数据中心机房空调节能方法研究论文Word下载.docx
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2014年6月
摘要
针对数据中心空调系统能耗比例过高问题开展了一系列调研,指出了目前国内数据中心空调系统使用中存在的问题,针对这些问题从空调设备节能、气流组织优化和自然冷源合理利用三方面分析了相关的节能方法与手段,为数据中心空调系统的节能设计与改造提供参考和依据。
本课题是利用其Fluent软件对数据中心空调系统的节能优化操作,该操作主要是对空调进行温度、湿度的参数调节,实现其数据中心机房的主控对空调的节能的具体的参数调节。
关键词:
数据中心;
空调系统;
节能;
Fluent软件;
ABSTRACT
Fordatacenterair-conditioningsystemenergyconsumptionhighproportionproblemhascarriedoutaseriesofresearch,pointsouttheproblemsexistingintheuseofdomesticdatacenterairconditioningsystem,tosolvetheseproblemsfromtheairconditioningenergyconservation,airdistributionoptimizationandrationalutilizationofnaturalcoldsourcethreeaspectsanalyzestherelatedenergysavingmethodsandmeans,forthedatacenterofenergy-savingdesignandrenovationofairconditioningsystemtoprovidethereferenceandbasis.
ThistopicisusingtheFluentsoftwarefordatacenterairconditioningsystemenergysavingoptimizationoperation,theoperationismainlytoadjusttheparametersofthetemperature,humidityandairconditioningimplementitsmasterdatacenterroomofairconditioningenergysavingthespecificparameteradjustment.
KeyWords:
Thedatacenter;
Airconditioningsystem;
Energysaving;
Fluentsoftware;
目录
1引言2
1.1课题研究的背景2
1.2数据中心机房空调节能的现状与发展趋势3
1.3课题的主要研究内容4
2系统总体设计与实现5
2.1机房空调系统解决方案5
2.2机房空调系统分析比较6
3数据中心机房空调节能研究8
3.1数据中心概况8
3.2空调系统设计8
3.2.1数据中心房间设计温湿度8
3.2.2冷负荷和风量的计算8
3.2.3系统方案的确定8
3.3设备选型11
3.4数据中心的能耗分析11
3.5节能系统运行费用和投资回收期11
3.5.1采用冰蓄冷系统的节能分析11
3.5.2采用过渡季节新风供冷系统的节能分析12
3.6系统的安全可靠性和多样化12
3.6.1设备的备用和多样化12
3.6.2系统的备用和多样化13
3.6.3系统的应急性统13
3.7数据中心机房空调节能方法研究总结13
4软件部分的设计14
4.1系统总体设计目的与思想14
4.2系统总体的设计思路14
4.3软件的使用与介绍14
4.3.1fluent软件的组成15
4.3.2专用的CFD前置处理器——Gambit16
4.3.3Fluent使用实例17
结论20
参考文献22
致谢24
1引言
1.1课题研究的背景
我随着经济的发展,大量的企业飞速发展,对于数据处理业务的需求也快速提升,相继建设了很多的数据中心。
数据中心从10多年前100-200w⋅m-2到如今发展到1000w⋅m-2甚至更高,机房密度的提高使得数据中心的耗能成为一个越来越重要的课题,自从GREENGRID组织提出用PUE来衡量数据中心节能要求,越来越多的国内建设方在设计数据中心时对于PUE值有了要求,PUE是PowerUsageEffectiveness的简写,是评价数据中心能源效率的指标,是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比,PUE=数据中心总设备能耗/IT设备能耗,PUE是一个比率,越接近1表明能效水平越好,本文将从几个方面介绍提高空调能效,降低数据中心空调耗能的方法用以获得较低PUE值可以采取的一些措施.
