M3-03 PUE测算与制冷优化实战
学习者：王鸿才 | 经验：近5年弱电 | 目标岗位：弱电智能化解决方案架构师（智算中心） 项目锚点：北京平谷智算数据中心（9120个6kW机柜） Day 13 | 模块3第3节 | 预计学习时长：4-5小时
本节学习地图
PUE公式详解
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政策要求与评级标准
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平谷项目完整PUE测算（手把手）
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北京气候与自然冷却策略
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制冷优化策略清单（量化效果）
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制冷系统N+1冗余设计
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模块3综合诊断（20-25题）
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模块3速记总卡
学习目标：
- 掌握PUE公式，能独立完成大型数据中心PUE测算
- 理解北京地区政策要求，知道平谷项目设计目标
- 能制定制冷优化方案，量化节能收益
- 完成模块3三节内容的系统复盘
一、PUE公式详解与分解
1.1 PUE是什么——从电费账单说起
想象你每个月的电费账单里，有一部分是电脑实际工作消耗的电，还有一部分是空调、风扇、照明等"为了让电脑好好工作"而消耗的电。
PUE（Power Usage Effectiveness） 就是衡量这个比例的指标：
数据中心总能耗（Total Facility Power）
PUE = ──────────────────────────────────────────
IT设备能耗（IT Equipment Power）
直觉理解：
- PUE = 1.5 → 你花了1.5度电，其中1度给IT设备干活，0.5度被"支持系统"消耗了
- PUE = 1.2 → 你花了1.2度电，其中1度给IT设备，0.2度被消耗
- PUE = 1.0 → 理想状态，所有电都给IT设备，没有任何支持消耗（理论极限，现实不存在）
1.2 分母拆解：IT设备能耗都包括什么
IT设备能耗（IT Equipment Power） = 服务器 + 网络设备 + 存储设备
IT设备能耗组成：
┌─────────────────┬──────────────────────────────────┐
│ 设备类型 │ 典型占比（按智算中心） │
├─────────────────┼──────────────────────────────────┤
│ 服务器（GPU/CPU）│ 85-90% │
│ 网络交换机 │ 5-8% │
│ 存储设备 │ 3-5% │
│ KVM/管理设备 │ 1-2% │
└─────────────────┴──────────────────────────────────┘
注意：IT设备能耗的测量点是PDU（机柜配电单元）的输入端，不是服务器铭牌额定功率。铭牌是峰值，实际负荷通常是铭牌的60-80%。
1.3 分子拆解：总能耗的六大组成部分
数据中心总能耗 = IT设备能耗 + 制冷系统能耗 + UPS损耗
+ 变压器损耗 + 照明能耗 + 辅助系统能耗
各项详解：
① IT设备能耗（占比约65-80%，目标越高越好）
- 服务器、交换机、存储等所有IT负载
- 这是"有用功"，PUE分母
② 制冷系统能耗（占比约15-25%，是降PUE的主战场）
- 精密空调（CRAC/CRAH）：压缩机 + EC风机
- 冷水机组（Chiller）：压缩机 + 冷凝器风机/冷却塔
- 冷却塔（Cooling Tower）：风机 + 水泵
- 冷冻水循环泵（Primary Pump + Secondary Pump）
- 冷却水循环泵
制冷系统能耗分解（典型传统水冷系统）：
┌──────────────────┬───────────────┬──────────────┐
│ 设备 │ 能耗占制冷总量 │ 优化重点 │
├──────────────────┼───────────────┼──────────────┤
│ 冷水机组压缩机 │ 55-65% │ 提高COP │
│ 冷冻水泵 │ 10-15% │ 变频+大温差 │
│ 冷却水泵 │ 8-12% │ 变频控制 │
│ 冷却塔 │ 8-12% │ 自然冷却替代 │
│ 精密空调风机 │ 8-15% │ EC风机 │
└──────────────────┴───────────────┴──────────────┘
③ UPS系统损耗（占IT能耗的2-6%）
- 传统UPS效率：92-95%（在线双变换模式）
- ECO模式UPS效率：98-99%
- 损耗 = IT能耗 × (1/效率 - 1)
- 例：IT=43.8MW，UPS效率96%，损耗 = 43.8 × (1/0.96-1) = 43.8 × 0.0417 ≈ 1.83 MW
④ 变压器损耗（占总负荷的1-1.5%）
- 10kV/0.4kV降压变压器的铁损+铜损
- 典型损耗率：1.0-1.5%（满载时铁损约0.5%，铜损约0.8%）
- 优化方向：选用SCB13及以上节能变压器
⑤ 照明能耗（占IT能耗的0.3-0.5%）
- 机房区域：LED感应照明，节能效果好
- 平时关灯，维护时按需开启
- 对PUE影响很小，但体现精细化管理水平
⑥ 辅助系统能耗（占IT能耗的0.5-1%）
- DCIM系统服务器
- 门禁、视频监控
- 通信设备
- 电梯（大型数据中心）
1.4 PUE三级测量精度（ITU-T L.1300标准）
为什么要分三个精度等级？
因为测量点不同，得到的PUE数字就不一样。比如：
- 在园区总变电站测量 → 包含了园区内所有非IT建筑的能耗 → PUE偏高
- 在机房PDU出口测量 → 只计算了进机柜的电 → PUE偏低
ITU-T L.1300（绿色数据中心标准）定义了三级：
┌──────┬────────────────────────────────────────┬─────────────────┐
│ 等级 │ 测量边界 │ 典型偏差 │
├──────┼────────────────────────────────────────┼─────────────────┤
│ PUE1 │ 最高精度：IT负载测到PDU插头级 │ 误差<1% │
│ │ 制冷测到每台设备出口 │ 需要大量传感器 │
├──────┼────────────────────────────────────────┼─────────────────┤
│ PUE2 │ 中级精度：IT负载测到机柜PDU进线 │ 误差2-5% │
│ │ 制冷按系统级计量 │ 最常用 │
├──────┼────────────────────────────────────────┼─────────────────┤
│ PUE3 │ 基础精度：IT负载测到UPS输出 │ 误差5-15% │
│ │ 制冷按总表估算 │ 快速粗估用 │
└──────┴────────────────────────────────────────┴─────────────────┘
实践建议：
- 政府报告、绿色认证：使用PUE2（业界通行）
- 精细化运营优化：建议PUE1
- 项目立项估算：PUE3即可
1.5 为什么PUE理论下限是1.0，实际不可能达到？
理论分析：
PUE = (IT能耗 + 非IT能耗) / IT能耗 = 1 + (非IT能耗 / IT能耗)
