数据中心机房的节能设计方案.docx

数据中心机房的节能设计方案1 . PUE的定义PUE是评估数据中心节能环保的关键技术指标，根据PUEm总用电量/IT设备 用电量的定义，我们可以仅通过分别检测数据中心机房的总用电量和IT/网络设备 的用电量就能判断和识别数据中心机房节能降耗的水平高低。正是基于它这种优 秀的直观性、易理解性和易操作性,PUE作为当今设计和评估数据中心的关键技 术指标之一而被世界各国数据中心行业的设计院和用户广泛地应用。2 .传统数据中心机房典型能耗分布目前，国内传统机房的PUE=2,它的典型能耗分布图如下图所示，从下图中 我们不仅可非常直观地观察到在数据中心机房中各种用电设备耗电量的统计分 布状态。而且，它还能非常清晰地暗示我们为了能最大限度地降低数据中心的总 能耗，它的最大节能降耗潜力何在？消防、，照明5?FIs EYP Missions Critical Facibbes Inc.空调的通风及 加湿系统IT设前及网络- 设备堂翼的 /压缭机制冷系统图1 PUE=2的数据中心机房的典型能把分布图受 乐 器/UPS供电系统鉴于在当今数据中心的日常运维中、所遇到电力供应不足、水资源匮乏、日 益增高的水电费开支已成为能否建立绿色数据中心机房的"瓶颈性制约因素。正 是在这样的背景下，在当今相当多新建数据中心的技术验收评估工作中,PUE值的表11.4-1机房PUE计算表空调制冷模式时长 (h)制冷 量 kw空调功率 kw/h照明、动力负荷/kWIT负荷 /kwPUE值完全自然冷源模 式21601741.2348.068.41041.61.300混合模式28801741.2410.668.41041.61.340机械制冷模式37201741.2619.068.41041.61.475PUE全年平均1.388根据计算结果，机房全年平均IT负荷为1041.6kW,全年平均PUE值为1.388,低于1.4o高低已成为评估数据中心建设水平高低不可或缺的重要技术指标。3 .方案采用的节能措施从上图中可以看出，降低PUE值需要从“提高空调制冷效率、提高空调通 风效率和加湿效率、提高变压器和UPS效率、提高照明效率等方面着手。3.1. 暖通空调节能措施3. 1.1.制冷方式优化经行业调查，对于采用传统空调设计方案的数据中心而言，其总PUE=L6 2.5；对于采用带自然冷却间接制冷中央空调系统的数据中心而言，其总 PUE=1.31.5；本期设计数据中心中央空调系统方案选择带自然冷却的间接制冷中央空调 系统，采用高效节能的中温型水冷冷水机组，进回水温度设计为“冷冻水水温 =21/15,冷却水水温=3却水。C”,其PUE低于令4。空调冷源选择依据空调冷源主要形式介绍（一）、风冷一拖一（风冷精密空调）此种空调形式是最简单的空调形式，空调室内机与室外机一一对应（每台室内机对应12台室外机），压缩机位于室内机内，通过冷媒管连接室外机。其空 调系统形式如下图：房间级精密 空调风冷一拖一精密空调（N+1）图1L3.L1风冷空调图（二）、风冷冷水机组+冷冻水型精密空调此种空调形式的冷源由风冷冷水机组提供，风冷冷水机组提供716的冷 冻水供水，机房专用空调采用冷冻水型精密空调。其空调系统形式如下图：图风冷冷水机组空调图此种空调系统形式可以利用干冷器作为自然冷却装置，实现过渡季节及冬季的部分或完全自然冷却。（三）、水冷冷水机组+冷冻水型精密空调此种空调形式的冷源由水冷冷水机组提供，风冷冷水机组提供716的冷冻水供水，机房专用空调采用冷冻水型精密空调。与风冷冷水机组相比，增加了冷却水系统，相应增加了冷却塔及冷却水泵设备，其空调系统形式如下图:冷却塔冷却塔机房区域板换冷冻泵冷却泵末端空调水冷冷 水机组模式一：夏季，水冷冷水机组供冷图水冷冷水机组空调图此种空调系统形式可以利用板换作为自然冷却装置，实现过渡季节及冬季 的部分或完全自然冷却。