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以下为本期文章正文图片
随着国家“双碳”目标提出，作为耗能大户的数据中心空调系统将面临向“高效低碳”转型的挑战。目前行业急需进一步探索数据中心空调系统的节能降耗创新方向，以推动数据中心空调系统向更高效、更可靠、更低碳演进。
而数据中心空调作为满足数据中心功能的核心保障系统，其供冷散热功能的稳定性至关重要，一旦制冷系统故障，将会为数据中心带来难以估量的破坏和损失。数据中心空调、冷却系统的技术提升方向
数据中心既是耗能大户又要求其环境保障系统具有极高的稳定性，因此，数据中心空调设计既要降低能耗（空调能耗占数据中心总能耗30%-40%），又要确保高可靠性（年可用性＞99.99%）。
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1 节能技术
节能是数据中心空调设计的核心目标之一，需通过“被动节能+主动节能”结合实现。
1）自然冷源深度利用
利用室外低温替代机械制冷，是最有效的节能手段。
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冬季（湿球温度≤5℃）：冷却塔→板式换热器→冷冻水系统，直接提供7℃冷水，无需开启冷水机组，节电率达80%；
过渡季（湿球温度5-12℃）：冷却塔+部分机械制冷，混合供冷，逐步减少机组运行时间。
不同气候区的应用策略：
北方严寒地区（如东北地区）：可采用“新风直接引入”，冬季新风经预热后直接送入机房，替代机械制冷；
南方温和地区（如上海）：以冷却塔间接供冷为主，新风引入需配合除湿（避免高湿度）；热带地区（如海南）；自然冷源利用时间短，优先优化机械制冷能效（如磁悬浮离心机组，COP达7.0）。
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2）系统能效优化
变频技术：冷水机组、水泵、风机采用变频控制，负荷降低时同步降频，能耗按“流量三次方”下降（如50%负荷时能耗仅为满负荷的12.5%）；
自由冷却机组：集成冷却塔与压缩机，自动切换“自然冷却”与“机械制冷”模式，比传统机组节能30%；
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热回收：将机房余热用于辅助区域供暖及生活热水。
3）节能措施
减少冷量损失：冷水管、风管保温（采用30mm厚离心玻璃棉，导热系数＜0.03W/(m・K)），避免结露和冷损；
优化新风处理：过渡季增大新风比（最高至30%），利用室外低温新风降温，减少机械制冷；
合理设定参数：冷通道温度从20℃提高到24℃，制冷能耗降低15%；冷冻水出水温度从6℃提高到7℃，机组COP提升5%-8%。
2 可靠稳定性技术
数据中心空调系统是维持设备正常运行的核心基础设施，一旦失效，后果极为严重，且影响具有快速蔓延、多维度破坏的特点，具体如下：
1）温度骤升导致设备过热与宕机空调失效后，机房温度可在1分钟内上升10~20℃，高密度机柜区域升温更剧烈。温度超过安全阈值（通常40℃以上）会触发服务器自动关机。
2）硬件损坏与寿命缩短
高温加速电子元件老化，硬盘、主板、电源等易永久损坏，湿度过高（>60%）可能引发电路板结露短路，湿度过低（<40%）则产生静电击穿芯片。设备散热不良可能引发局部过热，尤其高功率服务器，增加火灾概率。3）数据丢失与业务中断高温导致内存错误率飙升，未保存数据丢失，存储系统磁盘故障率升高，金融、电商等实时服务行业停机1小时可损失数百万元，并引发客户流失与声誉危机。4）次生环境问题空调失效后冷热通道失衡，机柜间隙过小区域可能瞬间过热（局部超50℃），粉尘和有害气体积聚，腐蚀设备并危害人员健康。数据中心空调系统常见有如下手段，规避风险：
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1）多层级冗余设计
设备级：关键设备（冷水机组、水泵）一用一备，故障时无缝切换；
系统级：双冷源（冷冻水+冷媒）、双环路（供回水管网环形布置），单系统故障不影响整体；
空间级：大型数据中心划分多个独立空调分区，一区故障时，相邻分区可支援部分冷量。如每个楼层为独立空调分区（设独立冷水机组和末端），同时全楼预留备用冷源，确保单点故障不扩散。
2）容错与快速恢复
管路设计：采用“环形管网”，任意一段管道检修时，可通过阀门切换至备用路径；
控制逻辑：预设“故障自愈”程序 —如某台水泵跳闸，立即启动备用泵，同时调节其他水泵流量，维持总流量稳定；
维护策略：定期（每月）进行冗余切换测试，确保备用设备处于可用状态；每季度进行全系统负荷测试，验证极端工况下的运行能力。
3）抗干扰设计
电磁兼容：空调控制系统远离强电设备（如UPS），信号线采用屏蔽线，避免电磁干扰导致误动作；
防水防潮：机房空调设备（如风机盘管）设置接水盘和漏水报警，管道阀门采用防水型；
防振动：冷水机组、水泵安装减振器，管路设置软连接，避免振动影响精密设备。
3 液体冷却技术
随着机柜功率密度突破15kW，传统风冷难以满足散热需求，液体冷却成为必要补充。
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1）液体冷却类型与适用场景
