某数据中心PUE仿真计算书及保障方案（1）

数据中心PUE计算书及保障方案

目 录

1、 项目概况 1

1.1. 基本概况 1

1.2. 设计参数 1

1.3. 气象大数据 5

2、 系统设计保障 7

2.1. 工艺流程图 7

2.2. 冷冻水系统连接管的优化 8

2.3. 部分自然冷却的设计 8

2.4. 水泵设计建议 9

2.5. 冷却塔并联的优化 9

3、 高效全变频设备优化保障 10

3.1. 变频离心机组 10

3.2. 冷冻水泵 11

3.3. 冷却水泵 12

3.4. 冷却塔 13

3.5. 末端空调机组 13

3.6. 其他设备 13

4、 高效运营AI系统的保障 14

4.1. 特点与架构 14

4.2. AI运维系统组成 16

4.3. 制冷站群控基本功能 19

4.4. 末端群控保障 24

4.5. 节能功能保障 25

4.6. 能耗管理系统 32

4.7. 建立全局能效管理的AI平台保障 36

4.8. 安装调试保障方案 38

5、 PUE测算 43

5.1. 设计工况下制冷能效比 43

5.2. 供配电因子的取值 43

5.3. 月典型日（7.7）的PUE仿真计算 44

5.4. 最热月7月份PUE 49

5.5. 最冷月1月份PUE 66

5.6. 全年PUE 84

6、 PUE逐时仿真计算书 85

6.1. 100%负载 85

6.2. 75%负载 85

6.3. 50%负载 85

6.4. 25%负载 85

1. 项目概况

基本概况

本工程为**省网枢纽楼数据中心项目，位于**北京路。本期项目建筑总面积为10495平方米。

设计参数

设计依据

1. 《数据中心蒸发冷却空调设备》T-DZJN 27-2021
2. 《数据中心蒸发冷却空调技术规范》T/DZJN 10-2020
3. 《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021
4. 《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB 50243-2016）；
5. 《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）（2018版）；
6. 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）；
7. 《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2015）
8. 《通信建筑工程设计规范》（YD 5003-2014)；
9. 《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）；
10. 《冷水机组能效限定值及能效等级》（GB 19577-2015）
11. 《全国民用建筑工程设计技术措施》（暖通空调•动力）（2009年）；
12. 《通信局（站）电源系统总技术要求》 （YD/T 1051-2010）；
13. 《通信局(站)电源、空调及环境集中监控管理系统》（YD/T 1363 .1-2014）；
14. 《数据中心设计规范》（GB50174-2017）；
15. 《工业循环水冷却设计规范》 （GB/T50102-2014）；
16. 《风机、泵类负载变频调速节点传动系统及其应用技术条件》（GB/T21056-2007）；
17. 《机械通风冷却塔第1部分：中小型开式冷却塔》（GB/T7190.1-2018）；
18. 《机械通风冷却塔工艺设计规范》（GB/T 50392-2016）；
19. 《通风与空调工程施工规范》 （GB50738-2011）；

其他国家、地方、行业及企业等现行的其他设计规范、规程及标准。

室外设计参数

室内设计参数

建筑冷负荷

经负荷计算，本工程枢纽楼空调总冷负荷为6576KW，建筑冷指标1051W/m2。辅助用房空调冷负荷为33.3kw，机房及电力电池室、高低压变配电室等电力用房的通信工艺负荷、电力设备负荷、建筑负荷（不含新风负荷）等空调总冷负荷为6542.7KW。

1. 辅助用房空调负荷

1. 主用房及电力室空调负荷

空调系统

（1）机房空调系统冷负荷

经计算，本工程终期数据中心机房及电力用房的通信工艺负荷、电力设备负荷、建筑负荷（不含新风负荷）等空调总冷负荷为6542.7KW，近期只启动部分中心机房及电力用房空调总冷负荷为2734kw。