1）三种空调形式的对比w调形点风冷一拖一精密空调形式风冷冷水机组+精密 空调形式水冷冷水机组+精密 空调形式优点空调形式简单：一 台精密空调室内机对 应一台或两台室外 机，用铜管连接；安全系数较高：任 何一台室外机或室内 机出现故障都只是数空调形式相对简 单：有冷冻水系统， 无冷却水系统；安装相对简单：由 于精密空调室内机与 风冷冷水机组连接水 管，且为环形管道，空调形式较复杂： 有冷却水系统及冷冻 水系统；安装相对复杂：由 于精密空调室内机、 水冷冷水机组及冷却 塔连接水管，且为环w调形 5缺风冷一拖-精密空调 形式风冷冷水机组+精密 空调形式水冷冷水机组+精密空调形式据中心的运行产生局 部的影响，不影响数 据中心正常运行； 安装简单：室内机 与室外机用铜管连 接，铜管的管径比水 管小很多，施工量小； 系统分期方便，初 投资较低。管道较多，施工稍复 杂；制冷效率较高：同 样的制冷量若干台小 压缩机的COP值比一 台大压缩机要低，风 冷冷水机组COP约 3.2；可以利用干冷器进 行自然冷却，节省运 行费用。可以设置蓄冷罐， 配合水泵及末端UPS 供电，实现不间断供 冷。形管道，管道较，施 工复杂；制冷效率很高：同 样的制冷量若干台小 压缩机的COP值比一 台大压缩机要低，水 冷冷水机组COP约 5.8；可以利用板换进行 自然冷却，节省运行 费用。可以设置蓄冷罐， 配合水泵及末端UPS 供电，实现不间断供 冷。缺点制冷效率低：同样 的制冷量若干台小压 缩机的COP值比一台 大压缩机要低，风冷 精密空调COP约2.5； 数据中心环境较 差：由于精密空调室 内机带压缩机，精密 空调运行时震动及噪 音较大，数据中心的 环境相对稍差，且对安全系数稍低：由 于有冷冻水引至精密 空调机房内，存在漏 水的隐患，且水管阀 门较多，出现故障的 可能性稍大；维护工作量较大： 冷冻水系统的设备和 阀门较多，并需对冷 冻水进行加药处理， 日常维护保养工作量安全系数稍低：由 于有冷冻水引至精密 空调机房内，存在漏 水的隐患，且水管阀 门较多，出现故障的 可能性稍大；维护工作量大：冷 冻水系统及冷却水系 统的设备和阀门较 多，并需对冷冻水进 行加药处理，日常维2)本项目空调冷源的选择w调形 5缺风冷一拖-精密空调 形式风冷冷水机组+精密 空调形式水冷冷水机组+精密 空调形式楼板的载荷要求较 高。较大。需要占用专用的空 调间。系统分期时初投资 最高。护保养工作量较大。需要占用专用的冷 冻机房及空调间。系统分期时初投资 较高，需要耗费水资 源。本项目机房区域空调总冷负荷约为1741.2kW,选用水冷变频螺杆冷水机组+ 精密空调形式，水温选择中温：冷冻水水温=2"15、冷却水水温=3加7C,制 冷系统全年综合能效比COP从2.5提高到3.5以上。水冷冷冻水系统运行费用水冷变频螺杆冷冻水系统模式时长(h)总功耗(kw. h)总负荷kw完全自然冷源模式21607516801741.2混合模式288011823841741.2机械制冷模式372023026801741.2总计876046216301741.2全年综合能效比(COP)3.82长沙地区运行分析：机组总功耗为4621630,假设电费为1元/度，则电费约为462.16万元 水冷冷冻水系统全年耗水量为：1741.2*0.215*0.015*8760=49190.6412m3,假设水费为3元/吨，则全年水费约14.76万元。总费用为476.92万元。而如果采用风冷空调，按能效比2.5计算，全年总功耗将达到6101164.8 kw.h, 空调电耗将升高1.3倍，假设电费为1元/度，则电费约为610.12万元3.1. 2.高温冷冻水及大温差设计本项目冷冻水供回水温度按1魅1设计。由于IT设备主要发热是显热，提 高冷冻水温可以减少不必要的除湿负荷，可节省空调能耗15%以上。提高供回水温差，将冷冻水供回水温差由传统的5提高到6。提高供回水温差可以降低冷冻水泵功率、减小冷冻水水管型号和蓄冷水罐容量，有利于减 少空调系统初投资和节约运行能耗。3.L3.