摘要
数据中心是云计算、5G通讯、人工智能等信息行业的核心基础设施，其巨大能耗问题已成为行业快速发展的瓶颈，数据中心高效冷却技术成为数据中心发展的迫切需求。提高自然冷源利用率是降低数据中心冷却系统能耗最有效手段之一。 2017年国家数据中心标准修改后大幅提高了供风温度，为自然冷源的进一步挖掘提供了良好的条件。目前我国数据中心冷却系统的设计优化还处于初级阶段，自然冷源利用效率还未达到最优水平。同时，不同气候区的气候条件存在很大差异，研究气候条件、运行策略和运行参数对冷却系统整体能效的影响规律具有重要意义，为数据中心能效优化设计提供指导。 针对以上问题，本文提出了一种大温差高温供冷的数据中心自然冷源高效利用方案，通过同步提高冷冻水供/回水的温度及温差，提高自然冷源利用率和制冷主机能效，降低水泵与冷却塔的能耗，实现自然冷源深度利用。但是，常规数据中心的末端精密空调是按照低温供水、小温差供/回水进行设计，不适用于大温差高温供冷系统，所以需要对数据中心的末端精密空调进行优化设计及实验研究，并由此确定大温差供冷系统回水温度的上限值。另一方面，利用TRNSYS软件建立基于自然冷源的数据中心大温差高温供冷仿真平台，研究系统的切换温度及运行策略，优化系统的运行参数，分析不同气候条件对最佳运行参数的影响，以及最佳设计参数下大温差高温供冷系统的节能潜力。本文具体结论如下: (1)精密空调大温差实验结果表明，优化设计后的大温差换热器可以满足IT设备的冷却要求，供冷系统回水温度受精密空调的供风温度(27℃)影响，冷冻水回水始终稳定在24.5℃～25.5℃范围内，波动很小，回水温度的变化规律与精密空调供风温度保持一致，且两者的温度差值始终稳定在2℃，因此供冷回水温度上限值为25℃。 (2)切换温度受供水温度和逼近度的影响。而逼近度不是一个全年固定的数值，是一个变化的值，它受冷却塔尺寸、室外湿球温度、冷负荷的影响。冷却塔尺寸越大，逼近度越小;冬季室外湿球温度较低，逼近度较大，夏季室外湿球温度较高，逼近度较小;冷负荷降低会导致逼近度减小。因此，对于不同的冷却塔尺寸、室外天气、冷负荷，逼近度的取值有所不同，应根据冷却塔的实时出水温度作为切换依据，以此适应动态变化的逼近度。 (3)数据中心大温差高温供冷系统仿真结果表明，提高供水温度，可以提高制冷主机的能效及自然冷却时长，但过高的供水温度，会使水温差减小，水流量变大，水泵及冷却塔的能耗急剧上升，使得冷却系统不断平衡自然冷源带来的节能与水泵、冷却塔风机的耗能。因此，自然冷源利用率越高、自然冷却时长越长并不代表冷却系统越节能，应综合考虑设计参数对冷水机组、水泵、冷却塔能耗的协同影响，以此实现冷却系统整体节能。 (4)相较于数据中心常规冷却系统(冷冻水供/回水温度10/15℃)，大温差高温供冷系统在不同气候区的最佳设计参数及节能率如下:赤塔地区（温带大陆性气候）、北京地区（温带季风性气候）、昆明地区（亚热带高原气候）、广州地区（亚热带季风性气候）、曼谷地区（热带季风性气候）的最佳设计参数及节能率分别为:14/25℃,56.7％;15/25℃,45.5％;18/25℃,60.8％;16/25℃,39.4％;13/25℃,23.5％。 (5)冷却系统的最佳设计参数受全年累计湿球温度分布的影响，累计湿球温度分布曲线的斜率越高，随冷冻水供水温度变化越敏感的地区，可通过提高供水温度节省更多的能耗，因此该地区的最佳冷冻水供水温度越高。 (6)冷却系统在不同设计参数下的逐月能耗结果表明，年最佳设计参数与逐月的最佳设计参数有所不同。相较于年最佳设计参数下的系统，本文提出的新型双工况运行模式，可在年最佳设计参数下，进一步提高冷却系统能效。
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