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1、东北石油大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计 专 业 * 班级学号: # 学生姓名： # 指导老师： # 二一四 年 六 月东北石油大学本科生毕业设计数据中心机房空调节能方法研究 Research on energy saving of air conditioning based data center专业班级：#学生姓名： #指导老师：#教授学 院：2014 年 6月1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
2、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 For data center air-conditioning system energy consumption high proportion problem has carried out a series of research, points out t
3、he problems existing in the use of domestic data center air conditioning system, to solve these problems from the air conditioning energy conservation, air distribution optimization and rational utilization of natural cold source three aspects analyzes the related energy saving methods and means, fo
4、r the data center of energy-saving design and renovation of air conditioning system to provide the reference and basis.This topic is using the Fluent software for data center air conditioning system energy saving optimization operation, the operation is mainly to adjust the parameters of the tempera
5、ture, humidity and air conditioning implement its master data center room of air conditioning energy saving the specific parameter adjustment.Key Words:The data center;Air conditioning system;Energy saving;Fluent software;东北石油大学本科毕业设计论文目 录1 引言21.1课题研究的背景21.2数据中心机房空调节能的现状与发展趋势31.3 课题的主要研究内容42 系统总体设计与
6、实现52.1 机房空调系统解决方案52.2机房空调系统分析比较63 数据中心机房空调节能研究83.1数据中心概况83.2空调系统设计83.2.1数据中心房间设计温湿度83.2.2冷负荷和风量的计算83.2.3系统方案的确定83.3 设备选型113.4数据中心的能耗分析113.5节能系统运行费用和投资回收期113.5.1采用冰蓄冷系统的节能分析113.5.2采用过渡季节新风供冷系统的节能分析123.6 系统的安全可靠性和多样化123.6.1设备的备用和多样化123.6.2系统的备用和多样化133.6.3系统的应急性统133.7数据中心机房空调节能方法研究总结134 软件部分的设计144.1 系统
7、总体设计目的与思想144.2 系统总体的设计思路144.3软件的使用与介绍144.3.1 fluent软件的组成154.3.2专用的CFD前置处理器Gambit164.3.3 Fluent使用实例17结 论20参考文献22致 谢241 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100-200wm-2到如今发展到1000wm-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P
8、UE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，
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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2050%，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
17、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
18、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
19、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
20、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2
21、5 000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1.8 m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.
22、2.2冷负荷和风量的计算IT设备消耗的电量为1600 W/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457.6，262.4，166.4，230.4 kW。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
23、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
24、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10 Pa，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
