大，下送风机组的架空地板的高度需要提高很多，会造成很多己经运行的机房将无法继续使用。因此，机房空调制冷系统也必须做出相应的改进。高热密度制冷系统在解决机房内局部过热方面，成为机房制冷系统的重要组成部份。目前，应用较成熟技术有封闭冷热通道、列间制冷、而背板冷却、芯片冷却等新技术不断地被采用，在部分高热流密度应用中，放弃了传统的对流散热方式而采用导热散热方式如微通道冷却技术、冷板散热技术的应用等。•综合看来，与Free_CooIing自然冷源应用、精确送风、定点冷却这些元素相关的应用成为当前数据中心冷却技术的热点及发展方向。•数据中心空调系统设计的可用性、绿色节能、动态冷却、高密度致冷是未来的发展趋势。可用性一般为A级或B级，需要空调系统有冗余设计，出现故障要有应急方案。•智能精密配电系统、分布式电源系统、电池智能系统、高压油机发电系统等高可靠性、高适应性、高效能的设施采用也提高了数据中心的能效系数•利用自然冷源的水冷发电机组、蒸发水冷发电机组（新疆）、间接蒸发水冷风墙系统（张北）、利用湖水（阿里）和江水（东江）的较低水温致冷更是大大地起到了节能效果。•微模块（华为等）、背板热管空调（多家）、微通道背板热管空调（盾安）、液态冷板（移动）已被大量认可并采用。15运营商通信机房基础设施现状及节能需求•十二五期间电信联通加大光网络改造的推进力度，并逐步加快部署TDM交换机、ADSL接入设备退网工作，现光进铜退和交换机退网基本完成。传统TDM交换机退网后将导致大量机房资源闲置。如何充分、合理、有效利用闲置机房资源，盘活国有资产，是摆在我们面前的一个全新的课题。•长期以来，通信机房采用精密空调的方式来进行制冷，随着数据设备的比例大量增加，存在局部热点问题难以解决，同时传统的方式致冷效率不高，很多空调使用了多年也急更新改造，近年来，机房专用精密空调竞争激烈，价格只有原来的一半，质量得不到保证，能效系数出厂3.0，使用合同能源更新也需要6年以上。•现云计算、大数据、物联网需要大量的IDC机架，而新建数据中心机房建设投资大，时间长，为充分占有市场，更快更好更省地改造退网机房（机楼）的基础设施（配电和空调）是当务之急，应尽可能采用投资+合同能源管理等创新模式来解决投资不足和效能不高等难题。•为解决这一难题，我们应引进全生命周期拥有成本（TCO）这一概念。TCO全生命周期拥有成本=Capex初投资+Opex运维成本。首先确定TCO最优原则，投资回报周期控制在3年内为最优，超过5年的回收期会给用户后期的使用带来技术和成本两方面的风险。初投资两方案比较的差值除以运维成本两方案的差值，即为节能方案的静态投资回报期(年)，一般小于等于3年，为最优方案，3－5年则为可选方案，如果大于5年，而且没有其它附加价值时，则不宜选取。机房制冷技术的发展趋势技术方向代表技术达到目的压缩机技术革新螺杆机、离心机、磁悬浮提高压缩机能效利用自然冷源新风、液体换热、相变换热减少压缩机工作时间，减少压缩机冷启动，节约耗电提升冷凝效率蒸发式冷却降低蒸发侧功耗和压缩机功耗优化蒸发态势热管技术、等温蒸发获得合理蒸发温度，提高显冷比贴近热源制冷精确送风、顶部制冷、行间空调、背板空调解决发热不均，远距离送冷功耗大，高温回风机房制冷技术的发展趋势完全压缩机制冷部分压缩机制冷+部分自然冷源完全自然冷却风冷空调水冷空调蒸发冷空调背板热管空调+机房制冷技术的发展趋势将制冷单元安装到单元内，避免了送风距离所需的能源消耗、二次热能及冷量分配不均的问题。单元制冷直接对发热点供冷，消除局部高温，供冷量及利用效率大幅提高。区域制冷空间制冷传统风冷空调背板空调冷通道封闭定点送风4、解决方案实例介绍：方案1：板管蒸发冷却自然冷源冷水机组+精确送风机柜；方案2：板管蒸发冷却自然冷源冷水机组+背板热管机柜；方案3：板管蒸发冷却自然冷源冷水机组+行级空调。