（2）机房空调冷源配置

本工程冷源系统方式采用低压变频式离心式冷水机组+板式换热器+开式横流冷却塔。空调冷源配置统筹考虑数据中心的工艺负荷，在制冷机房内放置相同规格的制冷机组。根据工艺负荷规划，机房楼配置3台1000RT冷水机组，终期2用1备。终期冷水机组总装机容量与计算冷负荷比值为1.08。每台冷水机组配套1台板式换热器，过渡季节或冬季由开式冷却塔及板式换热器利用较低的室外气温提供冷源，减少冷水机组开启时间、降低能源消耗。冷水机组及板式换热器设置在一层制冷机房，开式冷却塔设置在屋顶。

（3）根据工艺负荷需求，近期数据中心总空调冷负荷为2734KW（777RT）。根据负荷计算，近期启用数据中心3台1000RT离心式冷水机组，2用1备，总制冷量7034KW，满足工艺负荷需求，可只开一台机组。

（4）初期工艺负荷较低时，可采用蓄冷罐+冷冻水泵+低压离心式冷水机组间歇开启方式供冷。

气象大数据

▲中国气象局近30年沧州气象数据

▲干球温度频数

▲湿球温度频数

上图可知沧州地区全年气温偏低，非常适合自然冷却技术的应用，按本次设计，自然冷却约5987h，占全年时长的68.34%。

1. 系统设计保障

工艺流程图

▲水系统工艺流程图

冷源系统设置三台离心机组，机组与水泵、冷却塔之间均采用先串联后并联的连接方式，可靠性高，水力平衡度高。

系统设置三台免冷板换，与可串联可并联，灵活性好。

冷冻水系统连接管的优化

冷冻泵入水管与主管连接采用45°弯头（ξ=0.5）替换传统的90°弯头（ξ=1），可降局部阻力约0.2mH2O；

▲优化管道三维参考图

部分自然冷却的设计

离心机与免冷板换可并联，减小系统阻力，且不受冷凝温度过低的影响。同时系统支持离心机与免冷板换的串联，提高离心机运行效率，且运行管路更为简单。

▲离心机与免冷板换合理连接

水泵设计建议

可以采用上进上出循环泵，减小水泵局部距离，降低扬程，有效降低PUE，中标后可进一步与设计单位沟通、深化；

▲上进上出水泵

冷却塔并联的优化

为减少系统局部阻力的消耗，去除同组冷却塔管路的电动蝶阀降低冷却水系统阻力，冷却塔面积利用充分，并减少关塔可能的水位不均，利于高效机房的节能。

▲多塔并用同开更合理

1. 高效全变频设备优化保障

变频离心机组

▲设计参数

满负荷额定工况下输入功率431.7kW，COP为8.148，NPLV为16.96，后期选型应关注部分负荷及低负荷能效水平。

冷冻水泵

▲水泵设计参数

额定流量700m³/h（冷水机组额定流量503m³/h），设计扬程40m，额定功率88.89kW，电机110kW，全变频控制。

▲冷冻水泵性能曲线

冷却水泵

▲水泵设计参数

额定流量800m³/h（冷水机组额定流量680m³/h），设计扬程40m，额定功率88.68kW，电机110kW，全变频控制。

▲冷却水泵性能曲线

冷却塔

▲冷却塔设计参数

选择单台标准工况下处理水量可达800m³/h 的横流高效塔，冬季可实现逼近度+3.5℃，则夏季完全可以实现逼近度+2℃运行，节能效果显著。

配电功率92kW，其中风机约74kW，电加热18kW;

末端空调机组

其他设备

定压装置、水处理、照明等不再一一列出。

1. 高效运营AI系统的保障

特点与架构

中大型制冷（热）机房是一类机电设备较多，控制复杂的系统。其系统能效受系统设备状态、管路设计、室外气候、末端负荷的变化等诸多因素影响，各因素之间相互作用机理复杂，而且主动负荷参与需求侧管理，运行方式也会多样化，因此优化调度应该具有实现经济运行的核心功能，在考虑室外气候前提下，通过协调系统各设备的运行效率，达到能源需求与生产供给协调优化、资源优化配置的目的，从而实现整个空调系统的能源优化。

