数据中心节能技术与应用

本书入选“十三五”国家重点出版物出版规划项目。
本书由湖南大学张泉教授、清华大学李震教授、中国数据中心产业发展联盟郑宏秘书长、美国科罗拉多大学博尔德分校翟志刚教授、勤益科技大学王辅仁教授、美国内布拉斯加大学林肯分校余跃滨教授、香港城市大学黄公胜教授、中国人民解放军国防科技大学陈旭教授、西安工程大学黄翔教授等18位来自国内外高校和行业的知名教授、学者、专家联合编著。
本书是国内有关数据中心节能技术的教材。

 

针对数据中心高散热量的现状以及全年冷却和安全的需求,需要构建具有冗余､可靠､容错､可扩展以及灵活等特点的系统服务于数据中心｡
本书综合目前新产品､新系统､新思路､新方法､新标准,并结合数据中心机房的具体情况,介绍数据中心的演变过程､传热过程､冷热源设备及系统设计､末端设备､气流组织､监控节能系统､节能规划设计与标准,以及国内外典型数据中心的节能设计思路及案例等,以降低能耗和节约资源为目的,促进数据中心的建设实现可持续发展｡本书也是作者多年来从事数据中心节能技术研究经验的总结｡
本书可作为高校建筑环境与能源应用工程专业的教材,也可供相关领域的从业人员(设计人员､设备研发人员､系统运维人员､管理人员)､相关政府部门的工作人员等学习和参考｡

本书作者：
张　泉（湖南大学）
李　震（清华大学）
郑　宏（中国数据中心产业发展联盟）
翟志强（美国科罗拉多大学博尔德分校）
王辅仁（勤益科技大学）
余跃滨（美国内布拉斯加大学林肯分校）
黄公胜（香港城市大学）
陈　旭（中国人民解放军国防科技大学）
黄　翔（西安工程大学）
夏春华（华信咨询设计研究院有限公司）
罗志刚（中国建筑科学研究院有限公司数据中心研究院）
吴晓晖（中国建筑标准设计研究院有限公司）
袁晓东（中国电信云计算公司）
康　楠（中国联合网络通信集团有限公司云计算公司）
廖曙光（长沙麦融高科股份有限公司）
彭少华（深圳市艾特网能技术有限公司）
熊绍东（山东省标准化研究院）
凌　丽（湖南工业大学）
本书主审：刘明生（大连理工大学）

