A 数据中心智能热管全变频氟泵技术白皮书

数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 分布式存储技术与产业分析报告 1 [编号ODCC-2022-0200A] 数据中心智能热管全变频氟泵技术白皮书 开放数据中心标准推进委员会 2022-09发布 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 前言 数据中心耗电量日益增长，已经达到社会总用电量的2%，能耗十分惊人。随着数字经济的爆发式增长，数据中心的能耗将持续快速增长，绿色节能技术的应用已经刻不容缓。在数据中心的能耗组成里面，基础设施能耗的主要部分是制冷系统。供配电系统的能效受制于材料导电性能的限制，已经无法大幅度提高。因此，数据中心节能的主要方向就是制冷技术的优化和提升。 近年来，基于风冷直膨系统的节能技术不断涌现，如氟泵技术、变频技术、高送风温度技术、送风温度控制技术、智能群控技术等，而随着技术的不断进步，技术之间的组合叠加可以产生更大的节能效果，因此智能热管全变频氟泵技术应运而生，可将以上技术进行集成与整合，使得风冷直膨机组具有更高的节能特性，产生更大的社会经济价值。 ODCC始终关注数据中心技术的发展，联合相关单位共同编写白皮书，对数据中心制冷节能技术的现状、需求和热管全变频氟泵技术能达到的经济、社会价值进行了详细的梳理，以期能进一步推动数据中心制冷技术的发展。 本文感谢以下起草单位（排名不分先后）： 维谛技术有限公司、中国信息通信研究院（云大所数据中心团队）、秦淮数据集团、腾讯科技（深圳）有限公司、百度在线网络技术（北京）有限公司、南方电网大数据服务有限公司 起草人（排名不分先后） 田军吴健郭亮张炳华黄华镜王超刘峻李洁吴天青李代程王月李红霞张飞王舜吴美希郭俊峰陈东宫伟文林华和皇利奎肖浩雷爱民韩会先许泉明 I 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 目录 前言I 一、范围1 二、引言1 三、专业术语定义1 四、数据中心节能技术3 （一）氟泵技术3 （二）热管技术4 （三）智能群控技术4 （四）间接蒸发冷却技术5 （五）全变频压缩机技术5 五、智能热管全变频氟泵技术介绍5 （一）融合技术具备五种运行模式5 1.间接蒸发+全时变频模式6 2.全时变频模式6 3.间接蒸发+氟泵变频模式7 4.氟泵变频模式8 5.低速氟泵或重力热管模式8 （二）融合技术核心9 1.运行模式切换原则9 2.控制基础9 （三）技术方案形式11 II 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 1.房间级应用11 2.列间级应用11 3.全预制一体化形式11 4.分体式形式12 （四）技术适用场景13 1.建筑物耦合性-按照建筑格局选择相应的结构形式14 2.按照机柜功率密度选取相应的结构形式16 （五）“玄冰”无水冷却技术最佳实践16 六、智能热管全变频氟泵相关适配技术18 （一）连续制冷配套技术18 （二）长连管技术18 （三）低噪音技术19 七、智能热管全变频氟泵技术价值探讨19 （一）节能价值19 1.智能热管全变频氟泵机组性能19 2.主要城市pPUE及AEER20 3.节能分析21 4.智能热管全变频氟泵机组间接蒸发冷却功能22 5.部分城市机组性能参数23 （二）可靠性价值25 （三）节水价值26 III 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 一、范围 本白皮书涵盖范围为数据中心制冷领域，涉及到智能控制、热管技术、氟泵技术、变频压缩机技术等方面，是新型的组合型节能技术，可以达到大范围利用自然冷的效果。 二、引言 当前数据中心的主要制冷方式为传统风冷、冷冻水、冷却水、间接蒸发空-空换热、新型氟泵、液冷等形式，其中超大和大型数据中心主要采用离心式冷冻水系统。但随着数据中心数量和规模的快速增长，数据中心耗水量也在快速增加，很多区域已经出现水资源不足的情况，未来水资源不足的风险日趋严重。