▲高效机房优化方向

利用监测数据对空调系统进行全面节能评估，通过对标管理或自我历史数据分析，改善运行策略，提高节能效率。

本项目采用的运营系统以智能控制为基础、以节能控制为核心，融合系统能耗监测分析，并将三者进行有机的结合，同时将用户操作、系统集成控制和能源管理应用集成于一体，为客户提供系统集成的节能增效和能源管理一体化解决方案，以此实现“高效机房”的核心价值。

AI控制系统，可满足数据中心空调AI智慧运行管理系统和AI大数据分析需要，AI控制平台具备多样开放的接口条件，能够对接业主的云端系统，将制冷系统各类空调设备的能耗数据、运行数据以及IT有关的能耗数据等上传给云端系统。

将就完整的机房制冷系统增加一套全局能效管理系统，实现对该项目的的制冷机房（冷冻站）、末端水冷精密空调、机房环境、能耗系统等的集中、智慧监控，实现制冷系统节能、高效运行，降低机房PUE。

本地网数据分散在多个信息系统当中，本地设置一个汇聚节点，对数据进行汇聚和预处理，然后把数据传输给省动环系统（或其它信息化系统），再由省动环以数据接口或FTP（文件传输）的形式上传到企信大数据平台。

▲AI控制系统架构图

当然，新增的AI智能控制系统具有多样化、通用性强的数据接口，可以支持集团所列举的多种数据流路径。

1. 全高速网络架构

服务器、冷冻站控制设备及群控系统、精密空调主监控设备群控系统、能耗采集系统等均具备以太网接口。

AI平台所在的上层网络架采用以太网网络，满足数据高速采集需要。

1. 环形路由

上层网络需采购环形路由，避免单一节点出现故障后导致网络中断。

1. 丰富协议

上层网络通讯协议支持Modbus TCP/IP、OPC、restful等多种协议。并且可以与移动集团的边缘系统进行数据对接。

AI运维系统组成

新增AI控制系统主要由制冷机房群控系统、能耗系统、室内外微环境监控系统、数据机房末端群控系统、全局能效管理平台等部分组成，并囊括先进的节能控制策略、上层通讯接口等。

1. 制冷机房群控

制冷机房群控系统，包含冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔、蓄冷系统、电动阀门、系统温度及压力等监控，并将数据与全局能效管理系统互通、与DCIM或动环系统互通；

1. 能耗系统

能耗系统，包含冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔、末端空调、UPS、IT设备等分项电能统计与分析，可计算制冷因子CLF及项目PUE等关键性能效数据；

1. 关键设备能耗模型

冷水机组、循环泵、冷却塔、末端空调等关键设备的能耗模型建立，确保AI节能控制系统的自学习、智慧化运算。

1. 数据机房末端群控

末端空调群控系统，数据机房中设置就地触屏化管控，实现末端空调的温度管理、风速管理、集群联控等，并与制冷机房一体化闭环控制。

1. 室内外微环境

室内外微环境系统，与集团的室内温湿度要求密切联动，并依据室外微环境数据整合制冷系统输出能力，优化制冷系统供冷的“质”和“量”，降低制冷能耗；

1. AI节能策略

全局能效管理系统具有完善的AI自学习节能策略，包括冷水机组的群控、泵组一次泵变流量技术、冷却系统耦合节能技术、风水联动、深度自然冷、智慧储能、低能耗防冻等。

1. DCIM动环系统互通

AI节能系统，上层网络通讯协议支持Modbus TCP/IP、restful等协议，可以与业主集团的边缘系统、动环系统、DCIM系统可以串联或并联架设，实现数据的互通互联，建议新增的AI节能系统作为DCIM或动环的子系统串联方式，具有数据路径短，传输速率高，调试周期短等优势。