要使PUE=1.0，必须满足：非IT能耗 = 0
这意味着：
- 服务器不发热，不需要任何冷却 → 违反热力学第一定律（电能转换为热能是必然的）
- 电力传输零损耗 → 违反欧姆定律（电阻必然产生热损耗）
- 零照明、零管理系统 → 不可能运营
物理极限分析：
即使是最先进的液冷+超导输电数据中心：
- 冷却液泵送：至少消耗IT能耗的0.5-1%（流体力学必然能耗）
- 控制系统：至少消耗0.1-0.3%
- 理论最低PUE ≈ 1.006-1.013
目前全球最低PUE记录：
- Google某数据中心：PUE 1.06（芬兰，北极圈附近，大量利用冷海水）
- Meta数据中心（瑞典）：PUE 1.07
- 国内最优：约 PUE 1.09-1.12（内蒙古、贵州等气候优良地区）
▶ 本节2σ诊断
Q1（记忆层）：PUE公式的分子和分母各是什么？PUE=1.3意味着什么？
Q2（理解层）：为什么精密空调是降低PUE最重要的突破口，而不是UPS或照明？（提示：看各项能耗占比）
Q3（应用层）：某数据中心IT负荷10MW，UPS效率95%，制冷系统能耗3MW，变压器损耗0.15MW，照明+辅助0.08MW，请计算PUE。
Q3参考计算：总能耗 = IT(10) + UPS损耗(10×(1/0.95-1)=0.526) + 制冷(3) + 变压器(0.15) + 照明辅助(0.08) = 13.756 MW PUE = 13.756 / 10 = 1.376
二、政策要求与评级标准
2.1 国家级政策要求
工信部"十四五"规划核心要求：
新建大型数据中心（≥10万台服务器）：PUE ≤ 1.3
新建超大型数据中心（≥50万台服务器）：PUE ≤ 1.25
改造既有数据中心：逐步达到 PUE ≤ 1.4
2022年工信部等四部委联合文件（数据中心绿色低碳专项行动计划）：
- 到2025年，新建数据中心PUE ≤ 1.3（全国普遍要求）
- 重点地区（北京、上海、广州、深圳、杭州）：PUE ≤ 1.25
- 东数西算工程中西部节点：享受政策支持但需达到PUE ≤ 1.2
2.2 北京市地方标准（平谷项目直接适用）
DB11/T 1884-2021（北京市数据中心节能设计规范）：
┌──────────────────────────────┬──────────────────────┐
│ 数据中心类型 │ PUE要求 │
├──────────────────────────────┼──────────────────────┤
│ 新建大型数据中心 │ ≤ 1.25 │
│ 新建超大型数据中心 │ ≤ 1.20 │
│ 改建、扩建数据中心 │ ≤ 1.40 │
│ 获得绿色数据中心认证（三星） │ ≤ 1.20 │
└──────────────────────────────┴──────────────────────┘
平谷项目定性：9120个6kW机柜，总IT功率约43.8MW → 超大型数据中心 平谷项目PUE要求：≤ 1.20（北京超大型标准）
2.3 工信部绿色数据中心评价标准
《绿色数据中心评价规范》（GB/T 40709-2021）：
┌──────────┬────────────────┬────────────────────────┐
│ 评价等级 │ PUE要求 │ 其他关键指标 │
├──────────┼────────────────┼────────────────────────┤
│ 优秀级 │ ≤ 1.20 │ WUE≤1.0，REF≥15% │
│ 先进级 │ 1.20-1.30 │ WUE≤1.5，REF≥10% │
│ 达标级 │ 1.30-1.40 │ WUE≤2.0，REF≥5% │
└──────────┴────────────────┴────────────────────────┘
辅助指标说明：
- WUE（Water Usage Effectiveness）= 年用水量（升）/ IT设备能耗（度电），越低越好
- REF（Renewable Energy Factor） = 可再生能源占总用能比例，越高越好
2.4 世界顶级数据中心水平与技术路线对照
┌───────────────────┬──────────────────────┬────────────────────────────────┐
│ PUE水平 │ 代表数据中心 │ 主要技术路线 │
├───────────────────┼──────────────────────┼────────────────────────────────┤
│ 1.03 - 1.10 │ Google/Meta北欧设施 │ 液冷+自然冷却+绿电100% │
│ 1.10 - 1.15 │ 国内头部（腾讯贵安） │ 间接蒸发冷却+自然冷却+液冷 │
│ 1.15 - 1.20 │ 国内优秀（阿里张北） │ 氟泵自然冷却+行级空调+变频 │
│ 1.20 - 1.25 │ 北京新建项目目标 │ 高效冷水机+自然冷却+热通道封闭 │
│ 1.25 - 1.35 │ 国内平均水平 │ 传统精密空调+部分优化 │
│ 1.40 - 1.60 │ 老旧数据中心 │ 传统精密空调，无优化 │
│ > 2.0 │ 需淘汰/改造 │ 老旧机房，散热极差 │
└───────────────────┴──────────────────────┴────────────────────────────────┘
2.5 不同PUE目标对应的制冷方案选择
达到PUE 1.3-1.4（传统方案）：
- 机房级精密空调（CRAC）
- 定频控制，无自然冷却
- 普通风机，无热通道封闭
达到PUE 1.2-1.3（优化方案）：
- 行级精密空调或CRAH + 冷水机组
- 变频控制压缩机和水泵
- 热通道封闭
- 部分自然冷却（过渡季节）
达到PUE 1.1-1.2（先进方案）：
- 高效冷水机组（COP≥6）
- 全变频控制
- 自然冷却模块（冬季/过渡季）
- 间接蒸发冷却
- 完整热通道封闭
- EC风机
达到PUE ≤1.1（顶级方案）：
- 液冷（浸没式或冷板式）覆盖高密机柜
- 自然冷却为主，机械制冷为辅
- 100%可再生能源
- 地理位置在气候寒冷地区
▶ 本节2σ诊断
Q1（记忆层）：北京市对新建超大型数据中心的PUE要求是多少？依据哪个标准？
Q2（理解层）：为什么北京的PUE要求（1.25）比全国普遍要求（1.3）更严格？（从北京的城市定位和政策取向分析）
Q3（应用层）：平谷项目（9120台×6kW机柜）要获得工信部绿色数据中心"优秀级"认证，PUE需要达到多少？这对制冷方案有什么影响？
三、平谷项目PUE完整测算（手把手计算案例）
3.1 已知参数整理
基础数据：
┌────────────────────────────────┬────────────────────────────────┐
│ 参数项 │ 数值 │
├────────────────────────────────┼────────────────────────────────┤
│ 机柜数量 │ 9,120 个 │
│ 单机柜额定功率 │ 6 kW │
│ 平均利用率（假设） │ 80% │
│ IT设备实际总功率 │ 9120 × 6 × 80% = 43,776 kW │
│ │ ≈ 43.8 MW │
├────────────────────────────────┼────────────────────────────────┤
│ UPS效率（在线双变换） │ 96%（典型值） │
│ 变压器损耗率 │ 1.2%（SCB13节能型） │
│ 照明及辅助占IT比 │ 0.5% │
└────────────────────────────────┴────────────────────────────────┘
制冷系统参数（需要先估算，后面详细展开）：
