維諦技術：數據中心自然冷卻技術白皮書（12頁）.pdf

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1、維諦技術白皮書數據中心自然冷卻Vertiv 數據中心自然冷卻白皮書B目錄CONTENTS數據中心自然冷卻的定義1數據中心自然冷技術的原理1數據中心自然冷卻技術要素5數據中心自然冷卻技術介紹 y 冷凍水自然冷 y 氟泵智能雙循環自然冷 y 直接新風冷卻自然冷 y 間接蒸發冷卻自然冷 y 全變頻風冷自然冷自然冷卻技術發展方向 全時自然冷定義 全時自然冷三大技術全時自然冷實現價值結論 附表：各自然冷方案比較摘要隨著數據中心行業的發展，客戶對數據中心全生命周期成本越來越關注，對精密空調的節能需求與意識越來越強。同時各地PUE新政的推出，更是把數據中心節能推向了必然之地。那么作為能耗大戶的精密空調而言，

2、節能技術的發展顯得尤為重要。行業的發展，客戶的訴求，出現了全時自然冷解決方案。1數據中心自然冷卻的定義1、數據中心自然冷卻的定義數據中心行業自然冷（Free-Cooling），是指利用室外的低溫冷源，達到降低能耗，實現數據中心冷卻散熱的技術方法。什么是數據中心自然冷2、什么是數據中心自然冷首先，自然冷的目的，是以較小的能源消耗為代價，實現數據中心內部的散熱，因此其目標就是降低數據中心能耗。其次，自然冷的表現形式，利用室外自然低溫冷源（低溫的空氣、海水、湖水、外太空的真空低溫等）實現降低數據中心空調系統能耗。再者，自然冷的意義，自然冷方式必須降低數據中心空調系統能耗，才具有實際意義。從目的、形式

3、、意義三個角度出發，能夠真正實現利用外部自然低溫冷源降低數據中心空調系統能耗的方法，不管其采用何種方式、方法和形式，都是數據中心自然冷技術。數據中心自然冷卻技術要素3、數據中心自然冷卻技術要素A、相同參數制冷量不變B、能耗降低C、溫度波動不超出設計范圍數據中心自然冷卻技術介紹4、數據中心自然冷卻技術介紹自然冷具有巨大的經濟價值。數據中心行業致力于這方向的探索，多年來已經有了不同方案。較為成熟的自然冷利用方案有以下前四種，第五種是今年來的新趨勢。Vertiv 數據中心自然冷卻白皮書24.1、冷凍水自然冷冷凍水自然冷系統是冷凍水系統通過增加換熱器，在室外溫度較低時關?；虿糠株P停壓縮機，利用冷卻塔制

4、取低溫冷水的系統，是傳統的自然冷方案。方案優點：a 系統集成度高，集中控制；b.不受高差管長影響；c.持續制冷配電成本較低；方案缺點：a.防凍問題，系統需要增加乙二醇或者電伴熱；b.受限于空氣飽和濕度，濕度較大效果就比較差；c.耗水量較大，缺水地區系統安全穩定性受影響；d.需要專業維護團隊，運維成本較高，運能能力影響節能性；e.冷水主機房占地較大，蓄冷罐占地較大；f.初投資大，分期建設、擴容較困難；4.2、氟泵智能雙循環自然冷氟泵智能雙循環自然冷系統，普通風冷系統通過增加氟泵，在低溫時代替壓縮機制冷的系統。方案優點：a.系統具有三種運行模式，壓縮機運行模式、純氟泵自然冷模式、壓泵混合模式。自然

5、冷時間長；b.單點故障率低；c.分期建設容易；d.初投資較低；e.維護簡單；方案缺點：a.受高差管長影響；b.南方地區節能率較低；壓縮機模式混合制冷模式節能模式室內機壓縮機節能模塊室外機SDC3智能控制器壓縮機和節能模塊自動切換,通過室外換熱利用室外低溫自然冷源,達到節能效果氟泵智能雙循環原理圖 圖134.3、直接新風冷卻自然冷直接新風冷卻也就是全新風系統，直接利用新風給機房冷卻的方式。方案優點：a.能耗低，節能率高；b.不加表冷器，初投資低；c.滿灌式送風，氣流組織較優；方案缺點：a.除硫、防沙等運維成本很高；b.可靠性低；c.受地域、氣候影響大，大部分地區不能采用本方案；d.需要前期建筑配