目录
前 言
第1章 概论 1
1.1 数据中心的前生今世 1
1.1.1 数据中心发展历程 1
1.1.2 数据中心功能演进 4
1.2 国内外数据中心能耗现状及问题 6
1.2.1 不同维度能耗现状解析 6
1.2.2 存在的问题 9
1.3 国内外数据中心节能技术的发展 15
1.3.1 末端形式的节能技术 16
1.3.2 主机侧节能技术 19
1.3.3 自然冷却节能技术 24
1.3.4 被动式节能技术 26
1.3.5 数据中心节能技术的发展趋势 28
思考题与习题 28
参考文献 29
第2章 数据中心传热过程与负荷
计算 31
2.1 数据中心的典型布局与传热分析 31
2.1.1 数据中心建设与分类 31
2.1.2 数据中心选址分析 32
2.1.3 数据中心机房功能分区及其
面积选取 34
2.1.4 数据中心机房典型送回风方式
布局 35
2.1.5 数据中心各类设备的布置原则 36
2.1.6 数据中心机房建筑设计与布局 40
2.1.7 数据中心传热分析 43
2.2 建筑围护结构的冷负荷计算 44
2.2.1 传统通过围护结构传入热量
的计算 44
2.2.2 传统计算方法存在的问题 45
2.2.3 影响数据中心围护结构保温性
的因素 45
2.2.4 负荷模拟计算方法的选择 47
2.2.5 DeST模型简介及其与其他模型
的比较 48
2.2.6 基于DeST软件的数据中心的全年
负荷及能耗模拟 49
2.3 IT及转换设备热负荷估算/数据中心发热
设备的传热分析 52
2.3.1 数据中心发热设备的构成 53
2.3.2 数据中心发热设备发热分析 53
2.3.3 数据中心发热设备的发热计算 64
2.4 新风及人体负荷计算 66
2.4.1 人体散热量计算 66
2.4.2 新风冷负荷计算 66
2.4.3 人体散湿量计算 69
2.4.4 新风湿负荷计算 70
思考题与习题 70
参考文献 70
第3章 数据中心机房侧冷源设备及
系统设计 72
3.1 数据中心冷源系统介绍 72
3.1.1 机械制冷系统 72
3.1.2 自然冷源系统 74
3.1.3 分布式能源系统 74
3.2 制冷设备原理及性能 79
3.2.1 压缩式制冷设备 79
3.2.2 换热设备及辅助设备的原理
与性能 85
3.2.3 溴化锂机组的原理与性能 87
3.3 制冷设备机组原理及性能 100
3.3.1 风冷型精密冷却设备 100
3.3.2 水冷型直膨式冷却机组 106
3.3.3 乙二醇自然冷型冷却机组 108
3.3.4 冷冻水型冷却机组 110
3.3.5 双冷源主机设备 113
3.3.6 氟泵自然冷型冷却机组 117
3.3.7 水侧余热回收系统 121
3.3.8 蒸发冷却空调机组 123
3.4 冷却主机的性能评价 134
3.5 数据中心制冷节能技术模式及制冷方案
选择逻辑 134
3.5.1 数据中心制冷节能技术模式 134
3.5.2 数据中心制冷方案选择逻辑 137
思考题与习题 139
参考文献 139
第4章 末端设备原理及气流组织
评价 141
4.1 空气侧末端设备原理及性能 142
4.1.1 水冷柜门空调 142
4.1.2 热管背板空调 143
4.1.3 列间空调 148
4.1.4 机房精密空调 152
4.2 气流组织的模拟仿真 153
4.2.1 数据中心建模 153
4.2.2 气流控制方程 156
4.2.3 机架与服务器模型 160
4.3 数据中心气流组织常用性能指标
及评价 163
4.3.1 机柜冷却指数 163
4.3.2 回风温度指数 164
4.3.3 供热指数与回热指数 165
4.3.4 掺混指数 165
思考题与习题 166
参考文献 166
第5章 数据中心的可视化监控节能
系统 168
5.1 控制原理简介 168
5.1.1 基本概念 168
5.1.2 基本控制方式 169
5.1.3 系统的数学模型 169
5.1.4 系统方块图 170
5.1.5 控制性能指标 170
5.1.6 系统的分析方法 171
5.1.7 案例———定风量系统的基本
控制 172
5.2 节能控制理论与分析方法 173
5.2.1 常用控制方法 173
5.2.2 基本节能策略 177
思考题与习题 179
参考文献 179
第6章 数据中心节能规划设计与
标准 181
6.1 数据中心的能效指标 181
6.1.1 电能利用效率(PUE) 182
6.1.2 其他能效指标 184
6.1.3 日本的DPPE能效指标体系 186
6.2 数据中心空调系统设计标准 188
思考题与习题 193
参考文献 193
第7章 国内外典型数据中心的节能设计
思路及案例 194
7.1 设计中常见的问题及对策 194
7.2 我国数据中心节能设计案例分析 200
7.2.1 资兴市东江湖大数据产业园一期
新建机楼 200
7.2.2 中国移动通信集团湖南有限公司
核心机楼 206
7.2.3 中国联通呼和浩特云数据中心 208
7.2.4 阿里云千岛湖数据中心 212
7.2.5 中国联通绥化分公司数据中心 213
7.2.6 宁夏中卫奇虎360云计算数据
中心 216
思考题与习题 217
参考文献 217
第8章 高热密度数据中心设计 219
8.1 高热密度数据中心概况 219
8.2 高热密度数据中心散热解决方案 220
8.2.1 机房级冷却方案 221
8.2.2 机柜级冷却方案 223
8.2.3 服务器级液冷方案 226
8.3 小结 230
思考题与习题 230
参考文献 230

