“绿色数据中心”

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摘要:结合工程现实情况介绍了温湿度独立控制系统在数据中心的设计和应用情况，根据实际运行情况和测试结果，提出了数据中心温湿度独立控制的应用方法和运行能耗的分解，可以大大降低pue值和投资， 为绿色数据中心的快速发展提供了很好的例子，与以前流传的恒温恒湿水冷室空调整相比，可以大幅减少投资和运行费用。 作者是新闻产业电子第十一设计研究院科学技术工程株式会社温晓军和林素菊。

引言

湿度独立控制的空调整方法是我国学者率先提出，近年来国内外迅速发展的新的空调整方法。 在办公室和其他领域开始使用[ 1，2，3 ]，在集成电路领域已经取得了成功。 与以前流传的集中空调整形式不同，温度湿度是独立控制的空调整是使用两个独立的系统来分别控制室内的温度和湿度，以满足控制环境的温度湿度和要求，不完全变热

1温湿度独立控制系统

虽然将干燥的新风送入机械室控制房间的湿度，但是将高温冷热源产生的12/18℃的冷冻水送入室内的干式机械室空调节单元会吸收机械室的热量。 温度湿度独立控制系统的第一个拷贝是分别设置解决显热的系统和解决湿度的系统。 解决显热的装置可以使用室内干式空调整单元进行循环，供水温度比室内空气体露点温度高，因此没有结露的危险。 湿度解决夏季使用独立新风机组控制机房湿度，冬季使用等焓加湿方法解决室内湿度，并且降低送风温度，可以承担部分室内热负荷。 如图1所示。

图1 .温湿度独立控制系统空调焓湿图

与以前传来的数据中心使用机房专用恒温恒湿空调节单元的情况相比

常规恒温恒湿空调机房内环境采用耦合的方法进行控制。 恒温恒湿空调除需要精密控制空气体温度，且空气体湿度也需要控制，机房空调本身是小焓差较大的风量设计，自身湿度控制能力较差， 如下图所示。

图2 .常规恒温恒湿机组的焓湿图

如图所示，室内机承担着机械室内的温度和机械室内的湿度两方面，会引起冷热抵消过程。 从红色工艺线来看，以100kw的机组为例，最大冷热抵消量为9kw。

3温湿度独立控制核心部件

温度独立控制系统的三个核心组成部分分别是高温冷冻水装置(出水温度12℃以上)、新风解决机组)、去除显热的室内末端装置，以下分别介绍这些核心系统的形式。

3.1高温冷冻水系统

由于除湿的作用由解决潜热的系统承担，显热控制系统的冷水供水温度通常会从空调整系统的7℃上升到12℃左右。 该温度的冷水为天然冷源的采用提供了条件，如自然冷却、地下水、土壤源换热器等。 在西北干燥地区，可以利用室外干燥空气体通过直接蒸发或间接蒸发得到12℃的冻结水。 在北方冬季、过渡期，即使没有地下水等自然冷源，也可以用冷却塔直接冷却得到12℃的冷冻水。 随着供水温度的提高，制冷机的性能系数也明显提高。

3.2高温冷水机组

在无法利用地下水等天然冷源和冬季蓄冷技术获得冷水的情况下，即使使用电动制冷方法，由于所要求的水温较高，制冷压缩机所需的压缩比较小，制冷机的性能系数也可以大幅提高。 蒸发温度从普通冷水机组的2~3℃提高到7~8℃，冷凝温度为40℃时，卡诺制冷机的cop从7.2~7.5提高到8.5~8.8。 同样冷热的情况下可以节约15%的电力。

3.3冷却塔间接制冷

在冷却塔供冷中，当理想情况下，即各部件换热面积无限大且各部件的风、水流量比一致时，出水温度可以无限接近进气的露点温度。 如果室外露点温度小于12℃，冷却塔可以直接制冷，但现实中，考虑到各部件的效率、冷冻水的稳定性，实测冷水的出水温度比室外湿球温度高5~7度时，冷却塔冷却水的温度比较稳定。 由于冷却塔产生冷热的过程，只需要使换热过程所需的风扇和泵的耗电量与风、水间接且直接接触，与通常的电动压缩制冷方法相比，避免了压缩机的使用，机组的性能系数cop (设备获得的冷热量与风扇和泵的耗电量之比)较高。 在北方大部分地区的季节、冬季及西北干燥的气象条件下，实测单元的cop约为15~30。 室外空气体越干燥，湿球温度越低，获得冷水的温度越低，间接蒸发冷水机组的cop越高。 另外，由于使用高温冷冻水系统，冷却塔的制冷时间比普通的7℃冷冻水系统长很多，冷却塔的制冷采用时间变长。

3.4湿度调节系统-干燥新风的制备

机房内人员较少，机房内部无湿负荷发生。 机房的环境湿度控制以新风湿度为首要控制即可。 解决机组的核心任务是实现对新风的降温解决过程，用常规制冷方法实现。 是常规冷冻水新风机组、直接膨胀制冷新风机组、热泵驱动的溶液除湿新风机组、间接蒸发冷却新风机组等新风解决方法。