1.2数据中心机房空调节能的现状与发展趋势
近年来,通过对数据中心机房的运营状况及发展趋势的调研和分析显示:
从2006年到2010年全球数字信息的处理量可能会增长6倍左右。
面对数据中心如此快速增长的业务需求量和广大用户对数据处理量和信息交换量的巨大期望值,电信、金融、政府、石化、电力能源、教育等各行各业的企业主管或CIO只能通过不断地增加其数据中心机房中的TT设备(服务器、存储器和网络设备等)的数量和提高其性能,来满足用户对其信息网络系统在技术性能、数据处理能力、存储容量以及其"
可利用率"
等诸多方面提出的日益严格的要求。
而他们将会面临诸如数据中心的机房面积不够、供电能力不足、企业的能源成本日益增高及电费开支偏大等挑战。
当今,日益增大的电费开支已成为数据中心管理者心目中挥之不去的阴影之一。
例如一个投资仅几百万元的IDC机房,每年的电费开支有可能高达几十万元。
据Gantener的预测,到2008年底,全球将会有近一半的数据中心有可能会面临供电系统供电不足和机房空调系统制冷不足、服务器功率密度和功耗需求量越来越高的问题。
据相关部门的统计,2006年国内服务器的保有量已达182万台左右。
如果以每台服务器的平均功耗为400W来计算,每年由这些服务器所消耗的电量约为63.77亿度。
对于当今的IDC机房而言,为了支持这些服务器的正常运行,需要在数据中心机房中为其所配套的UPS供电系统、空调系统和照明系统等动力及运行环境保障系统所需的功耗约为TT设备功耗的1.8倍左右。
即使按一倍TT设备的功耗来计算,由UPS供电系统、空调系统、变压器、供配电柜和照明等系统所产生的总功耗也应该在63.77亿度左右。
这样一来,为了维持数据中心机房的IT设备及其动力和环境保障系统的正常运行,其所需的总耗电量将高达127.54亿度左右。
为此,用户每年所需支付的电费将可能高达103.3亿元(以每度0.81元的平均电价作为计算基础)。
在此背景下,即使是对于一个仅拥有400台服务器的中型数据中心机房来说,为了维持其正常运行,每年的耗电量和需要支付的电费开支将分别为280万度和226.8万元。
在此条件下,如果能将这个数据中心机房的总能耗降低30%的话,每年就可为该企业节约68万元左右的电费开支。
此外,根据某省电信运营商的统计,其通信基站的耗电量约占其整个运营系统耗电量的89%左右,也就是说,对于电信运营商来说,它对基站通信系统所可能采取的任何一项有效的节能措施,都能对其整个运营费用的降低带来可观的经济收益。
由此可见,抓好节能降耗工作对企业所可能带来的经济利益和社会效益是相当可观的。
1.3课题的主要研究内容
如何以最节能的方式保证系统的稳定运行成为了空调设计师的首要任务。
本文针对南京某公司研发大楼的数据中心进行分析。
我们会从数据中心概况、空调系统设计、
设备选型、数据中心的能耗分析、节能系统运行费用和投资回收期、设备的备用和多样化、系统的应急性统。
对数据中心机房里面的空调的温度、湿度的恒定调节,最终实现其电能的损耗低,实现其节能优化的好处。
2系统总体设计与实现
2.1机房空调系统解决方案
在数据中心空调系统中主要分为风冷直接蒸发式空调系统、水冷直接蒸发式空调系统、冷冻水空调系统、双冷源空调系统等空调系统。
以数据中心空调系统作为集中冷源的冷冻水系统,该系统与各自独立的直接蒸发式空调系统相比,制冷效率更高,设备更集中更少,运行更稳定,故障率和维护成本更低,国外众多大型数据中心普遍使用冷冻水空调系统。
阿尔西提出的数据中心自然冷却冷冻水系统,已通过国家专利审批。