6、合較大，后期改造擴容困難；e.占地面積較大；4.4、間接蒸發冷卻自然冷間接蒸發冷卻自然冷系統是指通過非直接接觸式換熱器將直接蒸發冷卻得到的濕空氣(二次空氣)的冷量傳遞給待處理空氣(一次空氣)實現空氣等濕降溫的一種解決方案。方案優點：a.具有干工況換熱、噴淋蒸發換熱、壓縮機運行三種模式，自然冷時間較長，可靠性高；b.節能性較好；c.初投資較低；d.單機容量較大；e.運營成本較低；方案缺點：a.南方地區，相對濕度較大的區域節能性很低；b.需要前期建筑配合較大，后期改造擴容困難；c.空間要求較大，占地面積較大；d.受地域、氣候影響大；間接蒸發冷卻三種工況 圖2Vertiv 數據中心自然冷卻白皮書44

7、.5、全變頻風冷自然冷全變頻風冷自然冷系統就是除了壓縮機變頻之外，系統其它核心部件如室內風機、室外風機、電子膨脹閥等全部采用變頻技術的方案。方案優點：a.全變頻，可以始終讓壓縮機工作在正常壓力區間，從而在節能的同時，大大提高了系統可靠性；b.全變頻技術，解決了數據機房負載上架率的不均勻性問題，部分負載時能效很高，實現全年綜合能效高；c.全風冷系統，無復雜工程和大量工程材料，初投資低；d.運營成本低、維護量小 e.室內外占地面積??；f.適合分期建設，分期投入項目；g.工期短，交付快；h.全變頻自然冷技術，大幅增加節能效果，成就最佳TCO的目標；方案缺點：a.受高差管長影響；b.持續制冷成本稍大；

8、c.管道豎井需分散各方案比較見文后附表。全變頻風冷自然冷系統高能效 圖35、自然冷卻技術發展方向數據中心自然冷方案是當下數據中心行業發展，客戶訴求的產物。自然冷技術隨著時代的發展也不斷改善與調整，但宗旨始終是盡量延長自然冷時間，來提高系統能效。全時自然冷（Natural cooling 24/7）是行業的呼聲，也是技術發展的必然方向。5.1、全時自然冷定義全時自然冷就是每個時刻都在利用自然冷。全時自然冷技術是融合變頻壓縮機風控技術、送風控制技術、蒸發壓力控制技術、熱備群控分配負載技術、遠程溫度控制技術、氟泵變流控制技術、霧化蒸發噴淋技術等多項技術，且通過智能控制實時利用室外溫度變化和室內負載變

9、化來降低能耗的制冷技術。自然冷卻技術發展方向55.2、全時自然冷三大技術A.高溫自然冷傳統的自然冷方案中，不管是冷凍水自然冷、氟泵智能雙循環自然冷、還是直接新風冷卻自然冷，都存在一個切換溫度點，而理論上，這個溫度點越高，自然冷可利用的時間也就越長。以中國三大緯度典型城市，同時也是數據中心最熱點三大城市北京、上海、廣州氣象參數為例。溫度分布系數TaTbTcTdTe城市3020,3010,200,100北京7.2%28.10%23.10%21.0%20.6%630.7 h2461.6 h2023.7 h1839.6 h1804.6 h上海8.4%34.10%28.80%26.6%2.1%735.8

10、 h2987.2 h2522.9 h2330.2 h184.0 h廣州12.7%54.0%28.3%5.1%0%1112.5 h4730.4 h2479.1 h446.76 h0*數據引自GB19413-2010計算機和數據處理機房用單元式空氣調節機標準全國主要城市氣象參數 表1從上表中可以發現，自然冷切換工作溫度點越高，自然冷時間越長。如果提高到30度為切換點，北上廣所跨越的緯度區，接近90%的時間都可以利用自然冷源。因此，高溫自然冷技術顯得尤為重要。數據中心服務器耐受溫度在提高，精密空調行業技術在發展，高溫自然冷已經變成可能。風冷系統壓縮機頻率可在2-80Hz之間自由工作，壓縮機轉速也可以

