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审阅人：
朱华（odcc数据中心工作组组长）
一、总览
由于idc数据中心、云计算机房内的设备发热量大、同时使用系数高、单位面积空调冷负荷极大、对空调系统的依赖性强的特点，空调设备的运行稳定性、可靠性对保证idc数据和云计算机房设备正常工作是至关重要的，也是必须保证的。同时空调系统常年不间断制冷运行，其本身系统用电量占整个机房用电量高达40﹪。故空调系统设计对降低生产运行费用也是极其重要的。本文根据上述特点以冷水系统中自然冷却的设置方式为主题，进行节能分析。
二、自然冷却技术节能分析
2.1.描述
自然冷却是利用外界较低的环境温度，可以直接利用室外低温环境为it设备进行降温制冷，只需部分开启或不开冷冻水机组组，减少能耗，此即为自然冷却技术。自然冷却主要有水侧自然冷却和风侧自然冷却。风侧自然冷却是指当室外空气条件在设定值范围内时,利用风机和百叶从室外经过过滤器抽取一定数量的冷风与一定量的回风混合后达到所要求的送风温度送入数据中心，或者利用室外低温新风与数据中心内的空气完全隔离进行热交换，降低机房内的温度。由于空气质量问题及风侧自然冷却对空间布置和建筑规模有特殊要求，因此水侧自然冷却技术仍是国内数据中心制冷系统的主流方案。
2.2.运维难点
依据什么原则对数据中心的供冷模式进行选择？
在数据中心中，为维持恒定的室内温度需要全年为之降温，由此带来了巨额耗电量。节能减排和降低运营成本的双重压力迫使人们不断地研发新的节能技术和产品。机房空调一年四季都需要制冷，过渡季节室外温度低于室内温度时，自然界存在着丰富的冷源，如何利用自然冷源进行冷却是机房空调节能减排重点难点问题。
2.3.最佳实践
春秋过渡季节和晚上，当环境温度达到比冷冻水回水温度低两度或以上时，开启自然冷却模块制冷，无压缩机功耗，自然冷却不够的部分，再由压缩制冷接力达到需求冷量。随着室外环境温度降低，自然冷却部分占的比例越来越大，直至达到100%，完全自然冷却制冷，无压缩机功耗。
自然冷却的冷源架构：自然冷却的冷源如图1所示，板式换热器和冷冻水机组并联。如果冷却水和冷冻水在板式换热器换热后冷冻水供水温度可以满足要求，则冷却水和冷冻水仅通过板式换热器换热，为自然冷却状态；如果冷却水温度不能将冷冻水回水温度降到所需要的供水温度，此时冷却水和冷冻水将不通过板式换热器进行换热，而是直接流经冷冻水机组，转为冷冻水机组直供冷制冷模式。
图一自然冷却冷源示意图
自然冷却启用条件：当室外湿球温度低至某个值以下时，冷却塔可以将冷却水温度降低到比冷冻水出水温度低1.5-2℃（由板式换热器换热温差决定，可调整），此时可启用板式换热器、冷却塔、循环泵组成的循环系统，冷却水通过板式换热器与冷冻水换热，使机房精密空调使用的冷冻水得以冷却,降低冷冻水回水温度，冷冻水机组的压缩机负荷下降，进入冷冻水机组与板式换热器并行运行模式；当板换冷却水温度比冷冻水供水温度低2 ℃（由板式换热器换热温差决定，可调整）时，冷机负荷逐渐降低直至低于冷机最小运行负荷时，冷冻水机组停止运行，进入完全自然冷却模式。
2.4案例欣赏
为了达到节能降耗提高系统稳定运行目的，联通呼和浩特基地结合室外干湿球温度，按照《自然冷却启动标准操作sop》及时启用自然冷却系统。
2.5文稿样例
本文以一个it设备荷载约10mw的大型数据中心采用水冷冷水机组＋开式冷却塔作为冷源的制冷系统为例，针对呼和浩特地区两种不同供冷方式，进行相对节能分析。分析数据及假设条件如下：
1）选择3台3868 kw（1100rt）的离心式水冷冷水机组及配套水泵、冷却塔。
2）冷水机组输入功率687kw，冷冻水循环泵输入功率90kw，冷却水循环泵输入75kw。
3）冷水机组功率因数0.95，循环水泵功率因数0.88。
4）按照冷水机组运行负荷90%，循环水泵负荷90%计算；
耗电量节能：表2所示为冷冻水供回水温度分别为10℃/15℃工况下，采用自然冷却后，呼和浩特云数据中心的相对节能结果，其中1是不采用自然冷却，2是采用自然冷却，且自然冷却的板换模式全年利用时间达到3600小时时的节能对比。
表1 呼和浩特地区自然冷却相对节能结果
耗水量节能：循环水的冷却主要是通过水与空气的接触，由蒸发、对流、辐射三个过程共同作用；三种散热过程在冷却中所起的作用也不同，炎热的夏季的蒸发散热量可达总散热量的90%以上，故水的蒸发损失量最大，需要的补充水量最多。在冬季，由于气温降低，对流散热的作用增大，可达40%~50%，严寒天气甚至达到70%；寒冷季节水的蒸发损失量减少，补充水量也就随之降低。
图2 呼和浩特云数据中心冷却水耗水量统计
采用板式换热器与冷水机组的冷却水耗水量对比如图3所示。由图可看出，开启板式换热器自然冷却后，每日冷却水耗水量减少约80m，具有良好的节水效益。
图3 呼和浩特云数据中心自然冷却耗水量对比图
加药量节能：板换模式下冷却水温度较冷机模式下温度低，结垢率降低，另补水量减少，加药量维护量减少。
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