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数据中心制冷系统如何"能效革命"？

发布于：2025-02-19 11:09:19 来自：暖通空调/制冷技术

来源：制冷空调换热器

作者：HETA

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制冷系统作为数据中心能耗的"巨无霸",节能增效已成为业界的头等大事。本文旨在全面剖析数据中心制冷系统的节能路径,涵盖水侧、风侧、电侧等多个维度。

一、水侧系统的"瘦身之道"

水侧系统是数据中心制冷的"主动脉",搞好"瘦身"文章大有可为。下面我们从冷源、输配等环节,逐一解析水系统节能的"锦囊妙计"。

1、冷源侧:创新"用能方式"

冷源侧的节能,要从根本上创新"用能方式",替代传统的压缩式制冷。常见的技术路线有:
① 蒸发冷却:利用水蒸发吸热的原理制冷,可利用大气"免费"冷量,PUE可低至1.2以下。但受限于气候条件,适用范围有限。
② 水蓄冷:利用夜间谷电制冷,白天释放冷量,实现错峰用能。与常规制冷相比,可节电30%以上。但投资成本高,占地面积大。
③ 冰蓄冷:利用夜间谷电"充冰",白天"放冷",可显著削峰填谷。但COP偏低,运行费用高。
④ 自然冷却:利用外界冷空气或冷水直接制冷,可大幅降低能耗。如利用深层海水制冷,PUE可低至1.1以下。但受制于气候和地理条件。

2、输配侧:巧用"水电双控"

输配环节的节能,既要"控水"也要"控电",关键要抓住水泵和冷冻水这两个"牛鼻子"。
① 冷冻水温度优化:适当提高供水温度,可减小输配能耗。供水温度每提高1℃,输配能耗可降低3%左右。但温度过高会导致末端除湿量增大。
② 水泵变频控制:根据负荷需求调节水泵转速,避免额定工况下的能量浪费。
③ 大温差设计:适当增大供回水温差,可减小管网输送动力。温差每增加1℃,输配能耗也可降低。但温差过大会加剧末端不均。
④ 两级泵变流量:一次泵定流量、二次泵变流量,可显著降低输配阻力。实践表明,采用两级泵变流量,输配能耗可大大降低。

3、用户侧:因地制宜"因需用冷"

用户侧节能的精髓,在于因地制宜、精准用冷,杜绝"大水漫灌"。
① 分区供冷:根据机柜布局和负荷分布,合理划分冷冻水系统的供冷分区,实现"因需用冷"。避免不必要的能源浪费。
② "高送低回":适当降低回水温度,提高供回水温差,可减小水泵的输送功率。但回水温度过低会导致冷冻水管结露。
③ 定水温控制:采用定水温控制策略,根据室内负荷变化自动调节冷冻水流量,维持恒定的供水温度,可显著提高舒适度。
④ 旁通水流优化:合理设置旁通水管,并优化旁通比例,可实现机柜冷量的精准匹配,避免过冷和欠冷现象。

二、风系统的 " 自然之风 "

风系统是将冷量输送到机柜的"快递小哥",发挥"自然之风"的优势大有可为。我们一起来探寻风侧节能的奥秘。

1、自然通风冷却:这是风系统节能的"皇冠明珠"。

利用自然风冷却IT设备,可大幅降低风机能耗。Facebook的爱尔兰数据中心采用此技术,风机能耗几乎为零。
① 自然通风模式:利用机房与外界的压差,将新风引入,实现自然通风冷却。关键要合理布置进风口和排风口,并采取可靠的防尘措施。
② 机械辅助通风:在自然通风不足时,利用风机进行机械辅助,提高通风效果。该模式下,风机功率宜采用变频控制,根据温度需求自动调节。
③ 自然冷源塔:利用冷却塔将自然冷量引入机房,代替常规制冷。该技术适用于干燥寒冷地区,可将PUE降至1.1以下。

2、气侧经济器:这是风系统的"节能小能手"。

利用新风的"免费冷量",代替常规制冷,可显著降低压缩机能耗。
① 全新风运行:当外界条件适宜时,完全采用新风冷却,关闭常规制冷系统。
② 新风补充:在过渡季节,利用新风作为补充冷源,降低常规制冷系统的运行时间。
③ 新风预冷:利用新风预冷回风,降低空调的冷负荷。该模式适用于回风温度较高的情况,可提高显热制冷效果。