25、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24 h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
26、、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Greenberg Steve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
27、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)
28、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
29、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2 m/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/13服务于1#数据中心，EF/48服务于2#数据中心，EF/910服务于3#数据中心，EF/1113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
30、措施)。IT设备的能耗为9784920kWh/a，制冷机能耗为1900920 kWh/a，机房空调的能耗为765624 kWh/a，冷却塔和水泵的能耗分别为131400kWh/a和486180 kWh/a，照明能耗为61145 kWh/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
31、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1 050kW的冰蓄冷螺杆制冷机和1台容量较大的制冷机。22：0006：00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，
32、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新风供
33、冷系统和日常冷水机组系统的运行费用，并对前者的运行成本进行了分析，结果见表6。从表中可以看到，两种系统运行时间相同，全年不间断运行，但耗电量不同。当采用过渡季节新风供冷系统时，耗电量的计算只包含了排风机的用电量，如表中的14月和11，12月;当系统的冷源来自中央冷水机组系统时，耗电量包含了1台1050kw螺杆冷水机组、冷水泵、冷却水泵、冷却塔。由于其他部分，例如机房空调，无论何种系统运行能耗都相同，故未考虑其耗电量。应用以上两种节能方式后，全年能耗统计见图4。两种节能方式节约的费用约为14 000 000元/a，约占整栋大楼窄调年运行费用的30%。3.6 系统的安全可靠性和多样化为了保证3#数
34、据中心全年8760 h不间断电源(同时也兼顾该大楼中其他有同样要求的房间，如弱电机房、程控交换机房和UPS房间等)，设计中对机房空调进行互为备用和多样化的设计。3.6.1设备的备用和多样化(1)各数据中心分别设置了N(表示实际需要的设备台数)+1台机房空调，保证任何1台机器发生故障都能有备用空调替代，同时也合理分配了每台机房空调的运行时间，机组的控制和切换由各数据中心的机房空调的集中控制器进行。(2)对于要求较高的3#中心，机房空调配备了双盘管，冷源分别来自不同的冷水机组。设计三路冷水系统，分别是来自中央冷水机组，高效冷水机组以及风冷式冷水机组，保证在任何时候都有两路不同的冷水可供应。中央冷水
35、机组水泵采用一次泵变流量的集水系统，所有水泵互为备用;高效冷水机组和风冷冷水机组分别设置了一用一备水泵。(3)各数据中心分别设置了多台机械排风设备，不仅在过渡季节可利用新风供冷，而且在最差的情况下(假设所有冷水机组都故障的情况下)机房有最基本的通风功能。对于3#数据中心，机房空调和排风机都配备了应急电源。3.6.2系统的备用和多样化除了设备的互为备用和多样化以外，空调系统也要求互为备用和多样化，本项目中根据温度提出了不同的方案，每种方案都保证有3套系统可以互为支持运行。(1)当室外温度高于15时，机房空调制冷可以来自于：中央冷水机组+机房空调(冷水盘管)，高效冷水机组+机房空调(乙二醇盘管)，
36、风冷冷水机组+机房空调(乙二醇盘管)。(2)当室外温度低于15时，机房空调制冷可以来自于：排风机+机房空调(无冷水)，高效冷水机组+机房空调(乙二醇盘管)，风冷冷水机组+机房空调(乙二醇盘管)。3.6.3系统的应急性统对于3#数据中心，所有服务于机房的空调排风机和风冷冷水机组都设有来自柴油发电机组的应急电源。当大楼两路供电都失效时，机房空调的制冷来自：风冷冷水机组+机房空调(乙二醇盘管)，排风机+机房空调(无冷水)。3.7数据中心机房空调节能方法研究总结 对上海某研发大楼4个数据中心的空调系统设计进行了介绍，并从系统设计、气流分布、设备选型、节能方案、系统的安全可靠性和多样化等方面进行了详细描
37、述。数据中心是个纯显热的环境，并且要全年连续运行，根据这一特点，过渡季节新风供冷系统的合理应用可以节约运行费用，结合空调本身的一些节能措施，如冰蓄冷冷水机组、高效率的带全新风制冷的冷水机组、设备中高效率的电动机以及一套智能的独立的数据中心空调的中央控制器，种种节能系统的结合，使得整个数据中心的空调系统设计得到了优化，更使得数据中心的日常运行费用得到了大幅缩减。这种节能设计理念也给空调设计工作者拓宽了思路，更给数据中心运营者提供了更多合理选择。最后，不得不提的是数据中心的空调的多样化和安全性，只有具备了一个多样化的系统，使得数据中心的空调系统能够确保全年不问断运行，以上种种节能方案才能得以实现。
38、4 软件部分的设计4.1 系统总体设计目的与思想利用FLUENT软件模拟数据中心机房空调机柜内的温度变化，通过更改模型的参数来对比不同参数条件下温度变化的结果，得出节能方法。本论文联系实际，利用FLUENT软件对数据中心机房通过对近三年数据中心机房用电现状的调查,统计得出目前数据中心机房的能耗分布图。经分析论证,提出解决数据中心机房节能降耗的重点,并详细阐述了实际采取的节能降耗措施,得出对数据中心机房节能研究的主要精力应该放在IT设备及与之配套的空调系统。4.2 系统总体的设计思路 本次论文以仿真与实际相结合,仿真软件选用的是Fluent，因为Fluent软件包含先进丰富的物理模型，可以模拟传
