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1、第四期 数据中心采用余热制冷的可行性分析 数据中心采用余热制冷的可行性分析 水 同济大学机械与能源工程学院 李 艽 杨元强 朱 彤 摘 要介绍了我国数据中心的发展及能耗情况。分析了数据中心常用空调系统形式及特点，提出利用余热制冷为 数据中心提供冷源的节能方案。以某钢铁厂的高温冲渣水余热制冷用于该厂数据 中心空调系统为例，进行 了经济 性分析，结果表明该方案较电制冷空调节能环保。 关键词数据中心；余热；节能；环保 The Fe a s i bi l i t y An a l y s i s o f Ut i l i z i n g W a s t e He a t f o r Co o l i
2、n g t h e Da t a Ce n t e r L i Pe n g ， Ya n gYu a n q i a n g a n dZ h uTo n g Abs t r a c t Thi s pa p e r i n t r o d uc e d t h e d e ve l o p me nt a nd t h e s t a t us o f e ne r gy c o n s u mpt i o n of t he da t a c e n t e r s i n Ch i n a ， a n a l y z e d t he c o mmo n l y u s e d a i
3、 r c o nd i t i o n i ng s ys t e m f o r ms a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t he d a t a c e n t e r s ， pr o v i de d a n e n e r gy s a v i n g s ol u t i o n s t h a t ut i l i z i ng wa s t e h e a t for c oo l i n g d a t a c e n t e r s The n t o o k t h e h i g h t e mp e r a t ur e
4、s l a g wa s t e h e a t o f a s t e e l mi l l c o o l i n g wa t e r us e d i n t h e a i r - c o nd i t i o ni ng s ys t e m o f t h e d a t a c e nt e r s a s a n e xa mp l e ， ma d e t h e e c o n o my a n a l ys i s ， t h e r e s u l t s s h o we d t h a t t he p r o p o s e d s o l ut i on i
5、s b e t t e r t h a n t h e e l e c t r i c r e f r i g e r a t i o n i n t h e e n e r g y c o n s e r va t i o n a n d e n v i r o nme n t pr o t e c t i o n Ke y wo r ds Da t a Ce n t e r ； W a s t e He a t ； En e r g y Co n s e r va t i o n； En v i r o n me n t Pr o t e c t i o n 0 引言 随着信息产业的快速发
6、展，全社会对各类高性 能数据机房的需求越来越大。以刀片式服务器为代 表的高性能 I T设备的广泛应用使得标准 4 2 U机柜 的容量从以前的不足 1 k W 跃升到 1 0 k W 2 0 k W， 大 型 数 据 中 心 单 位 面 积 I T设 备 发 热 量 高 达 l k W 3 k w，高的产热密度使空调能耗大幅上升 ， 目前已占机房总用电量的 4 0 左右 【 l】 。根据美国环 境保护署的报告，数据中心的能源消耗每 5 年翻一 番，2 0 1 2年数据中心能源消耗占到了美国电网总量 的 2 。到 2 0 2 0 年，全世界所产生的数据规模将达 到今天的 4 4倍，数据中心的能耗也
7、将成倍增加。 2 0 1 1 年 2 0 1 3 年世界数据中心耗电量分析见表 l 2 。 表 1 2 0 1 1 年一2 0 1 3年世界数据中心耗电量分析 单位：亿 k W h 2 0 1 1年 2 0 1 2丘 2 0 1 3丘 耗电量 6 3 5 8 5 7 2 0 2 9 8 1 0 2 5 增长 1 4 3 1 3 3 1 2 5 表 2 2 0 1 1 年一2 0 1 3年中国数据中心耗电量分析 数据来源：I C T r e s e a r c h 2 0 1 4 0 4 国家 9 7 3课题( 2 0 1 4 C B2 4 9 2 0 1 ) 李艽 ，女 ，1 9 7 2年 1
8、 1月生 ，博士 ，副教授 2 0 0 0 9 2 上海市虹 口区中山北一路 1 1 0 0弄 8号 4 0 2室 1 5 0 0l 7 31 3 8 8 E - ma i l ： l i p e n g 9 9 t o n g j i e d u c n 收稿日期：2 0 1 6 0 6 1 5 数 目前 ，中国数据中心规模进入高速发展的阶 段，无论是整体数据中心的市场销售额还是新增 数据 中心机房的面积都保持着高速的发展，随 之而来的是中国数据中心能耗的高速增长，2 0 1 1 年 2 0 1 3 年中国数据中心耗电量分析见表 2 2 】 。 工信部 电信 研究 院通 信标准 研究所 预计