1. 集团云策略互通

支持用户自有云端系统调用 AI 服务处理实时数据，生成节能策略，下发至项目现场的边缘系统，实现节能运行。

1. 其他系统扩展

具备智慧照明、光伏发电、储能、云平台运维等扩展功能。

制冷站群控基本功能

数据监测

1. 监测冷水机组、冷却塔(风机)、冷却泵、冷冻泵、电动蝶阀等的故障、手自动、运行状态。
2. 监测冷水机组控制器数据，如吸气压力、排气压力、负荷率、压缩机和节流装置的调节、防反复起动逻辑、电流负荷限制等机组运行重要参数；
3. 机组具有自保护功能，控制模块的自适应控制方式能自动正常运行且避免出现由于水温低负荷过低等非正常工况所引起停机，只有在非正常工况延续到超出保护极限时，机组才会停止运行。
4. 监测冷水机组的缺水（水流状态）、冷媒不足、冷媒压力过低、冷媒压力过高、冷冻/冷却水温度过低过高、冷媒排气温度过高、压缩机倒转、超电压、过电流保护、缺相保护、断油保护等。
5. 监测冷水机组、冷冻泵、冷却泵的故障信号、手自动状态、运行状态；
6. 监测冷冻水的供水/回水压力；
7. 监测冷冻水的总供/回水温度、流量、冷量；
8. 监测冷却水的总供/回水温度、流量；
9. 监测冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷塔风机的启停次数、运行时间，采用轮询控制策略，延长设备使用寿命；
10. 监测冷凝器的洁净度，提出换热器清洗建议；
11. 监测系统能耗、COP；

自动化控制

1. 冷水机组、冷却塔(风机)、冷却泵、冷冻泵全变频控制。
2. 监控主界面直观反映系统管路及设备的流程状况。同时显示了各个设备的主要参数，以便于操作人员直接查看和分析整个系统状况。
3. 群控系统可进行系统运行参数和设备控制参数的设置或修改，包括冷水温度及温差，冷却水温度及温差，机组负荷率区等，同时还可以对通讯参数、变送器参数、预警参数、报警参数进行设置。
4. 启停控制：根据在空调水系统管道上适当位置设置的温度、流量、压力（压差）传感器、冷水机组自身配置的温度、电流传感器以及由BAS系统读取的有关命令，控制冷水机组、冷却泵、冷冻泵、冷却塔(风机)、电动蝶阀等设备的顺序启停及自动加减机；或者根据最终用户排定的作息时间表，启停冷水机组、冷却泵、冷冻泵、冷却塔(风机)、电动蝶阀等设备。

