針對數據中心高散熱量的現狀以及全年冷卻和安全的需求,需要構建具有冗余､可靠､容錯､可擴展以及靈活等特點的系統服務于數據中心｡
本書綜合目前新產品､新系統､新思路､新方法､新標準,并結合數據中心機房的具體情況,介紹數據中心的演變過程､傳熱過程､冷熱源設備及系統設計､末端設備､氣流組織､監控節能系統､節能規劃設計與標準,以及國內外典型數據中心的節能設計思路及案例等,以降低能耗和節約資源為目的,促進數據中心的建設實現可持續發展｡本書也是作者多年來從事數據中心節能技術研究經驗的總結｡
本書可作為高校建筑環境與能源應用工程專業的教材,也可供相關領域的從業人員(設計人員､設備研發人員､系統運維人員､管理人員)､相關政府部門的工作人員等學習和參考｡
本書入選“十三五”國家重點出版物出版規劃項目。
本書由湖南大學張泉教授、清華大學李震教授、中國數據中心產業發展聯盟鄭宏秘書長、美國科羅拉多大學博爾德分校翟志剛教授、勤益科技大學王輔仁教授、美國內布拉斯加大學林肯分校余躍濱教授、香港城市大學黃公勝教授、中國人民解放軍國防科技大學陳旭教授、西安工程大學黃翔教授等18位來自國內外高校和行業的知名教授、學者、專家聯合編著。
本書是國內首部有關數據中心節能技術的教材。
前言
隨著互聯網+､大數據､云計算及人工智能技術的快速發展,以信息技術為代表的新一輪科技和產業革命正在萌發,為經濟社會發展注入了強勁動力｡隨著建設網絡強國､數字中國､智慧社會以及互聯網､大數據､人工智能和實體經濟的深度融合,數據的產生､存儲､計算技術推陳出新,必將實現海量數據之間和設備之間的互聯互通｡數據中心是承載數據的基礎物理單元,裝載大量的IT設備,其能耗密度是傳統建筑的幾倍甚至數十倍｡縱觀全球,美國數據中心的能耗占其社會總能耗的2%左右,而2015年中國數據中心能耗也高達1000億kW•h,相當于三峽水電站全年的發電量｡預計到2021年,我國數據中心的能耗將進一步高達2500億kW•h｡我國早期建設､運營的數據中心能源效率與發達國家相比,能效指標還有較大的提升空間｡安全性及能源利用效率是數據中心設計關注的熱點問題之一,也是數據中心健康可持續發展的前置條件｡
數據中心的能耗構成主要包括IT設備能耗､空調系統能耗､供電系統的輸配損耗｡隨著計算機技術的發展,IT設備運算能力快速提升,電子元件集成度及小型化趨勢明顯,導致其功率密度逐年提升｡數據中心熱負荷以顯熱為主,由于單位面積的散熱量較大,需要全年8760h不間斷冷卻,而且冷卻系統與傳統建筑以人的熱舒適､節能為目標的空調系統模式有著較大的區別｡如何提高設備的效率,延長自然冷源的有效利用時間,以及研發更加貼近IT熱源的新型冷卻末端設備以提升冷源溫度,是解決數據中心冷卻高能耗､精準冷卻難題的有效途徑｡
面對數據中心高散熱量的現狀以及全年冷卻和安全的需求,需要構建具有冗余､可靠､容錯､可擴展以及靈活等特點的系統｡數據中心的節能技術與一般建筑有著本質上的不同:首先,在對圍護結構的要求上,采用保溫隔熱技術的傳統建筑的節能模式,不能直接應用于數據中心;其次,在系統上,要減少輸配能耗,并應盡量直接或者間接地利用自然冷源;最后,應在適合的地區挖掘余熱利用的潛力｡在此背景下,出現了多種新型的設備､系統,也催生出新的設計思路､方法和標準｡因此,有必要梳理數據中心的相關安全､節能技術,滿足相關專業學生､相關領域從業人員(設計人員､設備研發人員､系統運維人員､管理人員)､相關政府部門工作人員等的學習､建設運營和決策參考的需要｡