- 制冷系统能耗 = IT设备能耗 × 制冷能耗系数（CRCP）
- CRCP取值范围：0.15（优秀）~ 0.40（传统）
- 暂用0.25作为优化后目标值
3.2 IT设备能耗计算（Step 1）
IT设备能耗 = 机柜数 × 单柜功率 × 利用率
= 9,120 × 6 kW × 80%
= 9,120 × 4.8 kW
= 43,776 kW
≈ 43.8 MW
记忆口诀：9120机柜 × 4.8 = 43776 kW，约43.8MW，大约是4.38万千瓦
3.3 制冷系统能耗估算（Step 2）
制冷系统由以下几个部分组成，分别估算：
3.3.1 冷水机组能耗
冷水机组制冷量需求：
制冷量 = IT散热量 + 其他热源散热量
≈ IT设备能耗 × 1.05（考虑机房内少量其他热源）
= 43,776 kW × 1.05
= 45,965 kW ≈ 46 MW（制冷量需求）
冷水机组能耗计算：
冷水机组COP（高效机组，12°C供水温度）≈ 6.0
冷水机组耗电 = 制冷量 / COP = 46,000 kW / 6.0 = 7,667 kW ≈ 7.7 MW
COP（Coefficient of Performance）= 制冷量 / 输入功率 COP=6意味着消耗1kW电，能搬运6kW的热量
3.3.2 冷冻水循环泵能耗
大温差设计：供/回水温度差 = 12°C（供）→ 22°C（回），温差10°C
冷冻水流量 = 制冷量 / (比热容 × 温差)
= 46,000 kW / (4.186 kJ/kg·°C × 10°C × (1kg/L) / 3600)
= 46,000 / (0.01163 kW/(L/h × °C) × 10°C)
简化计算：流量(L/s) = 制冷量(kW) / (4.186 × 温差)
= 46,000 / (4.186 × 10) = 1,099 L/s ≈ 3,955 m³/h
水泵扬程：约30m（大型中央冷冻水系统）
水泵功率 = ρ × g × Q × H / (3600 × η)
= 1000 × 9.8 × 3,955 × 30 / (3,600,000 × 0.8)
≈ 1,162,725 / 2,880,000 × 1000 kW
≈ 404 kW ≈ 0.4 MW
含冷却水泵：约 0.4 + 0.5 = 0.9 MW（冷却水流量更大，温差5°C）
简化记法：大型项目，泵组能耗约为冷机能耗的 10-15%
泵组能耗 ≈ 7.7 MW × 12% ≈ 0.9 MW（与上述详细计算吻合）
3.3.3 冷却塔能耗
冷却塔散热量 = 制冷量 + 冷水机组耗电（热量全部进冷却塔）
= 46,000 + 7,667 = 53,667 kW
冷却塔单位散热功耗：约4-6W/kW散热量（变频风机）
冷却塔能耗 = 53,667 × 5W/kW = 268,335 W ≈ 268 kW ≈ 0.27 MW
3.3.4 末端精密空调（CRAH）能耗
行级空调（CRAH）只有EC风机，无压缩机
单台CRAH容量：50 kW制冷量
所需台数（N）= 46,000 / 50 = 920 台（N+1后约1000台）
单台CRAH功率（EC风机）：约1.5 kW/台
CRAH总功率 = 1000 × 1.5 = 1,500 kW = 1.5 MW
3.3.5 制冷系统总能耗汇总
制冷系统总能耗：
┌──────────────────────┬──────────────┬──────────────┐
│ 子系统 │ 能耗（MW） │ 占制冷总量 │
├──────────────────────┼──────────────┼──────────────┤
│ 冷水机组 │ 7.7 │ 68.9% │
│ 泵组（冷冻水+冷却水）│ 0.9 │ 8.0% │
│ 冷却塔 │ 0.27 │ 2.4% │
│ 末端CRAH │ 1.5 │ 13.4% │
│ 其他（控制、辅助） │ 0.8 │ 7.2% │
├──────────────────────┼──────────────┼──────────────┤
│ 合计 │ 11.17 MW │ 100% │
└──────────────────────┴──────────────┴──────────────┘
制冷能耗系数验证：
CRCP = 制冷系统能耗 / IT能耗 = 11.17 / 43.8 = 0.255 ≈ 25.5%
（符合先进水平目标0.25，验证合理）
3.4 UPS系统损耗计算（Step 3）
UPS效率：96%（在线双变换模式，现代高效UPS）
UPS输入功率 = IT能耗 / UPS效率 = 43.8 / 0.96 = 45.625 MW
UPS损耗 = UPS输入功率 - IT能耗
= 45.625 - 43.8 = 1.825 MW ≈ 1.83 MW
直觉校验：UPS损耗 / IT能耗 = 1.83 / 43.8 = 4.17% → 对应96%效率的损耗率 (1/0.96-1=4.17%)，正确。
3.5 变压器损耗计算（Step 4）
变压器损耗率：1.2%（SCB13节能型干式变压器）
变压器总负荷 = IT能耗 + 制冷能耗 + UPS输入端以后的所有负荷
考虑实际，近似用总负荷的1.2%来计算：
粗估变压器总通过功率：
= IT能耗 + UPS损耗 + 制冷能耗 + 照明辅助
= 43.8 + 1.83 + 11.17 + 0.22（照明辅助，下一步算）
= 57.02 MW
变压器损耗 = 57.02 × 1.2% = 0.684 MW ≈ 0.68 MW
3.6 照明及辅助系统能耗计算（Step 5）
照明及辅助系统能耗 = IT能耗 × 0.5%
= 43.8 MW × 0.5%
= 0.219 MW ≈ 0.22 MW
3.7 汇总计算最终PUE（Step 6）
┌──────────────────────────────┬───────────────────────────────┐
│ 能耗项目 │ 能耗（MW） │
├──────────────────────────────┼───────────────────────────────┤
│ IT设备能耗（分母） │ 43.80 │
├──────────────────────────────┼───────────────────────────────┤
│ 制冷系统 │ 11.17 │
│ UPS损耗 │ 1.83 │
│ 变压器损耗 │ 0.68 │
│ 照明及辅助 │ 0.22 │
├──────────────────────────────┼───────────────────────────────┤
│ 非IT能耗合计 │ 13.90 │
├──────────────────────────────┼───────────────────────────────┤
│ 数据中心总能耗（分子） │ 43.80 + 13.90 = 57.70 MW │
├──────────────────────────────┼───────────────────────────────┤
│ PUE = 57.70 / 43.80 │ = 1.317 │
└──────────────────────────────┴───────────────────────────────┘
当前方案PUE ≈ 1.317，超出北京要求的1.20，需要优化！
3.8 优化路径：从1.317降到1.20
目标：PUE从1.317降至1.20 差距：(1.317 - 1.20) × 43.8 MW = 0.117 × 43.8 = 5.12 MW 需要节约
优化措施及节能量分析：
优化措施：
┌────────────────────────────────┬──────────────────────────┐
│ 优化措施 │ 节能量（MW） │
├────────────────────────────────┼──────────────────────────┤