它通过冷冻水循环管路的精心设计以及控制逻辑的优化,实现与机房内部空调气流组织的完美匹配,并且可以根据室内热负荷以及室外环境的变化,对冷冻水流量进行灵活的调节,将自然冷却的效益发挥到最大,始终使机组保持高效运行。
此套数据中心空调解决方案根据安装地区气候条件的不同,可以实现20%~50%的节能,使得运行费用大幅缩减,而为此增加的空调设备初投资,最多两年的时间就可以收回,而整个机组的使用寿命至少有10年。
冷冻水空调系统包括不含冷源的冷冻水型机组加冷水主机。
冷水主机分为普通冷水主机和自然冷却冷水主机。
普通冷水主机一般安装在建筑物的屋顶外部,它们专为室外安装设计,不需要增加任何针对恶劣天气的保护措施。
冷水机组按照不同冷凝方式可分为风冷和水冷两种,以风冷冷水主机为例,其工作原理是:
携带室内热量的高温回水流入机组,进入壳管式蒸发器,被制冷剂盘管冷却,热量传递给制冷剂,由后者带到风冷冷凝器中,由风机驱动环境空气对其进行强制散热。
按经验来说,一套空调设备的平均制冷量为设计值的85%,剩下部分作为冷量备份。
自然冷却冷水主机的工作原理:
当室外温度较低时,就可以利用冷空气冷却高温回水,不需要开启压缩机即可为空调室内机提供冷量,这种方法即为自然冷却方法。
利用自然冷却效应开发的冷水主机即为自然冷却冷水主机,它与普通冷水主机最大的区别在于它在冷凝盘管之前安装了自然冷却热交换盘管,旨在最先利用环境冷空气冷却盘管内的回水;
另一个区别在于内部水循环系统的设计上,自然冷却循环利用三通调节阀将循环水路与自然冷却热交换盘管连接起来(如下图所示)。
其实,自然冷却冷水主机的工作原理并不复杂:
当三通调节阀中旁通B完全关闭,A与C连通时,即自然冷却热交换盘管关闭,全部冷量由压缩机制冷提供;
当室外温度低于回水温度时,A关闭,B与C连通,回水通过自然冷却热交换盘管预冷,然后再进入蒸发器,这样一来,压缩机只需部分工作就可以满足空调冷量的要求,从而节省了大部分能耗;
而当室外温度足够低时,A关闭,B与C连通,通过自然冷却就可以完全满足空调冷量要求,压缩机停机,这时机组总能耗明显降低,只包含自然冷却系统的能耗,总之,室外温度越低,节能效果越明显。
如果采用自然冷却冷水机组比普通冷水机组每年大约节能20~50%,具体效果如何会因安装地区的气候条件而不同。
风冷直接蒸发式机组,适用于水源缺乏的地区和无冷却水系统的场所,可外挂或外置室外机(楼层不高,允许破坏建筑外观),系统简单,无须考虑配备水泵和冷却塔,也无需集中冷冻水系统为之服务。
缺点为室内外机之前的管长受限,在室内外机之前接管超过60米时,需要根据实际情况采取解决方案。
水冷直接蒸发式机组,适用于有集中冷却水系统的场所,机组能效比风冷式机组高,机组安装不受室外场地限制。
双冷源机组具有直接蒸发式和冷冻水机组的双重优点外,同时还具有冷源相互备份的特点,当使用用户冷冻水资源时,只有冷冻水盘管换热,压缩机停止运行,有利于节能,当用户停止中央空调冷冻水系统时,机组启动压缩机进行制冷。
2.2机房空调系统分析比较
以一个面积为8000平方米,热负荷为500W/平方米的数据中心为例,不同空调系统(自含冷源的风冷直接蒸发式机组、水冷直接蒸发式机组、普通风冷冷水主机加冷冻水机组、自然冷却冷水主机加冷冻水机组、水冷冷水主机加冷冻水机组、双冷源型空调机组)分别在哈尔滨、北京、上海、广州、贵阳这五个城市运行,分析运行结果如下:
首先,从空调系统总投资的比较可以看到,双冷源系统,具有风冷和冷冻水系统双重特点,投资成本最高,但是系统的运行最稳定,维修和维护量最大。