本書分為8章,第1章由張泉､鄭宏､黃翔完成;第2章由張泉完成;第3章由李震､彭少華､袁曉東､張泉､黃翔完成;第4章由翟志強､王輔仁､彭少華､廖曙光完成;第5章由余躍濱､黃公勝完成;第6章由夏春華､吳曉暉､熊紹東完成;第7章由羅志剛､凌麗､康楠､黃翔完成;第8章由李震､陳旭､張泉完成｡本書由大連理工大學劉明生教授主審｡
本書的編寫得到了國家重點研發項目(項目號:2017YFE0105800,2016YFB0601600) 以及湖南省重點研發計劃(2017SK2390) 的資助,同時對參加本書部分編寫整理工作的湖南大學研究生唐輝､雷奧君､梁新宇､肖湘武､易軍､凌偉等和西安工程大學研究生耿志超表示感謝｡由于時間倉促,書中不足之處在所難免,希望同行專家批評指正,以便后期再版時修正｡
張泉 李震
2018年1月
本書作者：
張 泉（湖南大學）
李 震（清華大學）
鄭 宏（中國數據中心產業發展聯盟）
翟志強（美國科羅拉多大學博爾德分校）
王輔仁（勤益科技大學）
余躍濱（美國內布拉斯加大學林肯分校）
黃公勝（香港城市大學）
陳 旭（中國人民解放軍國防科技大學）
黃 翔（西安工程大學）
夏春華（華信咨詢設計研究院有限公司）
羅志剛（中國建筑科學研究院有限公司數據中心研究院）
吳曉暉（中國建筑標準設計研究院有限公司）
袁曉東（中國電信云計算公司）
康 楠（中國聯合網絡通信集團有限公司云計算公司）
廖曙光（長沙麥融高科股份有限公司）
彭少華（深圳市艾特網能技術有限公司）
熊紹東（山東省標準化研究院）
凌 麗（湖南工業大學）
本書主審：劉明生（大連理工大學）
目錄
前 言
第1章 概論 1
1.1 數據中心的前生今世 1
1.1.1 數據中心發展歷程 1
1.1.2 數據中心功能演進 4
1.2 國內外數據中心能耗現狀及問題 6
1.2.1 不同維度能耗現狀解析 6
1.2.2 存在的問題 9
1.3 國內外數據中心節能技術的發展 15
1.3.1 末端形式的節能技術 16
1.3.2 主機側節能技術 19
1.3.3 自然冷卻節能技術 24
1.3.4 被動式節能技術 26
1.3.5 數據中心節能技術的發展趨勢 28
思考題與習題 28
參考文獻 29
第2章 數據中心傳熱過程與負荷
計算 31
2.1 數據中心的典型布局與傳熱分析 31
2.1.1 數據中心建設與分類 31
2.1.2 數據中心選址分析 32
2.1.3 數據中心機房功能分區及其
面積選取 34
2.1.4 數據中心機房典型送回風方式
布局 35
2.1.5 數據中心各類設備的布置原則 36
2.1.6 數據中心機房建筑設計與布局 40
2.1.7 數據中心傳熱分析 43
2.2 建筑圍護結構的冷負荷計算 44
2.2.1 傳統通過圍護結構傳入熱量
的計算 44
2.2.2 傳統計算方法存在的問題 45
2.2.3 影響數據中心圍護結構保溫性
的因素 45
2.2.4 負荷模擬計算方法的選擇 47
2.2.5 DeST模型簡介及其與其他模型
的比較 48
2.2.6 基于DeST軟件的數據中心的全年
負荷及能耗模擬 49
2.3 IT及轉換設備熱負荷估算/數據中心發熱
設備的傳熱分析 52
2.3.1 數據中心發熱設備的構成 53
2.3.2 數據中心發熱設備發熱分析 53
2.3.3 數據中心發熱設備的發熱計算 64
2.4 新風及人體負荷計算 66
2.4.1 人體散熱量計算 66
2.4.2 新風冷負荷計算 66
2.4.3 人體散濕量計算 69
2.4.4 新風濕負荷計算 70
思考題與習題 70
參考文獻 70
第3章 數據中心機房側冷源設備及
系統設計 72
3.1 數據中心冷源系統介紹 72
3.1.1 機械制冷系統 72
3.1.2 自然冷源系統 74