39、热与室内温度等方面的仿真技术，具体思路是使用Fluent软件仿真数据对中心机房如何节能进行研究。机房的送风方式分为上送风和下送风，用Fluent软件改变专用空调模型参数对数据进行分析。选取出对于数据中心机房最合适的节能方式。4.3软件的使用与介绍FLUENT6是Fluent公司的旗舰产品，其解算器采用完全的非结构化网格和控制体积法。作为一个通用求解器，适用于低速不可压流动、跨音速流动乃至可压缩性强的超音速和高超声速流动等各种复杂的流场。FLUENT丰富的物理模型使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流、化学反应、多相流等其它复杂的流动现象。 Fluent6 软件是由Uns 和Rampant 软
40、件升级而来，Fluent6包含了二者的全部功能，并且增加了耦合隐式算法。Rampant是Fluent公司和NASA合作开发的专用于高可压缩流动问题的CFD软件。FLUENT6.0是专用的CFD软件，用来模拟从不可压流到中等程度可压流乃至高度可压流范围内的复杂流场。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而Fluent6.0能达到最佳的收敛精度。灵活的非结构化网格和基于求解精度的自适应网格及成熟的物理模型，使FLUENT6.0在层流、转捩和湍流、传热、化学反应、多相流等领域取得了显著成效。基本功能有 二维平面流动，二维轴对称流动，和三维流动 （1）定常或非定常流动分析 （2）亚声速、跨声
41、速、超声速和高超声速流动 （3）层流、转捩和湍流 （4）牛顿流或非牛顿流 （5）传热，包括自然对流、强迫对流和混合对流，固体/流体耦合传热，辐射和运动固体的热传导 （6）化学组分的混合和化学反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型 （7）自由表面和多相流（包括气-液、气-固和液-固） （8）离散相（粒子/液滴/气泡）的拉格朗日轨迹计算，包括与连续相的耦合 （9）融熔/凝固的相变模型 （10） 多孔介质模型，具有各向异性的渗透性、惯性阻尼、固体热传导和多孔表面的压力跳跃条件 （11）风扇、泵、辐射器和热交换器等的集总参数模型 （12）惯性或非惯性坐标系 （13）多种参考系和滑动网格 （14）应用于
42、转子静子干扰、扭矩变换器及透平机的混合面模型 （15）热量、质量、动量和化学组分的体积源项 （16）介质特性数据库 4.3.1 fluent软件的组成前处理gambit软件Fluent6.0Fluent5.5&4.5FidapPolyflowMixsimIcepack通用软件专用软件4.3.2专用的CFD前置处理器GambitGAMBIT软件是面向CFD的前处理器软件，它包含全面的几何建模能力和功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW等求解器所需要的网格。Gambit软件将功
43、能强大的几何建模能力和灵活易用的网格生成技术集成在一起。使用Gambit软件，将大大减小CFD应用过程中，建立几何模型和流场和划分网格所需要的时间。用户可以直接使用Gambit软件建立复杂的实体模型，也可以从主流的CAD/CAE系统中直接读入数据。Gambit软件高度自动化，所生成的网格可以是非结构化的，也可以是多种类型组成的混合网格。Gambit图形用户界面： GUI用户界面4.3.3 Fluent使用实例下面用一个简单的例子来说明基本三维几何体的创建和布尔运算的运用1单击按钮，输入参数创建一个高60，半径6的圆柱体（见图35）。在Axial Loaction栏中选取Positive X，使
44、得圆柱体的法线指向x方向。在Gambit中创建的几何体，其基点都在坐标系的原点（见图36）。如果创建的几何体过大，在视图中无法显示全图，或者太小，无法分辨，单击按钮即可。图35图362为了能够更好的观察三维几何体，可以用鼠标拖动四个视图中央的小方块，改变四个视图的大小（见图37）。3再创建两个圆柱体，分别指向y和z方向（见图38）。4单击按钮，移动圆柱体，使其如图39所示。5单击按钮，选择三个圆柱体，依次将它们合并在一起（见图40）。图37图38结 论通过本次重对数据中心机房空调节能方法研究，我们应该从视气流组织、使用自然冷却、精密空调组网群控、合理控制室内温度参数、安装传感器随时观察温度这几
45、个方面设计数据中心机房空调一、视气流组织对于跨度大的机房，空调送回风系统具有地板送风还应该有风管或吊顶回风，不但温度场和速度棒场均匀性较好，同时节能效果也不错。另外对一些比较高密度的机柜可能有20千瓦或者是25千瓦这样一些可以采取一些直接冷源的送风方式。另外一种也可以采用一些有特殊装置的装上这个让它吹进去。二、使用自然冷却冬季或部分地区的春秋两季，室外空气温度较低，机房室内空气温度却较高，仍需要供冷。尤其是没有外墙、外窗的内区房间，由于机房内设备的持续散热量没有途径散发到室外，室内仍需供冷。由于此时冷负荷较小，冷机制冷系数较低、能耗大，若开启冷机供冷极不合理。其实大自然是最好的冷源，不仅不需要
46、能耗取得，而且供给充足，属于绿色冷源。自然冷却是指不使用冷却设备或者压缩机冷却空气的技术。可用的自然冷却量取决于当地的气候，每年自然冷却的范围大约是100个小时至8000个小时以上。两种最常用的自然冷却方式是地下水或地表水冷却和室外冷空气冷却。（1）地下水或地表水地下水常年保持在较低的温度，地表以下510m的地层温度就不随室外大气温度的变化而变化，一般可以维持在1517，所以地下水可以作为空调系统的冷源。但近年来的研究表明，过量开采地下水对于地面沉降影响很大，而且会威胁整个国家未来的淡水资源，目前己经不建议使用地下水。地表水包括江、河、湖泊等，在春秋或冬季，只要地表水高于冰点，就能通过管路引入
47、作为冷源。（2）室外冷空气春秋季和冬季的室外空气温度较低，可用于空调系统供冷。考虑到空气直接进入机房，容易将灰尘等有害物带入机房，可以用间接冷却的办法来解决。例如带经济盘管的专用空调的冬季运行，利用冷却塔供冷，带风机的窗式热交换器，小型机房采用热管方式将冷量传入机房等。三、精密空调组网群控在机房中的精密空调存在着竞争运行的情况，每一个空调的位置不一样，受气流组织的影响，空调的运行状态也不一样，有的空调在制冷，有的空调普遍是在温度比较低的情况下解热，还有的在加湿，有的空调在除湿，我们如何处理它们的运行状态，使它们有效运行。多台机组通过通讯电缆连接后可实现组网群控功能，网内机组之间能实现主备切换、轮巡、层叠、主机报警/断电备机启动等功能。群控带来的效益主要包括：运行效率多台机组通信组网工作使整体效率得到提升，机组之间的竞争运行被避免;多台机组互相通信组网工作，优化温湿度的控制精度;多种群控方式，可以满足各个应