│ ①冷水机组提供水温12°C→15°C │ 冷机COP从6.0→7.0 │
│ 能耗7.7→6.6 MW │ 节省 1.10 MW │
├────────────────────────────────┼──────────────────────────┤
│ ②冬季/过渡季自然冷却 │ 全年约30%时间可用 │
│ 年均节省冷机能耗30% │ 节省 7.7×30% = 2.31 MW │
│ （注：年均值，非实时） │ │
├────────────────────────────────┼──────────────────────────┤
│ ③UPS换ECO模式：96%→99% │ 损耗1.83→0.44 MW │
│ │ 节省 1.39 MW │
├────────────────────────────────┼──────────────────────────┤
│ ④变频水泵+大温差（优化泵组） │ 泵组0.9→0.6 MW │
│ │ 节省 0.30 MW │
├────────────────────────────────┼──────────────────────────┤
│ 合计节省（年均） │ ≈ 5.10 MW │
└────────────────────────────────┴──────────────────────────┘
优化后PUE估算：
优化后总能耗 = 57.70 - 5.10 = 52.60 MW
优化后PUE = 52.60 / 43.80 = 1.201 ≈ 1.20
结论：通过四项组合优化，平谷项目可以将PUE从1.317降至约1.20，满足北京超大型数据中心要求。
▶ 本节2σ诊断
Q1（记忆层）：平谷项目IT设备总功率是多少MW？记住关键数字：9120×6×80%=？
Q2（理解层）：在所有非IT能耗中，为什么制冷系统是最大的优化空间？制冷能耗约占IT能耗的多少百分比？
Q3（应用层）：如果将平谷项目的机柜利用率从80%提升到90%（IT负荷增大），PUE会升高还是降低？为什么？（提示：分子和分母如何变化？）
四、北京气候条件分析与自然冷却策略
4.1 北京全年气温分布
北京属于典型温带季风气候：夏热冬冷，四季分明，年均气温约13°C。
北京月均气温数据（历史统计）：
┌──────┬───────────┬──────────────┬──────────────────────────┐
│ 月份 │ 月均气温(°C)│ 月均湿球温度(°C)│ 制冷模式判断 │
├──────┼───────────┼──────────────┼──────────────────────────┤
│ 1月 │ -3.7 │ -5.5 │ ✅ 完全自然冷却 │
│ 2月 │ -1.0 │ -3.2 │ ✅ 完全自然冷却 │
│ 3月 │ 5.9 │ 2.8 │ ✅ 自然冷却为主 │
│ 4月 │ 14.5 │ 8.5 │ ✅ 自然冷却+少量机械制冷 │
│ 5月 │ 20.9 │ 14.2 │ ⚠️ 混合制冷 │
│ 6月 │ 25.5 │ 19.8 │ ❌ 机械制冷为主 │
│ 7月 │ 27.6 │ 23.5 │ ❌ 全机械制冷 │
│ 8月 │ 26.3 │ 22.1 │ ❌ 全机械制冷 │
│ 9月 │ 20.4 │ 15.2 │ ⚠️ 混合制冷 │
│ 10月 │ 13.1 │ 7.8 │ ✅ 自然冷却+少量机械 │
│ 11月 │ 4.2 │ 0.5 │ ✅ 自然冷却为主 │
│ 12月 │ -1.5 │ -3.8 │ ✅ 完全自然冷却 │
└──────┴───────────┴──────────────┴──────────────────────────┘
记忆口诀："北京一二三、十十一十二，六七八不行，四五九看情况"
4.2 自然冷却可用条件与判断依据
为什么用湿球温度而非干球温度？
湿球温度 = 考虑了空气湿度的等效温度
干球温度 = 我们日常说的"气温"，不考虑湿度
蒸发冷却效率取决于湿球温度，而非干球温度：
- 干热天气：干球30°C，湿球18°C → 蒸发冷却效果好
- 湿热天气：干球30°C，湿球28°C → 蒸发冷却效果差
自然冷却判断：室外湿球温度 vs 冷冻水供水温度
自然冷却启动条件（典型工程设计值）：
系统类型 | 启用自然冷却的湿球温度阈值
─────────────────────|─────────────────────────
传统冷水机（7°C供水） | 湿球温度 < 3°C（有防冻考虑）
高温冷水（12°C供水） | 湿球温度 < 8°C
高温冷水（15°C供水） | 湿球温度 < 11°C
液冷（30°C供水） | 湿球温度 < 26°C（大部分时间可用！）
这就是为什么液冷+高温冷水是节能利器：门槛更低，自然冷却可用时间更多。
4.3 北京全年自然冷却可用小时数估算
方法：统计湿球温度低于阈值的累积小时数
北京自然冷却可用时间（年）：
┌────────────────────────────┬─────────────────────────────┐
│ 冷水供水温度 / 阈值 │ 全年可用时间（小时/年） │
├────────────────────────────┼─────────────────────────────┤
│ 7°C供水（湿球<3°C阈值） │ 约 1,500-2,000 h/年（17-23%）│
│ 12°C供水（湿球<8°C阈值） │ 约 2,500-3,200 h/年（28-37%）│
│ 15°C供水（湿球<11°C阈值） │ 约 3,000-4,000 h/年（34-46%）│
│ 液冷30°C（湿球<26°C阈值） │ 约 6,000-7,000 h/年（68-80%）│
└────────────────────────────┴─────────────────────────────┘
注：全年8,760小时
结论：
- 传统冷水系统（7°C供水）：北京约 1700小时/年 可自然冷却，节能效果有限
- 高温冷水系统（12-15°C供水）：约 3000-4000小时/年，节能显著
- 液冷系统（30°C供水）：约 6500小时/年，全年大部分时间依靠自然冷却
4.4 三季制冷策略与切换逻辑
平谷项目全年四阶段制冷策略（高温冷水12°C方案）：
季节切换判断树：
室外湿球温度
|
┌──────────────┼──────────────┐
< 5°C 5-10°C > 10°C
| | |
完全自然冷却 混合制冷 机械制冷
（免费冷量） （氟泵+冷机） （冷机为主）
阶段一：冬季完全自然冷却（约11月下旬-3月中旬，~100天）
运行逻辑：
冷却塔 → 板式换热器 → 冷冻水 → 末端空调
（自然降温）
特点：
- 冷水机组完全停机（节省70%以上制冷能耗）
- 只有冷却塔风机、循环泵运行
- 节能率：相比夏季节省约80%制冷能耗
注意：需防冻保护（乙二醇加注或防冻阀）
阶段二：冬末春初/秋末冬初混合制冷（约3月/4月、10月/11月，~60天）
运行逻辑：
自然冷却 + 冷机少量补冷 协同运行
可节省约40-60%冷机运行时间
控制策略：
- 冷却塔优先，提供尽量多的自然冷量
- 冷机只在冷量不足时启动，部分负荷运行
- 总冷量 = 自然冷量 + 冷机冷量
阶段三：夏季全机械制冷（约6月-8月，~90天）
运行逻辑：完全依赖冷水机组
- 冷水机组满负荷运行
- 冷却塔辅助散热
- 此阶段PUE最高（约1.35-1.40）
优化手段：
- 夜间利用较低气温预冷
- 蒸发冷却增强冷却塔效率
阶段四：春夏/夏秋过渡期（约4月-5月、9月，~60天）
特点：
- 气温变化大，每日温差可达15°C
- 夜间可自然冷却，白天需机械制冷
- 自动控制系统按小时级切换
- 全天综合节能约30-40%
4.5 间接蒸发冷却（IEC）在北京的适用性分析