①蒸发式冷凝②高温冷源③自然冷却④精确送冷，密闭循环⑤集成控制系统特点：回风静压箱送风静压箱板管蒸发式冷凝自然冷源冷水机组高温末端机柜回风送风服务器解决方案1：板管蒸发冷却自然冷源冷水机组=（蒸发冷却技术+自然冷源+热管技术+高温冷源）+送风柜方案2：板管蒸发冷却自然冷源冷水机组+背板热管热管背板冷冻水供回水20℃15℃21泵制冷系统原理解决方案2：板管蒸发冷却冷水机组+热管背板空调方案3：大温差板管蒸发冷却自然冷源冷水机组+行级空调冷冻水供回水行级空调20℃15℃23在数据机房室外侧采用自然冷源的蒸发式冷却水冷空调机组，与使用风冷、水冷式空调机组相比，将从以下五个方面获得优势：•制冷运行效率更高•装机容量更小•配电功率更小•运行可靠性更高•运行能耗费用更低•利用自然冷源的时间最长在数据机房室内侧采用热管背板空调末端，与风冷式风柜、冷热通道封闭相比，将从以下五个方面获得优势：•用更小的耗电获得制冷效果，耗电功率是风柜送风方式的1/8•在设备最高温处带走热量，换热效率最高，没有冷凝水，接近100%显冷比•没有局部热点问题•可以与机柜负荷同步部署•节约机房空间，提高机房利用率重点推出延长自然冷源运行时间，提高数据中心冷源全年效率解决方案热管背板空调介绍——整体系统结构(水氟换热)2019/8/1525背板空调技术原理2019/8/15261月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月北京-2.7-2.86.316.419.825.627.926.022.014.97.5-2.5长春-15.1-15.1-3.19.215.120.922.922.717.29.1-0.5-15.6呼和浩特-11.4-9.80.510.717.023.624.822.216.98.50.2-10.9西安-0.11.910.019.022.328.028.024.422.014.19.80.7济南-1.5-1.47.217.921.628.627.625.521.315.510.8-0.8武汉3.63.611.121.223.728.530.427.225.318.514.45.8广州13.714.417.222.627.327.929.928.728.525.822.215.1上海3.44.39.017.820.726.529.328.326.319.215.24.9重庆7.69.413.520.222.826.829.525.926.317.814.48.8乌鲁木齐-14.7-14.82.411.817.623.125.521.519.09.7-0.1-10.8从上表可以看出，全国部分地区可利用自然冷源的时间在60%以上（室外平均温度在22℃以下时），节能率很高。国内不同地区可实现自然冷源运行的时间自然冷源运行时间长短对全年制冷系统能效的影响(相对传统水冷节能率)1.压缩机制冷SCOP1；压缩机制冷时间T1；2.自然冷源SCOP2；自然冷源制冷时间T2；3.全年制冷SCOP0；全年制冷时间T0(8760h)；全年制冷SCOP0=𝑇01𝑆𝐶𝑂𝑃1×T1＋1𝑆𝐶𝑂𝑃2×𝑇2华北地区：SCOP1=5.5；T1=47.5%；SCOP2=25；T2=52.5%；SCOP0=10015.5×47.5＋125×52.5节能率=1-𝑆𝐶𝑂𝑃1𝑆𝐶𝑂𝑃0=9.31=41%延长自然冷源蒸发式冷水机组与精密空调经济比较：如改造传统机房精密空调投资估算:初始投资约为120万元;生命周期10年,TCO为611.6+120=731.6万元延长自然冷源蒸发水冷投资估算:初始投资约为249万元;生命周期20年,按10年估算TCO为:249+289.2=548.2万元综上所述:10年共节省:183.4万元,按原计划投资加合同能源第4年就收回了投资;如按20年精密空调还得重新投资,总节省费