冷水机组启动顺序为：

1. 选定冷水机组：控制程序首先依次判断机组是否处于停止状态，是否有故障信号，是否处于远程控制状态，并比较其已运行时间。选定处于停止状态，处于远程控制状态,没有故障,且运行时间相对较少的机组作为即将投入运行的机组。
2. 选定冷却塔：由于所有冷冻机组共用两根冷却水供回总管，所以控制程序要像选定主机那样对即将投入运行冷却塔进行选定。
3. 开冷却塔蝶阀(若有）：选定冷却塔后，系统发出开启该冷却塔进出水管上电动蝶阀的指令，当系统接收到两个电动蝶阀都正确打开的反馈后进行下一步，如果没有收到电动蝶阀的正确反馈，则系统认为该冷却塔不能使用，停止前面发出的所有设备动作指令，重新进行选定冷却塔的程序。
4. 开冷却水蝶阀：冷却塔蝶阀正确开启后，就开启冷冻机组和对应的冷却水泵的冷却水电动蝶阀。当系统接收到所有冷却水电动蝶阀都正确打开的反馈后进行下一步，如果没有收到， 则系统认为该冷冻机组不能使用，停止前面发出的所有设备动作指令后重新进行选定冷水机组的程序。
5. 开冷却水泵：冷却水电动阀正确开启后，系统发出指令开启对应的冷却水泵，系统收到冷却水泵运行正确反馈后，进行下一步。如果没有接收到冷却水泵运行反馈则认为对应的冷冻机组不能使用，停止前面发出的所有设备动作指令，重新进行选定冷水机组的程序。
6. 开冷却塔风机：当冷却水系统正常运行后，系统发出指令开启冷却塔风扇，系统收到冷却塔运行正确反馈后进行下一步，如果没有接收到冷却塔运行反馈则认为该冷却塔故障，然后停止前面发出的所有设备动作指令，重新进行冷却塔选定程序。
7. 开冷冻水蝶阀：冷却水泵正确开启后，就开启冷冻机组和对应的冷冻水泵的冷冻水电动蝶阀。当系统接收到全部冷冻水电动蝶阀都正确打开的反馈后进行下一步，如果没有收到， 则系统认为该冷冻机组不能使用，停止前面发出的所有设备动作指令后重新进行选定冷水机组的程序。
8. 开冷冻水泵：冷冻水电动阀正确开启后，系统发出指令开启对应的冷冻水泵，系统收到冷冻水泵运行正确反馈后进行下一步，如果没有接收到冷冻水泵运行反馈则认为对应的冷冻机组不能使用，停止前面发出的所有设备动作指令，重新进行选定冷水机组的程序。
9. 开冷水机组：冷冻水泵正确开启后，就发出开启冷冻机组指令。当系统接收冷冻机组正确运行的指令后完成该冷冻机组系统启动的全部步骤。，如果没有收到接收冷冻机组正确运行反馈，则系统认为该冷冻机组不能使用停止前面发出的所有设备动作指令后重新进行选定冷水机组的程序。

冷水机组停止顺序为：

1. 选定停止冷水机组：控制程序首先选定处运行状态、远程控制状态且运行时间相 对较多的机组作为即将停止运行的机组，然后发出停止机组的指令。
2. 关冷冻泵：在冷冻机组关闭，延时后关闭对应的冷冻水泵。
3. 关冷冻水蝶阀：在关闭冷冻水泵后关闭电动冷冻水阀。
4. 关冷却水泵：在冷冻机组关闭，延时后关闭对应的冷却水泵。
5. 关冷却水蝶阀：在关闭冷冻水泵后关闭电动冷却水阀。
6. 选定停止冷却塔风机：在冷却水泵关闭后，控制程序选定处运行状态、远程控制状态且运行时间相对较多的冷却塔并停止其运行。

1. 冷水机组台数控制：根据冷冻水供回水温度、流量状态和机组的运行状况，自动计算医院实际所需冷负荷量。根据实际所需冷负荷量，自动调整冷水机组运行台数，达到最佳节能的目的。

加机控制

当运行机组的负荷不能满足末端负荷需求或运行机组故障时，CSM会启动加机功能。此功能需同时满足以下三个条件：

1. 所有机组满负荷运行或接近最大负荷（此最大负荷是指当前流量下的最大负荷）；
2. 冷冻水总管供水温度大于<系统实际供水温度设定值> + <加机控制温差设定值>，同时回水温度大于<系统回水温度设定值>;
3. 以上条件1，2持续成立时间达到<台数控制时间设定值> 。

减机：

满足以下所有条件时，CSM启动第一次减机功能:

1. 正在运行的机组台数超过1；
2. 前运行机组流经旁通管的水流达到单台冷机设计流量的110%～120%，且持续时间达到设定时间值；
3. 以上条件需持续成立 <台数控制延迟时间>。

策略要点：

该控制策略提供机房系统的最优化启动、顺序启动及运行台数控制，以使机组总制冷量满足负荷端需求。该功能根据建筑负荷需求、机组状态及辅助设备状态等信息来判断机组是否投入运行。有软启动功能、首启末停机组设定、下一台启/停判定、系统冷冻水循环功能、机组限制启动功能等。根据末端负荷需求的增加/减少或旁通管流量变化，确定运行加/减机功能的最佳时机，减少机组浪费使用的状况发生。

控制策略任务:

• 计算下一台主机是否可以运行.当机房在允许状态且又无主机运行时进入循环运行确定下一步哪台开哪台关根据当前负荷作加减机运行在冷起动时作软启动

1. 冷却水温控制：根据冷却水温度，全部启用冷却填料，根据冷却塔出水温度及当前湿球温度，自动控制冷却塔风机的运行台数与频率，控制冷却水温度在设定范围内，保障冷却塔逼近度1.5℃以上，但又不高于4℃。为了充分利用冷机在低冷却水温下的高效率的优势，尽量使冷却水进水温度贴近机组当前的实际运行负荷要求所允许的最低冷却水进水温度，从而控制冷水机组的蒸发压力在最佳的范围内，以利用低冷却水温工况下的冷机的运行效率，大幅度降低能耗，实现节能的最终目的。
2. 开机的程序为：各电动阀开 →冷却塔风机启动 →冷却水泵启动（冷却水流水开关闭合）→冷水泵启动（冷水流水开关闭合）→(延时)主机启动。关机与上述顺序相反。而冷水泵、冷却水泵亦可手动单独投入运转。
3. 自定义工作表

用户可根据实际使用需求自定义作息时间表，用于实现系统的无人值守。同时，考虑到医院的负荷拥有明显的时段性（门诊非24h），系统开放了出水温度人工干预功能。利用不同负荷下对冷水温度需求不同的特点，对冷水温度进行调节，可大大减少主机运行能耗。

1. 冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷塔风机均衡磨损控制；系统检测各设备（主机、水泵、风机）的运行状态，并累计其运行时间，每次自动启动时，会根据各设备的运行时间长短进行排列，优先启动运行时间最短的设备，依次加载运行时间次短的设备。为保证系统稳定运行，在每次运行过程中，不会根据运行时间进行切换，而是在系统停止后，在下一次系统启动时，再次按照运行时间进行排列。
2. 群控具有远程通讯功能，采用通用的通信协议实现和现场机房群控系统和上位远程监控系统（楼宇BAS、企业EMS、云平台等）进行数据交换，实现远程对系统的操作、维护、管理。

安全保护

1. 冷水机组具有自保护功能，控制模块的自适应控制方式能自动正常运行且避免出现由于水温低负荷过低等非正常工况所引起停机，只有在非正常工况延续到超出保护极限时，机组才会停止运行。
2. 相关设备的开/保护控制：冷冻泵、冷却泵启动后，冷水机组自带的水流开关检测水流状态，如遇故障则群控系统自动停泵。
3. 关需经群控系统确认后才能开/关下一设备，如遇故障则群控系统自动停泵。
4. 故障报警：冷冻水和冷却水温度、压差超限报警，冷水机组、冷冻/冷却水泵、冷却塔(风机)故障过载报警。
5. 安全的事件处理策略

提供系统状态预警、故障报警功能，以确保系统的安全运行。完善的事件管理可实时记录系统预警和报警时间发生的时间，显示报警信息，便于操作者管理人员进行查看和处理。

末端群控保障

水冷精密空调机组由EC风机、表冷器、电动二通阀等主要部件组成。

1. 为实现对每台空调末端进行监控，需在改造每台水冷精密空调控制接口；
2. 精密空调智能控制设备需增一套送、回风传感器，实现对冷冻水量和送风量进行动态控制；
3. 精密空调智能控制设备据具备将精密空调运行状态上传至全局能效管理系统进行AI大数据分析，对制冷系统进行节能优化控制提供支持；
4. 当精密空调智能控制设备断电、断网时，保持精密空调运行状态不变，并能给出相关报警；
5. 在每个机房内设置一套末端群控柜，用于对同机房的多台精密空调进行优化群控。同时，作为本地查看和修改精密空调运行参数的终端。
6. 控制范围

1. 设定温度、设定湿度；
2. 开关状态；
3. 风机转速；
4. 送风、回风温度；
5. 水阀开度、阀门开度设定值；

后续...