间接蒸发冷却（Indirect Evaporative Cooling）工作原理：
原理图：
室外热空气 → [喷淋水]蒸发降温 → 冷湿空气
室内回风 → 板式换热器 → 降温后供风
|
两路不混合（间接）
避免室内引入湿气
北京气候适用性评估：
┌──────────────────────┬──────────────────────────────────┐
│ 评估维度 │ 北京情况 │
├──────────────────────┼──────────────────────────────────┤
│ 干湿球温差 │ 年均较大（约4-6°C）→ 有利 │
│ 夏季湿球温度 │ 7月最高约24°C → 可用但效果有限 │
│ 冬季 │ 干燥寒冷 → 蒸发冷却效果最好 │
│ 年均蒸发冷却效率 │ 约65-75%（中等） │
│ 与机械制冷协同 │ 可大幅减少冷机启动时间 │
│ 防冻问题 │ 冬季需停止喷淋，切换干模式 │
└──────────────────────┴──────────────────────────────────┘
IEC在平谷项目中的应用建议：
- 适合场景：过渡季节（4-5月，9-10月），替代或减少冷机启动
- 预期效果：可将"自然冷却可用时间"增加约 500-800 小时/年
- 限制因素：北京7月湿球温度约23-24°C，IEC出风温度约25°C，仍需补充机械制冷
- 成本收益：IEC设备成本高，北京夏季效果有限，综合ROI约5-7年
- 最终建议：北京项目优先采用高效冷机+自然冷却，IEC作为辅助手段
▶ 本节2σ诊断
Q1（记忆层）：北京采用12°C高温冷冻水方案时，全年自然冷却可用时间约为多少小时？
Q2（理解层）：为什么液冷数据中心（30°C供水）在北京的自然冷却时间比传统冷水系统（7°C供水）多出约4000小时/年？
Q3（应用层）：平谷项目设计全年制冷策略，请说明冬季（1月）、过渡季（4月）、夏季（7月）分别采用哪种制冷模式，各需要开启哪些设备，冷水机组是否启动？
五、制冷优化策略清单（量化效果）
5.1 策略总览
优化层次：
第一层（设备选型优化）：高效压缩机、EC风机、节能变压器
第二层（系统参数优化）：提高冷冻水温度、增大温差、变频控制
第三层（运行策略优化）：自然冷却、热通道封闭、ECO模式
第四层（架构优化）：液冷替代风冷、模块化精密部署
5.2 策略一：提高冷冻水供水温度（7°C → 12°C）
原理：冷冻水温度越高，冷水机组与外部散热的温差越小，压缩机工作量越少。
热力学基础：
卡诺效率 = T_cold / (T_hot - T_cold)
T_cold越高（供水温度升高），COP越高
COP提升估算：
供水温度每提升1°C，COP约提升2-3%（冷机标称值）
实际效果：
┌──────────────┬────────────┬──────────────────────────┐
│ 供水温度 │ 典型COP │ 相对节能量 │
├──────────────┼────────────┼──────────────────────────┤
│ 7°C（传统） │ 约 4.5-5.0 │ 基准 │
│ 10°C │ 约 5.5-5.8 │ 节能约 15-18% │
│ 12°C（推荐） │ 约 5.8-6.2 │ 节能约 20-25% │
│ 15°C（高温） │ 约 6.5-7.0 │ 节能约 30-35% │
└──────────────┴────────────┴──────────────────────────┘
量化效果：供水温度从 7°C→12°C，冷机节能约 22-25%
限制条件：
- 需要验证服务器进风温度限制（ASHRAE A2类：≤35°C进风）
- 供水12°C，到机柜时可能回水22°C，末端CRAH出风约18-20°C，机柜进风约24°C → 满足要求
- 需重新核算末端空调容量（高温冷水下换热效率略降）
北京项目应用：推荐 12°C 供水温度，是北京高密度智算中心的主流选择。
5.3 策略二：增大供回水温差（5°C → 10°C）
原理：温差加大，相同制冷量下，水流量减小，泵的功耗降低。
水泵功耗 ∝ 流量 × 扬程
流量 ∝ 制冷量 / 温差
温差2倍 → 流量减半 → 泵功耗约减少 50% × (效率修正)
实际水泵节能量：
温差 5°C → 10°C，流量减少 50%
泵功耗 = Q × H / η （Q流量减半，H扬程因流速降低也略降）
实际节能约 40-45%（扬程轻微降低抵消部分）
量化效果：
- 冷冻水泵节能约 40-45%
- 对整个制冷系统节能贡献约 4-6%（因为泵耗占制冷总耗约10-12%）
- 对PUE贡献：降低约 0.01-0.015
实施条件：
- 末端CRAH需要能接受更低的冷冻水进水量（高温差盘管设计）
- 水力平衡设计要求更高（大温差系统需精细调试）
- 变频控制必须配套
5.4 策略三：变频控制压缩机和水泵
原理：水泵、风机是典型的变流量设备，功耗与转速的三次方成正比。
水泵/风机功耗定律：
P ∝ n³ (n = 转速)
转速降低10% → 功耗降低 1 - 0.9³ = 1 - 0.729 = 27.1%
转速降低20% → 功耗降低 1 - 0.8³ = 1 - 0.512 = 48.8%
转速降低30% → 功耗降低 1 - 0.7³ = 1 - 0.343 = 65.7%
变频控制的具体应用：
┌──────────────────┬────────────────┬────────────────────────┐
│ 设备 │ 变频节能量 │ 控制逻辑 │
├──────────────────┼────────────────┼────────────────────────┤
│ 冷冻水一级泵 │ 20-30% │ 按差压控制转速 │
│ 冷冻水二级泵 │ 30-45% │ 按末端压差控制 │
│ 冷却水泵 │ 15-25% │ 按冷却水温控制 │
│ 冷却塔风机 │ 25-40% │ 按出水温度控制 │
│ CRAH风机（EC） │ 30-50% │ 按机柜温度控制 │
│ 冷水机压缩机 │ 15-25%（部分负荷）│ 按冷量需求控制 │
└──────────────────┴────────────────┴────────────────────────┘
量化效果：全变频系统相比定频系统，制冷系统整体节能 25-35%
5.5 策略四：热通道封闭方案
原理类比：
不封闭热通道：
冷风 → [服务器] → 热风
冷风 ←──混合──← 热风
（冷热气流混合，空调需要更大风量和更低温度才能保持机柜凉快）
封闭热通道：
冷风专用通道（冷通道）→ [服务器] → 热风专用通道（热通道）
空调精准回收热气，避免冷热混合
（就像办公楼的新风系统，送风回风分开走，效率更高）
热通道封闭效果：
指标改善：
┌──────────────────────┬──────────────────────────────┐
│ 指标 │ 改善幅度 │
├──────────────────────┼──────────────────────────────┤
│ 空调冷量利用效率 │ 提升 30-50% │
│ 机柜进风温度均匀性 │ 温差从±5°C降至±1°C │
│ 可支持的机柜密度 │ 从4kW提升到6-8kW │
│ 空调设备数量 │ 减少约 20-30% │
│ 对PUE贡献 │ 降低约 0.03-0.05 │
└──────────────────────┴──────────────────────────────┘
量化效果：热通道封闭使制冷效率提升 30-50%，可减少约 25%的空调设备数量
平谷项目应用：
- 9120个6kW高密度机柜，热通道封闭是必须选项
- 配合行级空调（CRAH），形成完整的热通道回风方案
5.6 策略五：精密空调EC风机
EC风机 vs 传统AC风机对比：
┌──────────────────┬──────────────────┬──────────────────┐