9、 到 2 0 1 6年的数据中心耗 电量将达到 1 0 9 4 -3亿 k W h 2 。数据中心的高能耗，不仅增加机房运营 成本，制约机房升级扩容 ，还直接影响着未来绿 色数据机房的发展。如何有效降低机房空调能耗 已成为亟待解决的问题。 1数据中心能耗组成及评价指标 1 1数据中心能耗组成 数据 中心的能耗主要由信息设备能耗、空调 系统能耗、电源系统能耗等 3 部分构成。信息设 备能耗是数据中心能耗最大的部分，约占数据中 心能耗的 5 0 ，空调系统能耗在数据中心总能耗 中排在第二位 ，约占 3 0 4 0 ，电源系统能 耗约占数据中心能耗的 1 0 。 空调冷负荷随着数据中心服务器散热密度
10、增 大而增大，是普通办公建筑冷负荷的几 l 0 倍。 因此需要采用高能效的供冷模式、充分利用气 候因素提供免费供冷等节能技术，对数据 中心 2 洁净与空调技术 CC8 C 2 0 1 6年 空调系统进行优化设计。 1 2 数据 中心能耗评价指标 目前有很多衡量数据中心能效的模型，其中较 有影响的是数据中心能效评价指标：电能利用效率 P U E ( p o w e r u s a g e e ff e c t i v e n e s s ) 。P U E是 数 据 中心 总设备能耗与 I T设备能耗的比值 ，一般在 2 2 3 0 之间，其值越小表 明能效水平越好。目前发达 国 家 P U E约
11、为 1 8 ，中国的平均 P U E ( P o we r Us a g e E f f e c t i v e n e s s )值在 2 2 3 0之 间，其 中 8 0 以上 数据 中心的 P U E均 2 0 ，有的高达 3 0 ，我国制 定的 工业节能 ” 十二五 ” 规划 中明确指出，到 2 0 1 5年，数据中心 P U E值需下降 8 。 2数据中心空调温、湿度要求及系统形式 2 1 数据中心空调特点和温、湿度要求 数据中心具有热负荷强度高、设备散热量大和散 湿量小等特陛。机房得热量主要来自设备运行产生的 热量，显热约占总热量的9 5 ，其显热比高达 0 8 5 0 9 5 ，
12、 空气处理过程接近于等湿冷却的干式降温过程。 要求空调系统不间断制冷，温、湿度波动范围小，洁 净度要求高等，因此具有大送风量、小送风焓差的特 点。大送风量保证将设备散出的大量热量及时排走， 而小送风焓差主要是为了防止设备结露 5】 。 除上述主要特性外，数据中心内各个设备都有 相应适合的温度、 相对湿度工作范围。 如表 3 所示 【3 。 表 3数据中心主要设备温度 ，相对湿度要求 温度和相对湿度过高或过低都会对设备造成较 大的影响，温度过高会降低电子元器件的工作效率， 在规定范围外温度每增高 I O C，其工作效率大约会 下降 2 5 ；温度过低会导致设备无法运行以及机械 结构的硬化和脆化。
13、相对湿度过大会严重影响电路 的可靠性、造成短路等；相对湿度过小容易产生静 电，静电对电子器件具有严重的破坏性 ；另外灰尘 也会对设备运行产生严重的影响。 2 2数据中心空调系统形式 ( 1 )机房专用空调系统 机房专用空调系统采用专用空调机组，设置在 数据通信机房的周边，机房内的热风从空调机组顶 部吸入，经过滤、冷热处理后送入地板静压箱，冷 空气通过设置在冷通道处的地板送风散流器进入 机房，然后被吸入机架或机柜，吸收数据通信设备 散发的热量后排至热通道，在热通道内，热空气上 升，沿着机房顶板回到机房专用空调机组 4 。由于 该系统管理方便，目 前仍适用于规模不大的计算机 房和通信终端机房。图
14、1 为机房专用空调系统布置 平面图。其不足是能效比小，众多分散的制冷压缩 机使维修工作量大，且增大数据中心噪声。 图 1 机房专用空调系统平面布置图 ( 2 )空气冷却式集中空调系统 目前大多数数据中心采用集中空气处理系统进 行空气调节。集中空调机组设置在数据中心数据通 信机房外的空调机房内，室外新风与回风混合后经 过空调机组过滤、冷却、再热等处理后由风机送至 数据通信机房，冷风在吸收了设备产生的热量后被 排入热通道， 最后经风管回至空调机组或排至室外。 送风方式常采用地板送风、下送上回方式。图2 为 空气冷却式集中空调系统示意图。 回风 图 2空气冷 却式集 中空调 系统 ( 3 )液体冷却
15、式集中空调系统 随着数据处理设备的处理速度提高、容量加 大，数据通信设备发热量、冷负荷不断增大，空 U p A b A l 、 l、 、 、 A A E 、 、 E O I _ p 第四期 数据中心采用余热制冷的可行性分析 3 气冷却系统的风量和冷量越来越满足不了要求。在 此情况下，需采用液体冷却系统来排除数据通信设 备的废热，以减少机架或机柜所需总冷却风量。液 体冷却系统可直接冷却数据通信处理器，使其温度 降低，提高其数据处理能力。图3为一典型的数据 中心液体冷却式集中空调系统原理图。液体冷却系 统一般由冷却水系统回路、冷水系统、工艺冷却系 统、冷液分配装置及数据设备机架或机柜组成 4 。
16、侍却水糸统 令 水系统T艺冷却系统 图 3液体冷却式集中空调系统原理图 ( 4 )温、湿度独立控制空调系统 上述 3 种传统空调系统中热、湿负荷是耦合处 理的，即通过降温除湿，存在冷却过程中为除湿的 过度冷却与再热过程加热的冷热抵消问题，制冷效 率及空调系统的能源利用效率都比较低。为解决这 一 问题而提出温、湿度独立控制空调系统 ，采用两 套独立的控制系统，分别控制、调节室内的温度与 湿度 6 】 。即用新风去除室内的余湿、承担室内空气 湿负荷的任务 ；采用高温冷源去除室内的余热如图 4所示。因而在温、湿度独立控制空调系统中，采 用 l 6 l 8 的冷水即可满足降温要求 ，可有效 提高空调系统的能源利用效率。数据中心空调系统 温、湿度控制分