3.4.1夏季除湿解决

在数据中心机房使用温湿度独立控制的空调节系统时，会出现空气体湿度控制问题。

图3 )中国各城市夏天最湿月室外平均含水量(2) )。

在边界线上，也就是中国的西北部，室外的新风本来就很干燥，可以直接剥夺房间的湿负荷。 此时新风的解决过程为等湿降温，实现该功能的间接蒸发冷却新风机组已经开发成功，并已应用于十多家大型公共建筑[2]。

分界线下，主要在中国东南部，室外的空气体非常潮湿，要获得干燥的新风送风需要对新风进行除湿。 可用除湿方法:以前流传的冷凝除湿、转轮除湿、溶液除湿。

3.5.2冬季加湿解决设备

常规机房恒温恒湿空调节单元使用电热、电极、红外线加湿系统，均用电加湿，耗电量巨大，1kg水需要0.75kw的电量。 机器室内常年有大量热源，使用等焓加湿，可以实现加湿，降低室内温度。 现已成功研制出专业的机房湿膜加湿单元。 专门用于机房冬季等焓加湿。

3.6核心部件:室内终端装置

湿度独立控制方法机房空调节只负责机房的温度控制。 相对于普通恒温恒湿机组，由于要通过高于室内露点的高温冷水，因此不会出现冷凝露现象，室内末端装置非常简单。 只是在干式线圈单元中，不需要电加热、电加热、漏水警报、冷凝水盘、冷凝水系统等。 由于流经冷水的温度上升，冷却盘管表面和空气体之间的换热温度差减少，因此冷却盘管需要重新设计散热片和水路，提高盘管的换热性能。 原来的机器作为干燥箱使用时，冷却热量不能沿用原来的机器样品，所以需要重新检查干燥箱的冷却热量。 另外，盘管的所有干燥箱都在运转，风阻小于湿箱，风量也需要检查。

4工序例分解

4.1概要

本项目位于北京，原建筑内改造为机房，规划建筑共六层，机房五层，机房面积3000平方米。 800个机柜计划机柜耗电量的30%为5千瓦，70%为3千瓦。 设置屋顶冷却塔、冷水机组、水泵等。 一共计划五个机房单元。 机柜的实际运行负载率在50%~80%左右。

4.2设计参数

冷气通道的设计温度为16~23℃，暖气通道的设计温度为27~30℃。 湿度为40~60%； 新风量取正压风量和人员新风量的最大值。

4.3冷源设计

冷水机组3台，两用1台，每台冷却热量为1500kw，设计水温为12/18℃；

与冷冻水循环泵对应的3台n=30kw、380v@50hz； 3台冷却水循环泵n=37kw、380v@50hz； 模块式闭式冷却塔3台，1台水量为450 m3/h。 冷却塔根据冬季运行情况选定，夏季核查。 1台独立新风机组、2台风量10000 m3/h板式热交换机组，1台备用，1次侧为11/15.5℃； 二次侧为12/18℃，热交换量为3000kw，增加冬季的采用时间。

4.4室内空设计

新风负荷由新风机组承担，室内空调节机组承担房间热负荷，机房空调节室内机为潜热运行，机组冷热量为100kw，风量为16000m3/h，机组干燥运行，冷冻水

4.5投资和电力消耗的分解

根据附表1，可以确认温湿度独立控制系统空调系统的投资低于通常的恒温恒湿空调系统。

根据附表2，可以确认温湿度独立控制系统空调系统的耗电量低于通常的恒温恒湿空调系统的耗电量； 可以确认运行成本会下降。

4.6运转分解

本项目自年3月开始运行，至今已运行1年，it耗电量达到实际运行量的65%，与第一期常规空调整相比，冬季采用冷却塔的时间延长了42天，年11月10日-年3月20日； 共计100天； 调整一期的通常空冬季的采用时间

年12月15日-年2月20日，共63天； 另外，整体空调节系统的节能为15.7%； 冬季冷冻机37天节能5.6%； 系统整体节能为21.3%。

5结论

5.1随着it产业的迅速发展，国际上对绿色数据中心的倡导，特别是绿色pue的提出，对数据中心的投资、节能要求越来越高，而且服务器对环境的要求也越来越低，对温度湿度的独立控制提供了良好的诉求。

5.2温湿度独立控制系统可应用于数据中心，全年系统节能在20%以上。

5.3温湿度独立控制系统必须配置冷热通道隔离系统，以实现机房空的焓差、温差较大的送风。

5.4温度湿度的独立控制与高温冷水机组配套，统一采用高温显热空末端设备，实现整体节能。

5.5冷却塔冬季供冷时间的延长很好地体现了温度湿度独立控制系统的节能。 另外，可以共用多种冷热源。

5.6需要独立的新风控制系统，机房环境需要保持机房内部正压，以免外部热湿负荷影响机房。

5.7数据中心空系统的设计不需要拘泥于特定的模式。 本工程结合自身优势，以温度湿度独立控制系统为空调节形式，配合高温冷水机组、显热空调节单元、冷却塔制冷等多种新型，节省数据中心空调节系统

5.8 it的计划和运行通常分阶段采用，大部分空调试设备在部分情况下运行，使用变频冷水机组、变频泵、ec风扇等也是数据中心空调节能量的好方法。