因此，无水或节水的制冷技术重要性逐步凸显，其中，如何更多地利用自然冷源，成为数据中心制冷技术的主要方向。 在此基础上，涌现出很多新兴的技术，如氟泵制冷技术、热管制冷技术、变频压缩机技术，这些技术的发展使得风冷直膨式系统具备了超高能效比的可能。智能热管全变频氟泵技术应运而生，该技术融合了风冷直膨式系统的多种先进技术，从而实现更高的能效，达到绿色、环保、节水、节能的更优效果。 三、专业术语定义 参考国标: GB/T17758-2010单元式空气调节机 GB/T19413-2010计算机和数据处理机房用单元式空气调节机GB50174-2017数据中心设计规范 GB40879-2021数据中心能效限定值及能效等级 GB55015-2021建筑节能与可再生能源利用通用规范 1 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A GB55016-2021建筑环境通用规范 上述国标中定义的以及下列术语和定义适用于本文件。数据中心（DataCenter） 为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，可以是一栋或几栋建筑物，也可以是一栋建筑物的一部分，包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区等。 制冷剂泵制冷循环(refrigerantpumpingcoolingcycle) 当室外温度低于室内温度时，制冷剂在室外冷凝器内放出热量并冷凝成液态后，被泵送至室内蒸发器，吸收室内热量后，以气态或气液混合态进入室外冷凝器冷凝，放出热量，完成制冷循环。 注：以下简称“泵循环”。 压缩机制冷循环(compressingcoolingcycle) 制冷剂在室外冷凝器内放出热量并冷凝成液态，经过节流后进入室内蒸发器，吸收室内热量后，以气态进入压缩机，在压缩机中形成过热蒸气后进入室外冷凝器冷凝，放出热量，完成制冷循环。 混合制冷循环(compressingandrefrigerantpumpingmixedcoolingcycle) 制冷剂在室外冷凝器内放出热量并冷凝成液态，经过泵增压，流经膨胀阀后进入室内蒸发器，吸收室内热量后以气态进入压缩机，在压缩机中形成过热蒸气后进入室外冷凝器冷凝，放出热量，完成制冷循环。 热管（HeatPipe） 2 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 热管结合了热导率和相变原理，可以有效地在机房室内外侧之间传递热量，形成制冷循环。 重力热管（GravityHeatPipe） 靠重力驱动的热管循环系统，称之为重力热管。系统冷凝段安装位置高于蒸发段。 动力热管(PowerHeatPipe) 通过制冷剂泵推动的热管循环系统，称之为动力热管。数据中心自然冷却（DataCenterFreeCooling） 利用室外自然界的低温冷源，来降低数据中心温度的制冷方式，称之为自然冷却。 全变频制冷系统（Fullfrequencyconversionrefrigerationsystem） 具有变容量压缩机，EC风机，电子膨胀阀，变容量制冷剂泵的制冷系统，称之为全变频制冷系统。 四、数据中心节能技术 随着互联网、云计算、5G行业的进一步发展，数据中心的建设规模和单机柜发热量都进一步提升，数据中心耗电量快速增长。通过制冷设备利用室外自然冷，可以在室外环境温度低于机房内部温度时，减少压缩机机械制冷时间，达到节能的目的。 （一）氟泵技术 氟泵技术作为一种间接自然冷却技术，近年来在数据中心的应用逐渐增多，并取得了较好的节能效果。在室外环境温度较低时，可通过氟泵循环替代压缩机制冷循环，减少机械制冷时长，从而降低能耗。 3 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 氟泵型制冷系统主要由室内蒸发单元，风机单元，压缩机单元，氟泵单元，室外冷凝单元以及控制单元组成。 机组工作模式根据不同室外环境温度可分为三种： 自然冷却模式，压缩机停止运行，氟泵启动。