│ 指标 │ 传统AC风机 │ EC风机 │
├──────────────────┼──────────────────┼──────────────────┤
│ 效率（最高点） │ 55-65% │ 75-85% │
│ 变速控制 │ 分档（高中低） │ 无级变速 │
│ 部分负荷效率 │ 急剧下降 │ 高效区间宽 │
│ 噪音（额定） │ 65-70 dB │ 60-65 dB │
│ 维护成本 │ 有碳刷，需维护 │ 无刷，免维护 │
│ 初始成本 │ 低 │ 高出约30-50% │
└──────────────────┴──────────────────┴──────────────────┘
量化效果：EC风机比普通AC风机节能 30-40%
计算示例（平谷项目）：
1000台CRAH，单台风机功率1.5kW（AC）→ 总风机功率 1500 kW
换EC风机后功率降低35%：1500 × (1-35%) = 975 kW
节省：525 kW ≈ 0.5 MW（持续性节省，全年约 437万度电）
5.7 策略六：利用自然冷却（全年综合效果）
量化计算（北京平谷，12°C高温冷水方案）：
基准：全年8760小时全机械制冷
冷机全年能耗（基准）= 7.7 MW × 8760 h = 67,452 MWh
实际运行：
- 冬季完全自然冷却（约2000 h/年）：冷机能耗 = 0
- 过渡季混合（约1500 h/年）：冷机在50%负荷运行，能耗 = 7.7×50%×1500 = 5,775 MWh
- 夏季全机械（约3500 h/年）：冷机满负荷，能耗 = 7.7×3500 = 26,950 MWh
- 其他季节（约1760 h/年）：平均70%负荷，能耗 = 7.7×70%×1760 = 9,494 MWh
全年实际冷机能耗 = 0 + 5,775 + 26,950 + 9,494 = 42,219 MWh
节省量 = 67,452 - 42,219 = 25,233 MWh
节能率 = 25,233 / 67,452 = 37.4%
量化效果：北京项目利用自然冷却，全年节省冷机能耗约 35-40%
5.8 策略七：UPS ECO模式
ECO模式工作原理：
传统在线双变换（Online Double Conversion）：
市电 → [整流器] → 直流母线 → [逆变器] → 负载
↑
（始终通过逆变器）
效率：约94-96%（每次转换都有损耗）
ECO模式（Economy Mode）：
市电 → [旁路] → 负载（正常时直通，效率99%）
同时 → 逆变器保持热备用（切换时间<2ms）
效率：约98-99%
切换时机：检测到市电异常（电压偏差>±10%，频率偏差>±0.5Hz）
→ 自动切回在线模式，切换时间<2ms，负载无感知
量化效果对比：
UPS效率：96% vs 99%
损耗率：4.17% vs 1.01%
IT负荷43.8MW情况下：
在线模式损耗：43.8 × 4.17% = 1.83 MW
ECO模式损耗：43.8 × 1.01% = 0.44 MW
节省：1.83 - 0.44 = 1.39 MW（全年约 1218万度电）
ECO模式风险评估：
- 对电能质量要求高的场所（如精密仪器），不建议使用
- 数据中心IT设备：对2ms切换时间不敏感，可以使用ECO模式
- 需要市电质量较好（北京工业园区供电质量通常满足条件）
5.9 优化策略综合汇总
制冷优化策略综合效果表：
┌────┬──────────────────────────┬──────────────────┬────────────────────┐
│ 序号│ 优化策略 │ 节能效果 │ 对PUE贡献（降低值）│
├────┼──────────────────────────┼──────────────────┼────────────────────┤
│ 1 │ 供水温度7°C→12°C │ 冷机节能22-25% │ -0.03 to -0.04 │
│ 2 │ 供回水温差5°C→10°C │ 水泵节能40-45% │ -0.01 to -0.015 │
│ 3 │ 全变频控制 │ 制冷系统节能25-35%│ -0.03 to -0.04 │
│ 4 │ 热通道封闭 │ 制冷效率提升30-50%│ -0.03 to -0.05 │
│ 5 │ EC风机替代普通风机 │ 风机节能30-40% │ -0.01 to -0.015 │
│ 6 │ 自然冷却（北京气候） │ 年均冷机节能35-40%│ -0.04 to -0.06 │
│ 7 │ UPS ECO模式 │ UPS损耗减少75% │ -0.02 to -0.03 │
├────┼──────────────────────────┼──────────────────┼────────────────────┤
│ │ 叠加效果（合理组合） │ │ 从1.32→1.18-1.22 │
└────┴──────────────────────────┴──────────────────┴────────────────────┘
注：各项措施间有协同效果，叠加节能量需避免重复计算
▶ 本节2σ诊断
Q1（记忆层）：供水温度每提高1°C，冷机COP约提升多少百分比？EC风机比普通风机节能多少？
Q2（理解层）：为什么水泵的节能效果遵循"三次方定律"，而不是线性关系？这对变频控制的节能价值意味着什么？
Q3（应用层）：某项目当前PUE=1.40，IT负荷20MW，冷机效率低（COP=4.0，7°C供水），无变频，无热通道封闭。请列出优先级最高的3项优化措施，并估算优化后能达到的PUE。
六、制冷系统N+1冗余设计（GB50174 A级要求）
6.1 A级机房制冷系统冗余要求
GB50174-2017《数据中心设计规范》A级要求：
A级机房制冷系统要求：
┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 1. 冷冻水主机（冷水机组）：N+1配置（N≥2） │
│ 2. 冷冻水泵：N+1配置（一备一用为基础） │
│ 3. 冷却水泵：N+1配置 │
│ 4. 冷却塔：N+1配置（或2N，视总体架构） │
│ 5. 末端精密空调：N+1配置 │
│ 6. 制冷系统应能在任一台设备故障时继续运行 │
│ 7. 主要制冷管路：采用环形管路，单端故障不影响整体 │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘
规范原文精华（第8.4条）：
"A级数据中心的冷冻水系统冷水机组不应少于2台，并应按N+1冗余配置。"
6.2 N+1冗余的含义与工作逻辑
什么是N+1？
N+1 冗余设计：
- N台设备：正常运行中全部工作，共同承担满负荷
- +1台设备：处于热备用状态（热备 = 随时可以接管）
- 任意1台故障：+1台自动接管，N-1台继续工作，系统满载运行
- 系统容量：N+1台总容量 ≥ 满负荷需求
注意：N不等于"N台满负荷，一台备用"！
正确理解：N+1台共同分担负荷，各台运行在 N/(N+1) 的负荷率上
举例说明：
案例：制冷量需求 = 40MW，选用 10MW/台冷机
N+1方案：
- 冷机台数：N=4台，+1=1台，共5台
- 正常运行：5台全开，各承担 40/5 = 8MW（负荷率80%）
- 故障切换：1台故障，4台承担 40/4 = 10MW（负荷率100%，仍满足需求）
- 验证：N+1 ≥ 满负荷 → 5台×10MW = 50MW ≥ 40MW ✓
2N方案（对比）：
- 冷机台数：N=4台，2N=8台
- 正常运行：可以只开4台，4台备用
- 故障切换：4台全部故障，另4台接管
- 成本：是N+1的约1.6倍（多1台变多4台）
6.3 精密空调台数计算：确定N，再+1
计算步骤：
Step 1：确定制冷量需求
平谷项目：
