数据中心冷却塔供冷技术优化应用研究

摘要

随着互联网技术与产业的不断升级换代，信息技术迅速发展。以云计算、大数据、人工智能、虚拟现实、物联网、区块链、超级计算、量子信息为代表的新兴技术为人们的日常生活提供了巨大便利。但与此同时，这类新兴技术背后所带来的数据处理业务的需求也呈现爆发式增长。数据中心作为数据的承载体，其数量和规模在不断增加，自身能耗巨大的问题也在日益凸显。利用相关节能技术提高数据中心能源利用效率，是数据中心发展所要解决的首要问题。冷却塔供冷作为一种利用室外冷源为末端供冷的自然冷却技术，是目前针对数据中心空调系统节能应用最广泛的方式之一。但在实际应用过程中由于系统设计或使用不合理，参数设定或设备选型不恰当等原因，实际应用效果远远低于预期。本文以重庆某数据中心为例，通过对该数据中心冷却塔供冷技术的实际应用进行相关测试，发现并解决技术应用现存问题，并从冷却塔供冷系统的设计和运行控制两个角度提出相关优化思路与措施，给出了一套数据中心通过冷却塔供冷技术最大化利用室外冷源的方法体系。　　本文首先从数据中心室内环境要求、空调系统特点、常用节能技术以及冷却塔供冷技术的发展四方面较全面地综述了国内外研究进展。基于研究现状和目前存在的问题，选择理论分析和现场实测相结合的方法，确定本文的主要研究内容。　　首先对冷却塔供冷技术进行概述，介绍其节能原理，3种应用形式以及应用范围。同时结合相关规范、标准、书籍、文献以及实际案例，汇总冷却塔供冷系统冷水机组冷冻水侧和冷却水侧的管网设计形式和实际应用方法。对比各种管网形式的优缺点，提出应根据具体需求和实际情况选择合适的管网形式。　　以重庆某数据中心为研究对象，通过现场调研了解数据中心现状，结合理论分析和现场实测，得到该数据中心设计工况和现运行工况下冷却塔供冷技术应用前后相关数据，并通过计算相关指标量化技术应用效果，结合实际情况提出技术应用现存问题。同时对数据中心冷却塔供冷技术的实质及特点进行分析，分别从系统的设计和运行控制两方面提出相应的优化思路及理念。　　结合测试数据，对该数据中心冷却塔供冷技术应用现存的三个问题出现的原因进行理论分析并提出对应的解决方案或相关参数的确定方法。结合系统设计优化思路，分别对数据中心选址、机房空调送风温度选择以及系统传热损失优化三方面进行相关分析并给出一定的建议。结合系统运行控制优化理念，以测试数据中心为例，针对冷却塔供冷技术完全自然冷却工况和部分自然冷却工况分别提出对应的制冷工况切换控制和设备时序控制策略。　　最后，以测试数据中心为例，通过理论计算和现场测试等方法，对冷却塔供冷系统设计优化方案的实际应用进行分析。发现数据中心所在地气候分区编号越大，其利用冷却塔供冷降低PUE的难度和成本越大，相关的政策法规应结合各地气候条件，针对性提出更合理的PUE限值；测试数据中心在冷冻水供水温度为16℃，机房空调送风温度18.6℃时，不仅能避免冷却除湿现象，还能在保证IT设备安全可靠的运行下带来可观的节能效果，相比机械制冷工况全年节约1072652kW·h；可以通过加载系统设备减少冷却塔流量比，从而减小冷却塔冷幅，且室外空气湿球温度越大，降低的幅度越大。最后对该数据中心在冷却塔供冷系统无法满足相关系统管网与设备要求的前提下利用冗余设备应用部分自然冷却工况进行实际应用测试，结果表明平均每天节能1000kW·h，相对节能量较少，因此不推荐新建数据中心设计时考虑这种方式应用部分自然冷却工况。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 数据中心室内环境要求

1.2.2 数据中心空调系统特点及常用节能技术

1.2.3 冷却塔供冷技术

1.3 主要研究内容

1.4 技术路线

2 数据中心冷却塔供冷系统的设计与应用

2.1 冷却塔供冷技术概述

2.1.1 冷却塔供冷技术节能原理

2.1.2 冷却塔供冷技术应用形式

2.1.3 冷却塔供冷技术应用范围

2.2 系统管网设计

2.3 技术应用方案

3 数据中心冷却塔供冷技术适用性研究

3.1 冷却塔供冷技术应用效果评价指标

3.1.1 数据中心空调系统相关能效指标

3.1.2 自然冷却技术评价指标

3.2 冷却塔供冷技术在重庆某数据中心的应用

3.2.1 数据中心概述

3.2.2 冷却塔供冷技术节能效果制约因素

3.2.3 理想节能预期

3.3 实际应用效果测试与分析

3.3.1 冷却塔供冷技术应用测试

3.3.2 测试结果及分析

3.4 技术应用现存问题及优化思路

4 数据中心冷却塔供冷技术优化应用方案

4.1 现存问题的分析与解决

4.1.1 问题原因理论分析

4.1.2 问题解决方案

4.2 系统传热驱动力优化

4.2.1 冷却塔供冷技术节能效果的地域化差异

4.2.2 机房空调送风温度

4.3 系统传热损失优化

4.3.1 优化潜力分析

4.3.2 冷却塔冷幅影响因素

4.4 冷却塔供冷技术运行控制

4.4.1 完全自然冷却工况

4.4.2 部分自然冷却工况

5 优化方案应用分析

5.1 系统传热驱动力优化方案

5.1.1 不同气候下数据中心降低 PUE的成本分析

5.1.2 机房空调送风温度优化

5.2 系统传热损失优化方案

5.3 利用冗余设备应用部分自然冷却

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文：

B. 学位论文数据集

致谢