11、在0-7200rpm之間自由調節，電子膨脹閥開度從0-100%，室外機轉速也可以在0-100%之間精確調節，從而使得制冷系統壓力可以根據需要實時調整。機組可采用回風、送風、壓差控制等多種控制邏輯，送風溫度可在12-30之間調節，熱通道溫度可在22-45 調節，因此，當室外溫度低于室內溫度時，即可開啟自然冷，達到全時利用“自然冷”的效果。B.無死區精確調節系統不受制于地理位置、溫度、濕度、大氣壓力、風向等條件，也不受制于室外空氣質量，風沙、一氧化碳、二氧化硫等對服務器芯片元器件會產生腐蝕同時系統宜采用渦旋式壓縮機，單個壓縮機僅有45-60 kW，最小轉速在33%下，因此單臺機組的制冷量可在15-

12、120 kW之間自由調節，多臺機組聯動工作時，冷量的組合范圍更可擴大到15-N120 kW的范圍，之間無模式的切換，僅需調節壓縮機轉速即可。系統調節的顆粒度極小，調節曲線平滑，無死區，真正實現無死區精確調節。Vertiv 數據中心自然冷卻白皮書6C.全自動調節隨著對成本降低和提高運營效率的要求，未來的數據中心，必然會越來越智能化、自動化。目前DCIM解決方案正成為數據中心炙手可熱的關注點。智慧的管控方案，離不開智能的基礎設施，只有基礎設備全部實現遠程可控，智能化系統才有用武之地。因此，空調系統的全自動化也是節能的必然方向。系統需有高級的熱備群控自動均分負載的功能。根據變頻節能的原理，當N+1臺

13、機組共同工作制冷時，每臺機組分配的冷量將從1/N變為1/(N+1)，功率變化公式：適應不同負載、不同室外溫度 圖4適應不同負載、不同室外溫度P2/P1=Q/（N+1）3/Q/N3=N/(N+1)3 備注：P-功率(KW)；Q-風(m3/h)；p-風壓(Pa)；1-風機效率可取0.719至0.8；2-機械傳動效率對于三角帶傳動取0.95，對于聯軸器傳動取0.98，a-空氣密度；V-風速；Q-風量；V-風速；S-出風面積，F-頻率；M-極對數;風機轉速n?？傻貌捎脽醾渲悄苋嚎丶夹g之后,采用不同N+1數量機組時可得到的節能比例如下表所示。機組數量N機組總數N+1P2/P1節能比例1212.50%87

14、.50%2329.63%70.37%3442.19%57.81%4551.20%48.80%5657.87%42.13%6762.97%37.03%不同機組數量熱備群控節能理論效果備注:表格計算的數值僅為壓縮機降轉速獲得的節能比例,室內室外風機需要維持系統蒸發壓力，保證系統正常工作，因此功率并不會隨之完全比配。因此整機節能比例應低于此計算總值。不同機組數量熱備群控節能理論效果 圖276、全時自然冷實現價值隨著智慧化數據中心的發展，全時自然冷技術將會獲得更大的應用，尤其在傳統自然應用困難的南方區域，也可以實現低PUE。全變頻風冷自然冷的基礎上升級為全變頻風冷全時自然冷已經在行業內掀起了熱潮。根據

15、數據中心能耗與機架數預測，以普通風冷、冷凍水自然冷、全變頻風冷全時自然冷綜合分析：全時自然冷實現價值數據中心能耗預測 圖6數據中心機架數預測 圖7熱備群控負載分配效果圖 圖5Vertiv 數據中心自然冷卻白皮書8新建及改造數據中心均采用全時自然冷技術全國每年可實現數據中心基礎設施節能815.2億千瓦時，比目前全國平均水平實現節能68.8%。實現數據中心行業整體30.56%節能，比傳統離心機自然冷方案節能收益率高57%。結論7、結論隨著數據中心行業的發展，客戶對數據中心全生命周期成本越來越關注、對精密空調的節能需求與意識越來越強，同時各地PUE新政的推出。冷凍水自然冷、全新風自然冷等傳統的自然冷