自然冷却冷水主机加冷冻水机组和普通风冷冷水主机加冷冻水机组投资成本相当,比双冷源系统要小很多,自然冷却冷水机组在不同的安装条件可以达到不同的节能效果,所以在合适的安装地点推荐使用自然冷却冷水机组,风冷直接蒸发式机组和水冷直接蒸发式机组的系统总投资最小,风冷机组适用于全国范围内,其灵活性最高,而水冷机组更适用于南方地区。
从上述各空调系统的比较分析不难看出,对于北方城市的哈尔滨来说,四季分明,冬天温度相对比较低,所以不适宜使用水冷系列,故在比较时没有将此种空调系统考虑进去,在比较中发现自然冷却冷水主机加冷冻水机组的节能效果很明显,耗电量明显减少。
由于北京一年当中大约有30%的时间温度小于10度,故自然冷却冷水机组加冷冻水机组可以比普通冷水主机加冷冻水机组节能30%,和其他空调系统相比耗电量也明显减少,节能效果显著。
对于平均温度很高的城市如上海、广州、贵阳等地,很难实现利用环境温度实现自然冷却功能,相比之下不推荐使用自然冷却冷水主机加冷冻水机组,从系统总投资上可以看出,水冷冷水主机加冷冻水机组的系统总投资最少,在计算设备制冷总功率和耗电量时,直接蒸发式机组最高,其中还未考虑加热器、加湿器等耗电量,同时实际机组工作时直接蒸发式机组由于室内环境变化会引起压缩机的频繁启动,必然引起耗电量增加,而水冷冷水主机加冷冻水机组这样的情况没有直接蒸发式机组发生频繁,所以从能耗角度考虑直接蒸发式机组也没有水冷冷水主机加冷冻水机组系统要好,经计算,水冷冷水主机加冷冻水机组系统较风冷直接蒸发式机组要节能可达到20%左右。
3数据中心机房空调节能研究
本文针对南京某IT企业研发大楼的4个数据中心进行分析。
3.1数据中心概况
该IT企业大楼位于上海郊区某科技园区,共5层,建筑面积约为25000平方米,本文研究的数据中心位于该大楼5层中心位置,呈长条形布置,4个数据中心的面积分别为286,164,104,144平方米。
数据中心的正上方屋顶上设有1.8m高的平台,用于放置大楼的空调处理设备,平台下则放置了与数据中心有关的排风设备以及用于数据中心全新风制冷的新风百叶,既保证了设备的隐蔽性和安全性,又防止雨天或者其他特殊天气对数据中心空气调节带来的影响。
3.2空调系统设计
3.2.1数据中心房间设计温湿度
数据中心和网络系统的IT设备会产生大量集中的热量,同时部分设备对温湿度的变化极其敏感。
根据设备供应商提供的数据,数据中心IT设备要求的运行温度为24℃,相对湿度为30%~80%。
3.2.2冷负荷和风量的计算
IT设备消耗的电量为1600W/平方米,由于IT设备是纯散热设备,所以在计算房间负荷时,考虑所有耗电量转换为房间冷负荷,且同时使用系数取100%,1#,2#,3#,4#数据中心面积依次为286,164,104,144平方米,从而得出4个数据中心的冷负荷依次为457.6,262.4,166.4,230.4kW。
得到了数据中心的冷量和房间的温度后,可以算出所需风量,但是值得注意的是,在计算总送风量时,根据设计经验,增加10%的系统冗余以保证由于漏风等造成的损失。
3.2.3系统方案的确定
在进行空调设计时所遵循的核心思想是在满足设备基本温湿度要求的基础上,尽可能多地运用各种节能手段并且兼顾系统的稳定性、安全性和多样化。
1.风侧系统
(1)在数据中心内设置单独的机房空调(CRAC),既承担数据中心的冷负荷,又独立于整个大楼的送风系统。
(2)机房空调采用下送上回方式,冷风被送至架空地板下,整个架空地板作为一个送风静压腔,然后通过架空地板上设置的部分穿孔将冷风送至房间内各IT机柜。