3.1.3 分布式能源系統 74
3.2 制冷設備原理及性能 79
3.2.1 壓縮式制冷設備 79
3.2.2 換熱設備及輔助設備的原理
與性能 85
3.2.3 溴化鋰機組的原理與性能 87
3.3 制冷設備機組原理及性能 100
3.3.1 風冷型精密冷卻設備 100
3.3.2 水冷型直膨式冷卻機組 106
3.3.3 乙二醇自然冷型冷卻機組 108
3.3.4 冷凍水型冷卻機組 110
3.3.5 雙冷源主機設備 113
3.3.6 氟泵自然冷型冷卻機組 117
3.3.7 水側余熱回收系統 121
3.3.8 蒸發冷卻空調機組 123
3.4 冷卻主機的性能評價 134
3.5 數據中心制冷節能技術模式及制冷方案
選擇邏輯 134
3.5.1 數據中心制冷節能技術模式 134
3.5.2 數據中心制冷方案選擇邏輯 137
思考題與習題 139
參考文獻 139
第4章 末端設備原理及氣流組織
評價 141
4.1 空氣側末端設備原理及性能 142
4.1.1 水冷柜門空調 142
4.1.2 熱管背板空調 143
4.1.3 列間空調 148
4.1.4 機房精密空調 152
4.2 氣流組織的模擬仿真 153
4.2.1 數據中心建模 153
4.2.2 氣流控制方程 156
4.2.3 機架與服務器模型 160
4.3 數據中心氣流組織常用性能指標
及評價 163
4.3.1 機柜冷卻指數 163
4.3.2 回風溫度指數 164
4.3.3 供熱指數與回熱指數 165
4.3.4 摻混指數 165
思考題與習題 166
參考文獻 166
第5章 數據中心的可視化監控節能
系統 168
5.1 控制原理簡介 168
5.1.1 基本概念 168
5.1.2 基本控制方式 169
5.1.3 系統的數學模型 169
5.1.4 系統方塊圖 170
5.1.5 控制性能指標 170
5.1.6 系統的分析方法 171
5.1.7 案例———定風量系統的基本
控制 172
5.2 節能控制理論與分析方法 173
5.2.1 常用控制方法 173
5.2.2 基本節能策略 177
思考題與習題 179
參考文獻 179
第6章 數據中心節能規劃設計與
標準 181
6.1 數據中心的能效指標 181
6.1.1 電能利用效率(PUE) 182
6.1.2 其他能效指標 184
6.1.3 日本的DPPE能效指標體系 186
6.2 數據中心空調系統設計標準 188
思考題與習題 193
參考文獻 193
第7章 國內外典型數據中心的節能設計
思路及案例 194
7.1 設計中常見的問題及對策 194
7.2 我國數據中心節能設計案例分析 200
7.2.1 資興市東江湖大數據產業園一期
新建機樓 200
7.2.2 中國移動通信集團湖南有限公司
核心機樓 206
7.2.3 中國聯通呼和浩特云數據中心 208
7.2.4 阿里云千島湖數據中心 212
7.2.5 中國聯通綏化分公司數據中心 213
7.2.6 寧夏中衛奇虎360云計算數據
中心 216
思考題與習題 217
參考文獻 217
第8章 高熱密度數據中心設計 219
8.1 高熱密度數據中心概況 219
8.2 高熱密度數據中心散熱解決方案 220
8.2.1 機房級冷卻方案 221
8.2.2 機柜級冷卻方案 223
8.2.3 服務器級液冷方案 226
8.3 小結 230
思考題與習題 230
參考文獻 230
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