IT总热量 ≈ IT功率（电→热几乎100%转化）= 43,776 kW = 43.8 MW
考虑安全系数（机房内其他热源、管路热损失）：
设计制冷量 = 43.8 × 1.05 = 45.97 MW ≈ 46 MW
Step 2：确定单台空调制冷量
行级精密空调（CRAH）选型：
标准型：制冷量 50 kW/台（适合行级部署，配12°C冷冻水）
高效型：制冷量 80 kW/台（适合高密度区域）
本项目选用 50 kW/台（行级部署，每排机柜1台）
Step 3：计算N值
N = 设计制冷量 / 单台制冷量（向上取整）
N = 46,000 kW / 50 kW = 920 台
取整：N = 920 台（正好整除）
Step 4：N+1台数确定
在A级机房中，N+1通常指整个制冷区域的备用比例：
方案一：每20台设1台备用（5%备用）
方案二：每列机柜额外设1台备用空调
方案三：按机房分区，每个分区N+1
平谷项目推荐方案：
按分区部署，每个分区20台CRAH，其中1台热备
总台数 = 920 × (21/20) = 966 台 ≈ 970 台
对比基准：不冗余需920台，N+1需约970台，增加约5%
6.4 冷机N+1 vs 2N的选择依据
选择矩阵：
┌──────────────────────┬────────────────┬─────────────────────┐
│ 选择依据 │ N+1推荐 │ 2N推荐 │
├──────────────────────┼────────────────┼─────────────────────┤
│ 机房等级 │ A级（标准） │ A级（特高可靠性） │
│ IT系统容错能力 │ IT自身有冗余 │ IT无冗余，不能中断 │
│ 制冷中断容忍时间 │ 30分钟内可接受 │ 零中断 │
│ 投资预算 │ 有限 │ 充裕 │
│ 空间限制 │ 机房面积有限 │ 空间充裕 │
│ 维护管理模式 │ 在线运行维护 │ 切换维护 │
│ 适用数据中心类型 │ 通用智算中心 │ 金融核心/政府关键 │
└──────────────────────┴────────────────┴─────────────────────┘
平谷项目（9120台6kW智算中心）推荐：
冷水机组：N+1（N=4台，每台12MW，共5台）
理由：
1. AI训练任务可容忍短暂中断（任务可重启）
2. 2N方案初投资增加约1.5-2亿元
3. 后期运营能耗增加（多台冷机空置运行）
4. GB50174 A级要求N+1即可满足
末端空调（CRAH）：N+1（按分区）
理由：
末端故障影响局部机柜，热备切换时间<30s，可接受
6.5 冷冻水环路冗余设计
A级机房冷冻水管路要求：
典型双环路设计：
┌─────────────────┐
冷机1 ──┬─── 供水主环路1 ───┬─── 机房A ─┐
冷机2 ──┤ ├─── 机房B ─┤
冷机3 ──┤ 供水主环路2 ─┤─── 机房C ─┤
(N+1) └─────────────────┘ │
│
冷机1 ──┬─── 回水主环路1 ───┬──────────┘
冷机2 ──┤ ├
冷机3 ──┴─── 回水主环路2 ───┘
优点：任一段管路故障，可通过环路切换维持供冷
阀门控制：关键节点设电动阀，DCIM自动控制
▶ 本节2σ诊断
Q1（记忆层）：N+1冗余中，N台设备正常运行时，每台的负荷率是多少？（以N=4为例）
Q2（理解层）：为什么A级机房选择N+1而不一定要2N？什么情况下才需要2N冗余？
Q3（应用层）：平谷项目制冷量需求46MW，选用12MW/台的冷水机组，请计算：①N的最小值，②N+1方案需要几台冷机，③2N方案需要几台冷机，④两方案的成本差异（假设每台冷机800万元）。
Q3参考答案： ① N最小值：46/12 = 3.83，向上取整 → N = 4台（4台满负荷 = 48MW > 46MW） ② N+1方案：4+1 = 5台，总容量60MW，备用率30% ③ 2N方案：4×2 = 8台，总容量96MW，备用率109% ④ 成本差异：(8-5) × 800万 = 2400万元
七、模块3综合诊断
覆盖M3-01（制冷原理）、M3-02（液冷技术）、M3-03（PUE测算）三节全部内容 评测说明：先不看答案，独立作答；完成后对照答案自评；错题标注，重点复习。
A组：填空题（关键数值记忆）
A-01：PUE公式：PUE = _____ / IT设备能耗
A-02：北京市DB11/T 1884-2021标准要求新建超大型数据中心PUE ≤ _____
A-03：工信部绿色数据中心"优秀级"要求PUE ≤ _____
A-04：平谷项目IT总功率：9120台 × 6kW × 80% = _____ MW
A-05：冷水机组的COP（性能系数）= _____ / 输入功率
A-06：供水温度从7°C提高到12°C，冷机COP约提升 _____
A-07：北京采用12°C高温冷水方案，全年自然冷却可用时间约 _____ 小时/年
A-08：UPS ECO模式效率约达到 _____，比在线双变换模式提升约 _____
A-09：EC风机比传统AC风机节能约 _____
A-10：N+1冗余方案中，N=4台时，每台设备的正常运行负荷率是 _____（以满足满负荷为前提）
A-11：GB50174 A级机房要求冷水机组不少于 _____ 台，采用 _____ 冗余
A-12：浸没式液冷的PUE可达到 _____，比传统风冷低 _____
A-13：水泵功耗与转速的关系：P ∝ n _____（幂次）
A-14：热通道封闭可使制冷效率提升 _____ %
B组：判断题（判断对错并说明理由）
B-01：PUE=1.0表示数据中心制冷系统效率达到100%，是完美的设计目标。（ ）
B-02：提高冷冻水供水温度有利于降低PUE，但需要验证服务器能否适应更高的进风温度。（ ）
B-03：UPS ECO模式效率更高，因此对于所有类型数据中心都应该默认开启ECO模式。（ ）
B-04：冷板式液冷和浸没式液冷都不需要任何空调系统，可以完全取消机房空调。（ ）
B-05：增大冷冻水供回水温差可以减少水泵能耗，同时不影响冷水机组的能耗。（ ）
B-06：北京冬季室外温度很低，因此北京数据中心在冬季制冷成本接近零。（ ）
B-07：N+1冗余方案中，N台设备的总容量必须等于系统满负荷需求（不能超过）。（ ）
B-08：PUE3（基础精度测量）测得的PUE值通常低于PUE1（最高精度）测得的值。（ ）
C组：计算题
C-01（基础计算）： 某数据中心有500个8kW机柜，机柜利用率75%。 制冷系统能耗为IT能耗的28%，UPS效率95%，其他损耗按IT能耗的2%计算。 请计算：①IT总功率；②PUE值；③如果UPS换成ECO模式（效率99%），PUE降低多少？
C-02（中级计算）： 北京某数据中心，IT功率20MW，当前PUE=1.35。 制冷系统能耗分解：冷机6MW，水泵1.5MW，末端空调1.2MW，其他0.3MW（合计9MW）。 已知：供水温度7°C，无变频，无自然冷却。 请估算：实施"供水温度12°C+全变频+自然冷却"后的新PUE。
C-03（综合计算）： 平谷项目（43.8MW IT，PUE=1.317）要申请工信部绿色数据中心"优秀级"认证。 优秀级要求PUE≤1.20。 请计算：①需要从哪些方面削减能耗；②各项措施的节能量；③最终验证能否达到PUE≤1.20。
D组：设计题（给场景选方案）
D-01（制冷方案选型）： 某新建智算中心，位于内蒙古，全年约5000小时室外温度低于5°C，年均气温约4°C，IT规模30MW，机柜密度8kW/柜。目标PUE≤1.15。 请推荐制冷方案，说明：①主制冷方式；②自然冷却方案；③是否引入液冷；④预期PUE估算。
D-02（PUE优化方案）： 某既有数据中心，IT功率10MW，当前PUE=1.55，位于北京，冷冻水系统老旧（7°C供水，定频泵，传统AC风机），无热通道封闭，UPS采用在线双变换（效率92%）。 运营方要求改造后PUE≤1.30，改造预算1000万元。 请设计改造方案：①按节能效果排序的改造项目；②各项成本估算；③优先实施哪几项能在1000万预算内达标。