采用高效节能的空调设备本项目冷水机组建议选用变频螺杆冷水高能效机组，达到国家节能标准中一 级能效的节能要求，要求制冷机组C0P26.5；制冷主机变频运行可以大大减少 主机的启动时间，提高空调系统的安全性；同时可以在较低负荷时调节主机的运 行功率，从而达到节能的目的。精密空调末端建议采用高效能的EC风机，大大降低了末端风机的能耗。采 用高效的机房专用空调，显热比大于0.90,提高送风效率，节能可靠。图11.3.1-1 EC风机示意图3.1. 4.采用变频技术中央空调系统的最大负载能力是按照负荷最大的条件来设计的，由于本工程 机房设备负荷存在部分负荷工况变化，故本工程采用变频技术控制主机、水泵的 运行，能够有效提高机组的部分负荷下的运行效率，节省能源。系统群控控制， 更好的控制变频设备的运行。水泵及冷却塔变频控制，主要是根据主机负荷情况，通过控制系统控制对应 电机的转速，降低运行功耗，进而节能。3. 1. 5.采用自然冷源冷却技术全部或部分使用自然界的免费冷源进行制冷从而减少压缩机或冷冻机消耗 的能量。采用水冷空调系统，当室外环境温度较低时，可以关闭制冷机组，采用板式换热器进行换热，这样减少了开启冷水机组的时间，减少大量能源消耗。3.1. 6. 封闭冷通道技术冷通道封闭，尽可能减少旁通气流。将冷、热气流完全隔离（另外要求机柜 配盲板，减少冷热气流混合），并提高回风和供水温度，增加系统整体自然冷却 时间，提高冷量的利用效率，可保证系统充分节能运行并满足的IT设备的散热 需要。3. 1. 7.热回收技术（可选）螺杆压缩机'螺杆压缩机'热回收型水冷式螺杆机工作原理图j 拉回收器T热水出T热水入理田收图HI_INF热水出1 热水入1IMI-IF符号说明：-A 冷媒流向HP高压压力开关LP彳氐压压力开关冷冻水出冷冻水入蒸发爆T-犷。螺母连接T发至连接® 膨胀阀-1/1-VI溪混 器电磁阀N易熔寒止回阀_><_裁止阀安全阀图热回收冷水机组原理示意图1）热回收最大的优势在于提供制冷的同时得到“完全免费”的卫生热水， 对有卫生热水需求的场所可节约很大的成本，回收了废弃的热量，减少了系统运 行所需散发的空调冷凝热。减少废热的排放，同时减少热水设备的耗电、耗气、 耗油量，有效保护能源和环境。2）利用压缩机产生的余热生产热水，费用零成本，在冷水机组运行期间可 以源源不断生产卫生生活热水，可供应给大楼沐浴、洗涤等需要场所。3）制冷机组制冷排放的热量一部分由卫生热水带走，剩下部分热量再经过 冷却塔散热排放，减少了冷却塔的散热负担，冷却水出水温度进一步降低，提高 了制冷机组制冷COP,可节约制冷机组约20%左右的运行费用。3. 2.电气节能措施提高变压器运行效率使用节能型变压器，低压配电使用静电电容电容器低压集中补充提高功率因 数，补偿后功率因数cos0=O.95,高出设计要求5个百分点。采用高效的高频UPSUPS选择输出效率97%以在的高频UPS, UPS输出效率提高7个百分点。采用合理的配电方式高压配电室设在负一楼，配电柜（箱）设在负荷中心，缩短配电半径，减少 电线路，降低电能损耗，三相照明线路个相负荷的分配宜保持平衡，减少线路奇 次谐波。4. 3.照明节能措施采用智能照明通过采用智能照明，选择合适的照明控制方式，便于分区、手动或自动关 闭。采用LED光源室内照明光源采用新型高效LED节能光源，每W的光通量由节能灯的65LX/W 提高到LED灯的90LX/W,提高50%。5. 4.装修节能措施1 .本工程主要功能为数据机房，在建筑平面、层高等基本确定的情况下，建 筑节能主要考虑加强建筑外墙、地面的保温构造措施节省空调冷量损失；对运维 管理用房等人员密集的房间多采用自然通风、遮阳等措施。2 .外立面整体采用浅色材质，有利于节能。6. PUE值核算根据机房区域空调系统设计，制冷量需求为1741.2 kW。空调系统采用完全 自然冷源模式、混合模式和机械制冷模式运行。根据其不同制冷模式的能耗结合 机房IT负荷及其他动力负荷，计算机房PUE值如下。