房间回风通过吊顶回风口进入吊顶内,整个吊顶以上的空间作为一个回风静压腔,然后通过安装在吊顶内的回风风管,回到机房空调进行循环冷却。
(3)由于大楼的中央冷水机组于室外温度低于15℃时停止使用,但是数据中心全年需要供冷,所以给数据中心设计了新风供冷模式。
4个数据中心分别位于大楼两侧的顶楼,给新风供冷模式时引进大量新风创造了有利条件。
采用新风供冷模式节约了大部分的能源,笔者将在第5.2节进行分析。
(5)机房空调全部安装新风管道并且在数据中心配备排风机进行排风以引进新风,排风机设置变频器以控制数据中心的房间始终为正压10Pa,并且在过渡季节,通过变频器实现新风供冷,减少了风机的能耗。
2.水侧系统
(1)在正常模式下,1#~4#数据中心的所有机房空调采用冷水制冷而非乙二醇溶液制冷,以得到更高的COP。
冷水来自中央制冷机房的冷水机组,冷水管路单独设置,以确保与整个大楼空调的管路系统相互独立。
(2)考虑到会出现冷水系统故障或者节能模式运行的排风机故障或者大楼意外断电,为3#数据中心和位于其他楼层的弱电机房单独设置了一台冷水机组(以下简称“高效冷水机组”),以确保这些房间的空调能24h不间断供冷。
高效冷水机组要求同样具有新风供冷模式,该机组的制冷剂为乙二醇溶液,当室外温度低于乙二醇溶液回水温度时,通过机组自带的三通阀将部分乙二醇溶液引入机组的新风冷却盘管,利用新风进行直接供冷,以达到节能的要求。
(3)考虑高效冷水机组会出现故障,设置一台带应急电源的风冷冷水机组作为备用。
(4)由于中央冷水机组提供普通冷水而高效冷水机组和备用冷水机组提供的是乙二醇溶液,所以要求机房空调采用双盘管双水源系统,以达到两种模式的切换。
3.空调系统的控制
(1)每个房间的机房空调设置集中控制器,以执行机组切换、风机启停、水阀开关、盘管切换等动作。
(2)高效冷水机组和风冷冷水机组内置控制器对压缩机、冷凝器等进行控制以实现机组的正常运行。
(3)设置一个专门的中央控制器用于采集机房空调的集中控制器的数据,切换高效冷水机组和风冷冷水机组并采集其运行状态信号,控制机房空调新风管风阀以及回风管风阀的开度,控制排风机以及变频器。
4.气流组织设计
在参考了GreenbergSteve博士(伯克利实验室)对美国22个数据中心进行研究统计所得出的一系列经验以及笔者总结以往所参与的项目和实践中的几个经常出现的问题,提出下问题:
(1)机柜上部以及周围的热空气短路;
(2)由架空地板上电缆桥架穿孔不密封造成空调送风短路;
(3)不合理的穿孑L地板的布置;
(4)不合理的机房空调的布置;
(5)不合理的吊顶空间高度的设计造成过小的回风静压箱;
(6)架空地板下大管径的水管或者地板下大量的桥架造成的空气阻塞;
(7)机柜前后左右开放的面板造成的空气从热通道到冷通道的短路;
(8)由于机柜内部阻力太大造成的内部空气不流通;
(9)一些IT设备采用侧面排风(通常机柜都是前进风,后出风);
(10)架空地板下静压腔的压力过大或过小。
要避免以上所列举的问题,笔者在设计时考虑
采用如下措施:
(1)使用“热通道和冷通道”的安排模式来设置机柜,在冷通道的两边分别没置两排机柜,使得两排机柜的进风口面对面设置,同样,两排机柜散热的背面也分别在热通道的两侧;
(2)密封所有架空地板上的桥架开孔和桥架上由于电缆分布而设置的开孔;
(3)封住机架上所有不使用的空间或者面板上的开孔,减少冷量损耗以及避免空气短路;
(4)合理布置穿孔地板的位置;