冷板式液冷：适用于10-30kW/机柜。在服务器CPU、GPU等高热部件安装冷板，通过冷却液带走60%-70%的热量，剩余热量由风冷解决。该方式改造简单（无需更换服务器），成本较低（比全液冷低40%）。
浸没式液冷：适用于30kW以上机柜。服务器完全浸没在不导电的氟化液中，热量通过液体循环带走，散热效率达95%以上。缺点是初期投资高，维护复杂。
2）液冷系统设计要点
冷却液选择：冷板式用去离子水（加防腐添加剂），浸没式用氟化液（沸点50-60℃，自然对流）；
管路系统：采用“双回路”，一主一备，避免泄漏导致系统瘫痪；
流量控制：根据服务器功耗动态调节流量（如20kW机柜对应流量2-3L/min），确保冷板出口温度＜35℃。
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3）液冷与风冷协同
液冷与风冷并非替代关系，而是协同互补。建议高发热部件（CPU）用液冷，低发热部件（内存、硬盘）用风冷；
液冷系统负责带走70%热量，风冷负责剩余30%及环境降温，降低整体复杂度。
4 数据中心空调设计运行常见问题及对策
数据中心空调设计中，常因设计者经验不足或考虑不周，易出现“能耗高、效果差、可靠性低”等问题。需针对性优化，避免后期改造浪费。
1）气流组织常见问题及优化
气流组织不合理是导致“局部热点”“冷量浪费”的主要原因，占空调能耗浪费的30%以上。
问题表现与根源
冷通道温度偏高（＞26℃）：原因可能是送风量不足（风机选型偏小）、冷通道有漏风（地板缝隙未封堵）、机柜盲板缺失（冷风从空位流失）；
热通道温度偏低（＜30℃）：表明冷热空气混合（如机柜后门与冷通道距离过近），冷量未被有效利用；
顶部温度过高（＞35℃）：因回风口布置不足或回风速度不够，热空气积聚在顶部。
优化方案
封堵漏风：地板缝隙用密封胶封堵，未装机柜安装盲板，冷通道与热通道之间加装挡板；
优化风口：冷通道地板送风口数量按“每kW负荷0.05m²风口面积”配置，回风口集中布置在热通道顶部；
调整风速：冷通道送风速度0.8-1.2m/s，确保冷风覆盖所有机柜进风侧；热通道回风速度1.0-1.5m/s，加速热风排出。
2）备配置与负荷不匹配问题
“大马拉小车”（设备容量远超实际负荷）或“小马拉大车”（容量不足）均会影响运行效果。
问题表现与根源
冷水机组COP偏低（＜4.5）：因负荷率＜30%，机组偏离高效区间；
末端风机频繁启停：选型过大，小负荷时需频繁启停维持温度；
冬季供冷不足：未考虑冬季负荷，自然冷源设计容量不够，需开启备用机组。
优化方案
模块化设计：冷源采用模块化机组（如单模块500kW），按需启停，确保负荷率在50%-80%（高效区间）；
分期建设：初期按30%负荷配置设备，后期随负荷增长逐步扩容；
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3）冗余设计过度或不足问题
冗余设计需“适度”——过度增加成本，不足则影响可靠性。
问题表现与根源
冗余过度：备用设备长期闲置（如N+2冗余用于非A级机房），投资回报率＜3%；
冗余不足：单台机组故障时，剩余设备无法满足负荷，导致机房温度升高。
优化方案
分级冗余：A级机房采用N+1（关键设备）或N+N（核心机房），B级机房采用N+1（冷源），C级机房可无冗余；
模块化冗余：用模块化机组替代固定机组，单模块故障时，仅影响部分容量，冗余更灵活；
风险评估：根据停机损失（如每小时10万元）确定冗余等级——损失越高，冗余等级越高。
4）能耗过高问题
数据中心空调能耗过高（PUE＞1.5）往往是“设计不合理+运行管理差”共同导致。
问题表现与根源
制冷能耗占比＞40%：因机组效率低（如螺杆机组用于大负荷场景）、自然冷源利用不足；
风机水泵能耗高：未采用变频，或管路阻力大（弯头过多、管径偏小）；
新风处理能耗高：过渡季未利用新风，全年新风量固定（未随室内外温差调节）。
优化方案
提升机组效率：超大型机房选用离心机组（COP＞6.0），中小型选用磁悬浮机组；
减少输配能耗：管路设计避免直角弯头，水泵扬程按“最不利环路+10%余量”计算；
智能运行：根据室外温湿度自动调节新风比和自然冷源利用比例，全年节能率提升20%以上。
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5 总结
数据中心空调设计是“技术规范、工程实践、运行需求”的综合产物，需遵循以下核心原则：
1）以设备需求为核心：参数设定、负荷计算、系统选型均需围绕电子设备的散热需求，避免“过度设计”或“功能不足”。
2）平衡能效与可靠性：节能需以不降低可靠性为前提，冗余设计需兼顾成本，找到最优平衡点。
3）预留未来扩容空间：考虑IT设备升级带来的负荷增长，系统设计具备30%-50%的扩容能力。
4）融合创新技术：积极采用自然冷源、液体冷却、智能控制等新技术，适应高密度、低碳化趋势。
本文部分观点参考如下文献《中央空调节能及自控系统设计》建筑工业出版社《实用供热空调设计手册》建筑工业出版社《超大型数据中心空调系统设计实践》建筑热能通风空调
《数据中心空调设计问题解析》高铁
《数据中心空调设计初探》建筑电气
《北京市某超算数据中心的空调设计》建筑热能通风空调
《高效空调制冷机房评价标准》T/CECS 1100-2022
《绿色数据中心高效适用制冷技术及应用》机械工业出版社
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