在室外风冷冷凝器内完成制冷剂气-液转换，冷却的制冷剂液体通过氟泵推动，回到室内侧蒸发器，吸收室内热量后，液态制冷剂转变为气态，进入室外冷凝器，完成制冷循环。 过渡季节制冷模式，泵循环提供的冷量无法满足机房换热量的需求，此时需启动压缩机进行冷量补充。 压缩机制冷模式，无法利用室外自然冷源，机组运行在完全压缩机工作模式下。 当提高机房内回风温度，或者制冷设备处于部分负荷的情况下，氟泵循环工作时长增加，可以更多地利用自然冷。 （二）热管技术 室内热管中的液态制冷剂和机房内空气热交换后气化，受系统内压力推动上升到室外机，在室外机处与冷空气进行热交换，将热量释放到室外，同时制冷剂冷凝为液态。冷凝后的液态制冷剂在重力作用下又回到室内热管，形成热交换循环。 （三）智能群控技术 智能群控是将一个机房内的所有空调设备，通过组网，来实现智能控制，一般最大可实现32台空调组网群控。 需根据机房实际布局情况，以及冷负荷情况选择适合的群控模式，从而达到房间内温相对均匀，消除热点，节约能耗的目的。 4 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 在不同智能群控模式下，可设置机组共享制冷需求，加热需求，加湿/除湿需求，从而避免竞争运行。此外在不同模式下，还可设置空调配置情况，设置机组工作在主备/轮巡/层叠模式下。 （四）间接蒸发冷却技术 蒸发冷却技术主要利用水蒸发相变时吸收的热量，达到降低空气温度的目的。在干燥地区，干湿球温差大，蒸发冷却效果更好。在空调冷凝侧，通过喷淋，利用蒸发冷却降低室外侧回风干球温度，从而强化冷凝侧换热，制冷系统可达到更高能效。此外，结合蒸发冷却，氟泵自然冷却的工作时间延长，也有利于节能。 （五）全变频压缩机技术 变频压缩机可根据机房负荷变化，自动调价压缩机输出，从而达到降低机组运行功耗的目的。IT设备发热量，受业务忙时/闲时影响，在一天内有较大变化。如采用定速压缩机，则机组通过启/停来调节冷量输出，机房温度波动较大，且平均能效水平较低。如采用变频压缩机，单系统机组可在30-100%范围内调节冷量输出，从而和制冷需求匹配，温度控制更温度。当压缩机工作在部分负荷下时，能效更高，节能效果显著。 全变频压缩机还需结合EC风机，电子膨胀阀等组成全变频制冷系统，通过智能控制部件实时计算制冷需求，调节各部件工作状态，从而达到最佳能效比。 五、智能热管全变频氟泵技术介绍 （一）融合技术具备五种运行模式 智能热管全变频氟泵技术融合了前面介绍的热管技术、氟泵技术、变频压缩机技术、智能群控、间接蒸发冷却等技术，具备五种运行模式，分别是：间接蒸发+全时变频、全时变频、间接蒸发+氟泵变频、氟泵变频、低速氟泵或重力热管。 5 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 1.间接蒸发+全时变频模式 在此模式下变频氟泵关闭，室外机雾化喷淋开启，利用间接蒸发冷却实现湿球温度换热，达到节能目的。室外风机、压缩机根据间接蒸发冷却的作用，自动调节负载变化，减轻系统功耗的负担，实现全变频系统整体节能。 单向阀 单向阀 单向阀 图5-1：间接蒸发+全时变频模式 2.全时变频模式 此模式下变频氟泵关闭，雾化喷淋关闭，系统变频压缩机、EC风机、室外机风机、电子膨胀阀变容量输出调节，根据室内负载变化、室外温度变化，整个系统运行在最佳节能模式，实现系统最优节能效果。 6 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 单向阀 单向阀 单向阀 图5-2：全时变频模式3．间接蒸发+氟泵变频模式 在此模式下变频压缩机关闭，室外机雾化喷淋开启，变频氟泵开启，利用间接蒸发冷却实现湿球温度换热，氟泵、室内风机、室外风机无需运行在最大功耗状态，系统达到节能目的。 单向阀 单向阀 单向阀 图5-3：间接蒸发+氟泵变频模式 7 数据中心智能热管全变频氟泵技术白ODCC-2022-0200A 4．氟泵变频模式 在此模式下，变频压缩机关闭，雾化喷淋关闭，变频氟泵开启，EC风机、室外机风机、电子膨胀阀变容量输