3、智能送风策略:这是风系统的"点睛之笔"。

采用精准送风,可避免冷量浪费,提高制冷效率。
① 局部热点识别:利用CFD等仿真工具,精准识别机柜局部热点,优化送风口布置,改善气流组织。
② 送风温度优化:适当提高送风温度,可减小风机功耗。但温度过高会加剧机柜热点问题。送风温度宜控制在18℃~27℃。
③ 变风量控制:根据机柜负荷变化,自动调节送风量,避免过冷和欠冷现象。采用变频风机,可实现无级调速。

三、供电系统的"减负增效"

供电系统是数据中心的"粮草先行",在IT设备"狼吞虎咽"的背景下,做好"减负增效"大有可为。下面我们一起解锁电力供应的节能大法。

1、UPS效率提升:这是供电系统的"头等大事"。

传统UPS效率偏低,损耗大,已成为能效瓶颈。提升UPS效率势在必行。
① ECO模式:在市电正常时,旁路供电,UPS待机,可显著提高效率。但切换时存在电源瞬断风险,适用于对可靠性要求不高的场合。
② 模块化设计:采用模块化UPS,可根据负荷需求动态投切,避免低负载损耗。
③ 硅化迭代:采用碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体器件,可大幅降低UPS的开关损耗。据测算,采用硅化技术,UPS效率可提升1~2个百分点。

2、市电直供:这是供电系统的"直通车"。

绕过UPS,直接采用市电供电,可避免AC/DC转换损耗。但对供电可靠性要求高。
① 双路供电:采用双路市电,互为备用,提高供电可靠性。两路电源宜来自不同变电站,避免"共模故障"。
② 快速切换:采用静态切换开关,实现故障时的快速切换,避免IT设备宕机。切换时间宜小于5ms。
③ 不间断电源:对关键设备采用不间断电源,确保故障时的连续供电。UPS容量宜按关键负荷配置,避免浪费。

3、分布式供电:这是供电系统的"因地制宜"。

将供电设备分散布置,靠近IT负荷,可减小线损,提高供电效率。
① 列头供电:将UPS等供电设备置于机柜列头,直接供电,可降低配电线路长度,减小线损。
② 机柜内供电:将微型UPS集成于机柜内部,就近供电,可进一步减小损耗。该模式尤其适用于刀片服务器等高密度设备。
③ 直流供电:采用高压直流供电,取消AC/DC转换环节,可显著提高效率。380V直流供电系统的效率可大大提高。

四、制冷效率的"未来之路"

在数据中心"降本增效"的大背景下,提升制冷效率是大势所趋。我们一起展望制冷系统的未来图景。

1、热泵替代:舍我其谁。

利用热泵替代常规冷水机组,可显著提高制冷效率。
① 水源热泵:利用地表水、地下水等作为冷热源,实现高效制冷。据测算,水源热泵的COP可达6以上。
② 地源热泵:利用地埋管换热,实现土壤源制冷。地源热泵的COP可达4以上,较空气源提高30%以上。但初投资较高。
③ 污水源热泵:利用数据中心污水的热量,实现废水制冷。污水源热泵的COP可达5以上,且无需打井,初投资低。

2、液冷换热:液体直击。

利用液体直接冷却IT设备,可减少冷量传递的中间环节,显著提高换热效率。
① 列间液冷:在机柜列间设置冷板,利用冷冻水直接换热,可将PUE降至1.3以下。但施工难度大,运维不便。
② 机柜内液冷:在机柜内设置微通道冷板,直接冷却服务器,可将PUE降至1.2以下。但改造成本高,易发生泄漏。
③ 芯片液冷:直接利用液冷板冷却CPU等核心部件,可将散热效率提高50%以上。但技术难度大,量产尚需时日。

3、AI智控:人工智能来了。

利用机器学习算法,可实现制冷系统的智能调控,因需而变,因时而动。
① 负荷预测:利用历史数据训练负荷预测模型,提前预判制冷需求,实现精准调控。Google采用此技术,能耗降低40%以上。
② 设备调优:利用强化学习算法,自主寻优冷机、冷塔等设备的运行参数,实现COP的动态优化。某数据中心采用此技术,综合COP提高15%以上。
③ 智慧运维:利用故障诊断、剩余寿命预测等算法,实现设备的预测性维护,减少非计划停机时间,提高制冷可靠性。

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