(5)合理布置机房空调的位置以及正确计算空调的各个参数;
(6)尽量在机柜的上方收集所有的热风进入吊顶静压箱内或者风管内;
(7)将架空地板下大管径的水管布置在机房空调的后下方(设备机房可以稍稍离开墙壁以留出地板下的空间布置水管);
(8)架空地板下的主桥架也尽可能靠墙布置。
克服以上所列各种气流布置的注意点和问题后所布置的典型的机房气流分布见图2。
综上所述,在选择穿孔地板类型时应综合考虑透风率和布置位置并且选择带风阀的穿孔地板以便日后进行风量平衡调试。
然后根据机柜的冷量计算所需风量,以2m/s的速度计算穿孔板所需的截面积,从而确定穿孔板的数量。
吊顶回风格栅的设置同样遵循以上原则。
3.3设备选型
由于过渡季节大量的新风会进人数据中心,需要强制排风,并且考虑到数据中心的防排烟设计,所以设置屋顶排风机。
根据机房空调的数量配备排风机,每个数据中心设置1台排烟风机。
排风机技术参数见表2。
EF/1~3服务于1#数据中心,EF/4~8服务于2#数据中心,EF/9~10服务于3#数据中心,EF/11~13服务于4#数据中心。
3.4数据中心的能耗分析
对4个数据中心的用电能耗进行了统计,见图3(图中数据是系统正常运行的能耗,其中没有考虑任何节能措施)。
IT设备的能耗为9784920kWh/a,制冷机能耗为1900920kWh/a,机房空调的能耗为765624kWh/a,冷却塔和水泵的能耗分别为131400kWh/a和486180kWh/a,照明能耗为61145kWh/a。
该图直观地显示了数据中心设备耗电量的分布,其中,主要的耗电设备是IT设备本身,所占比例为74.5%,除了要求在IT设备的设计和选型时尽量选择节能型产品外,25%的空调耗电量也不容小觑,空调工程师应该运用各种节能手段对空调系统进行优化。
3.5节能系统运行费用和投资回收期
数据中心主要的节能模式有中央机房冰蓄冷系统、过渡季新风供冷系统、一次泵变流量系统、冷却塔风机带变频器、带新风冷却的高效冷水机组、带高效盘管的机房空调、高效的电动机等等。
本文将就节能比较显著的冰蓄冷和过渡季新风供冷系统进行运行费用的比较和投资回收期的计算。
3.5.1采用冰蓄冷系统的节能分析
在该项目的空调设计中,配备了2台1050kW的冰蓄冷螺杆制冷机和1台容量较大的制冷机。
22:
00~06:
00由2台冰蓄冷螺杆机进行蓄冰,白天电价高峰时进行融冰,供应部分数据中心的空调制冷,考虑到数据中心的冷量非常稳定且集中在特定房间内,所以可以平均分配夜间所蓄冷量(忽略融冰损耗),表4,5对冰蓄冷设备的运行费用进行了分析,其中蓄冰空调系统耗电量的计算只包含了制冷机房中的乙二醇主机、乙二醇泵、冷却水泵,冷却塔的电量,常规空调系统的耗电量只含制冷机房中的冷水机组、冷却水泵,冷却塔的电量,其他部分两种系统基本相同,故未加考虑。
3.5.2采用过渡季节新风供冷系统的节能分析
当采用过渡季节新风供冷系统时,服务数据中心的设备仅仅是机房空调和排风机。
当室外的比焓小于数据中心内的比焓时,空调的冷源可以采用室外的新风。
第2.3.1节中提到过4个数据中心将设置1台中央控制器控制整个数据中心空调系统,室外的比焓值由空气处理设备系统上的新风温湿度传感器采集并计算得到,室内的比焓值为干球温度15℃,相对湿度26%时的比焓,中央控制器根据逐时的比焓比较来控制新风阀门的开度。
根据上海市历年逐时温湿度数据统计了过渡季节
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