16、系統已經滿足不了市場的訴求。全時自然冷（Natural cooling 24/7）已成為數據中心熱管理解決方案的目標，也是行業發展的必然趨勢。它將逐步替代傳統的自然冷方案，成為行業的主流。序號項目單位全社會平均普通風冷系統離心機自然冷系統全時自然冷系統1PUE值kWh/kWh1.821.451.252總能耗億千瓦時2667.92964.42149.21852.73IT能耗億千瓦時1482.21482.21482.21482.24基礎設施能耗億千瓦時1185.71482.2667.0370.55基礎設施節能比例%-25.0%43.8%68.8%6基礎設施節能億千瓦時-296.4518.8815.

17、27總體節能比例%-11.11%19.44%30.56%三種系統綜合分析表 表39序號項目方案冷凍水自然冷智能雙循環自然冷全新風自然冷間接蒸發自然冷全變頻風冷自然冷1占地面積第一第四第三第二第五2空調系統最大配電功率最大第二最小第三第四3初投資第二第四最小最大第三4PUE平均高于1.35高于1.301.1（基本難實現）可實現1.25可實現小于1.255OPEX最高第三最低第二第四6運維人員值班費用3班+各專業主管+項目經理（12-24）無需專業人士1-2人1-2人無需專業人士7運行成本最高第三第二第四最低8BA監控系統需要投資大，還不包括末端無需要，投資大需要，投資大無9優勢說明1、系統集成度

18、高，集中控制1、系統具有三種運行模式，壓縮機運行模式、純氟泵自然冷模式、壓泵混合模式。自然冷時間長1、能耗低，節能率高1、具有干工況換熱、噴淋蒸發換熱、壓縮機運行三種模式，自然冷時間較長，可靠性高1、全變頻，可以始終讓壓縮機工作在正常壓力區間，從而在節能的同時，大大提高了系統可靠性2、.不受高差管長影響2、單點故障率低2、不加表冷器，初投資低2、節能性較好2、全變頻技術，解決了數據機房負載上架率的不均勻性問題，部分負載時能效很高，實現全年綜合能效高；3.持續制冷配電成本較低3、分期建設容易3、滿灌式送風，氣流組織較優3、初投資較低3、全風冷系統，無復雜工程和大量工程材料，初投資低4、初投資較低

19、4、單機容量較大4、運營成本低、維護量小5、維護簡單5、運營成本較低5、室內外占地面積小6、適合分期建設，分期投入項目7、工期短，交付快8、全變 頻自然冷技術，大幅增加節能效果，達 到 成 就 最 佳TCO的目標10缺點說明1、防凍問題，系統需要增加乙二醇或者電伴熱1、受高差管長影響1、除硫、防沙等運維成本很高1、南方地區，相對濕度較大的區域節能性很低1、受高差管長影響2、受限于空氣飽和濕度，濕度較大效果就比較差2、南方地區節能率較低2、可靠性低2、需要前期建筑配合較大，后期改造擴容困難2、持續制冷成本稍大3、耗水量較大，缺水地區系統安全穩定性受影響3、受地域、氣候影響大，大部分地區不能采用本

20、方案3、空間要求較大，占地面積較大3、管道豎井需分散4、需要專業維護團隊，運維成本較高，運能能力影響節能性4、需要前期建筑配合較大，后期改造擴容困難4、受地域、氣候影響大5、冷水主機房占地較大，蓄冷罐占地較大5、占地面積較大6、初投資大，分期建設、擴容較困難While every precaution has been taken to ensure accuracy and completeness herein,(business unit)assumes no responsibility,and disclaims all liability,for damages resulting from use of this information or for any errors or omissions.Specifications are subject to change without notice.附表：各自然冷方案比較關注官微 了解更多資訊Vertiv 和 Vertiv 標識是維諦技術的商品商標和服務商標。維諦技術 2020 年版權所有。維諦技術有限公司V售前電話：400-887-6526售后電話：400-887-6510