前言

随着互联网+､大数据､云计算及人工智能技术的快速发展,以信息技术为代表的新一轮科技和产业革命正在萌发,为经济社会发展注入了强劲动力｡随着建设网络强国､数字中国､智慧社会以及互联网､大数据､人工智能和实体经济的深度融合,数据的产生､存储､计算技术推陈出新,必将实现海量数据之间和设备之间的互联互通｡数据中心是承载数据的基础物理单元,装载大量的IT设备,其能耗密度是传统建筑的几倍甚至数十倍｡纵观全球,美国数据中心的能耗占其社会总能耗的2%左右,而2015年中国数据中心能耗也高达1000亿kW•h,相当于三峡水电站全年的发电量｡预计到2021年,我国数据中心的能耗将进一步高达2500亿kW•h｡我国早期建设､运营的数据中心能源效率与发达国家相比,能效指标还有较大的提升空间｡安全性及能源利用效率是数据中心设计关注的热点问题之一,也是数据中心健康可持续发展的前置条件｡
数据中心的能耗构成主要包括IT设备能耗､空调系统能耗､供电系统的输配损耗｡随着计算机技术的发展,IT设备运算能力快速提升,电子元件集成度及小型化趋势明显,导致其功率密度逐年提升｡数据中心热负荷以显热为主,由于单位面积的散热量较大,需要全年8760h不间断冷却,而且冷却系统与传统建筑以人的热舒适､节能为目标的空调系统模式有着较大的区别｡如何提高设备的效率,延长自然冷源的有效利用时间,以及研发更加贴近IT热源的新型冷却末端设备以提升冷源温度,是解决数据中心冷却高能耗､精准冷却难题的有效途径｡
面对数据中心高散热量的现状以及全年冷却和安全的需求,需要构建具有冗余､可靠､容错､可扩展以及灵活等特点的系统｡数据中心的节能技术与一般建筑有着本质上的不同:首先,在对围护结构的要求上,采用保温隔热技术的传统建筑的节能模式,不能直接应用于数据中心;其次,在系统上,要减少输配能耗,并应尽量直接或者间接地利用自然冷源;后,应在适合的地区挖掘余热利用的潜力｡在此背景下,出现了多种新型的设备､系统,也催生出新的设计思路､方法和标准｡因此,有必要梳理数据中心的相关安全､节能技术,满足相关专业学生､相关领域从业人员(设计人员､设备研发人员､系统运维人员､管理人员)､相关政府部门工作人员等的学习､建设运营和决策参考的需要｡
本书分为8章,第1章由张泉､郑宏､黄翔完成;第2章由张泉完成;第3章由李震､彭少华､袁晓东､张泉､黄翔完成;第4章由翟志强､王辅仁､彭少华､廖曙光完成;第5章由余跃滨､黄公胜完成;第6章由夏春华､吴晓晖､熊绍东完成;第7章由罗志刚､凌丽､康楠､黄翔完成;第8章由李震､陈旭､张泉完成｡本书由大连理工大学刘明生教授主审｡
本书的编写得到了国家重点研发项目(项目号:2017YFE0105800,2016YFB0601600) 以及湖南省重点研发计划(2017SK2390) 的资助,同时对参加本书部分编写整理工作的湖南大学研究生唐辉､雷奥君､梁新宇､肖湘武､易军､凌伟等和西安工程大学研究生耿志超表示感谢｡由于时间仓促,书中不足之处在所难免,希望同行专家批评指正,以便后期再版时修正｡
张泉 李震
2018年1月