D-03（冗余方案设计）： 某A级数据中心，IT制冷量需求30MW，要求符合GB50174 A级冗余要求，同时要求运营PUE≤1.25。 现有两个方案： 方案A：选用6台6MW冷机（N=5，N+1） 方案B：选用6台6MW冷机（N=3，2N） 请分析：①两方案是否都满足A级要求；②哪个方案更有利于降低PUE；③推荐选哪个方案并说明理由。
E组：综合应用题
E-01（制冷原理综合）： 请用一段话解释：为什么液冷数据中心比风冷数据中心更容易达到低PUE？从换热效率、自然冷却可用性、冷却塔负担三个维度分析。
E-02（北京地区综合）： 请为平谷项目设计一套完整的"全年自动化制冷切换策略"，包括： ①触发条件（温度阈值）；②三种模式的运行设备清单；③自动控制逻辑描述；④预期全年节能效果。
参考答案
A组答案：
- A-01：数据中心总能耗
- A-02：1.20
- A-03：1.20
- A-04：43.8 MW
- A-05：制冷量
- A-06：约22-25%
- A-07：约3000-3200小时
- A-08：98-99%；约2-3个百分点（效率提升），损耗减少约75%
- A-09：约30-40%
- A-10：80%（4/5 = 80%，每台承担满负荷的80%）
- A-11：2台；N+1
- A-12：PUE约1.05-1.10；比风冷低约0.1-0.2
- A-13：三次方（P ∝ n³）
- A-14：30-50%
B组答案：
- B-01：错误。PUE=1.0是理论下限，物理上不可能实现，因为制冷和输电必然有能量损耗。
- B-02：正确。提高供水温度提升COP，但需要验证ASHRAE热指南（进风≤35°C）。
- B-03：错误。ECO模式适合电能质量好的环境；对市电质量差或有精密仪器的场所，应保持在线模式。
- B-04：错误。冷板式液冷只处理CPU/GPU等高热密度部件，其他部件（存储、交换机等）仍需空调冷却；浸没式液冷才能基本消除空调需求，但机房通道和人员区域仍需少量空调。
- B-05：错误。增大温差减少流量，可降低水泵能耗；但对冷水机组能耗基本无影响（冷机能耗主要由制冷量和供水温度决定）。题目说"不影响冷机能耗"是正确的，但说"同时不影响"暗示两者完全独立，是一种误导表述，需要理解温差变化的完整影响链。
- B-06：基本正确但需补充。北京冬季可以自然冷却，但并非"接近零"——冷却水泵、冷却塔风机仍需运行，只是节省了压缩机能耗（占制冷总能耗约60%）。防冻措施也需要额外消耗。
- B-07：错误。N台设备的总容量必须"大于或等于"满负荷需求，不是等于。实际上N+1方案中N台满负荷能满足需求，+1台是备用。
- B-08：一般来说正确。PUE3测量边界大（从园区总表到IT设备），包含更多设备能耗，数值通常更高。PUE1精确到PDU级，数值更准确（通常更低）。但答案因项目而异。
C-01参考答案：
① IT总功率 = 500 × 8kW × 75% = 3,000 kW = 3 MW
② 制冷能耗 = 3 × 28% = 0.84 MW
UPS损耗 = 3 × (1/0.95-1) = 3 × 0.0526 = 0.158 MW
其他损耗 = 3 × 2% = 0.06 MW
总能耗 = 3 + 0.84 + 0.158 + 0.06 = 4.058 MW
PUE = 4.058 / 3 = 1.353
③ ECO模式 UPS损耗 = 3 × (1/0.99-1) = 3 × 0.0101 = 0.030 MW
节省 = 0.158 - 0.030 = 0.128 MW
新总能耗 = 4.058 - 0.128 = 3.930 MW
新PUE = 3.930 / 3 = 1.310
PUE降低：1.353 - 1.310 = 0.043
八、模块3速记总卡
一页纸速记版，覆盖M3-01/M3-02/M3-03所有核心内容
核心公式速记
┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 核心公式 │
├──────────────────────────────────────────────────────────┤
│ PUE = 总能耗 / IT能耗 下限1.0，实际最低约1.06 │
│ COP = 制冷量 / 输入功率 越大越省电 │
│ 水泵功耗 P ∝ n³ 转速降10% 省27% │
│ EER = 制冷量(W) / 功耗(W) 空调效率指标 │
│ WUE = 年用水量(L) / IT能耗(kWh) 越低越环保 │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘
PUE政策要求速记
全国新建大型：≤1.3
重点城市：≤1.25（包括北京）
北京超大型（本项目）：≤1.20 ← 平谷项目设计目标
工信部优秀级：≤1.20
世界顶级：≤1.10（液冷+自然冷却）
DB11/T 1884-2021（北京市）
GB/T 40709-2021（工信部绿色评价）
GB50174-2017（数据中心设计规范，冗余要求）
平谷项目关键数字
┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 9120台 × 6kW × 80% = 43,776 kW ≈ 43.8 MW（IT负荷） │
│ 制冷需求 ≈ 46 MW（含余量） │
│ 冷机选型：4台×12MW = 48MW（N+1后5台） │
│ CRAH：920台（N+1后约970台，每台50kW） │
│ 测算PUE = 1.317（优化前），目标 ≤ 1.20 │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘
制冷方案对比速记（M3-01）
冷却介质 适合功率密度 PUE水平
风冷 空气 < 8kW/柜 1.25-1.40
冷水 冷冻水 8-20kW/柜 1.15-1.30
冷板液冷 液体（局部）20-50kW/柜 1.10-1.20
浸没液冷 液体（全浸）> 50kW/柜 1.05-1.10
液冷关键参数（M3-02）
冷板液冷：
- 冷板覆盖：CPU/GPU，散热量占50-70%
- 余热需空调：存储、网卡、主板等
- 供液温度：35-45°C
- CDU（制冷分配单元）：冷板液冷必配
浸没液冷：
- 介质：氟化液（3M Novec）或矿物油
- 全浸，无需空调（除通道区）
- 供液温度：40-50°C
- 维护特殊：需氟化液回收设备
液冷 vs 风冷 vs 冷水：
自然冷却可用时间：液冷(68-80%) > 冷水高温(34-46%) > 冷水传统(17-23%)
PUE优化策略速记（M3-03）
七大措施+量化效果：
1. 供水温度 7→12°C：冷机节能 22-25%
2. 温差扩大 5→10°C：水泵节能 40-45%
3. 全变频控制：制冷系统节能 25-35%
4. 热通道封闭：制冷效率提升 30-50%
5. EC风机：节能 30-40%（vs AC风机）
6. 自然冷却（北京）：年均冷机节能 35-40%
7. UPS ECO模式：损耗减少 75%（96%→99%）
北京气候速记
完全自然冷却月：1、2、3、11、12月（湿球<5°C）
混合制冷月：4、5、9、10月
全机械制冷月：6、7、8月
12°C高温冷水全年自然冷却：约3000-3200小时/年（≈34%时间）
液冷30°C冷水全年自然冷却：约6000-7000小时/年（≈70%时间）
N+1冗余速记
A级要求：冷机 N+1（N≥2），末端空调 N+1
N+1：N台工作，1台热备，总容量≥满负荷，每台运行在N/(N+1)负荷率
2N：两套完整系统，一套备用，容量100%冗余
选N+1：一般智算中心，成本优先，AI任务可重启
选2N：金融/政府，零中断要求，预算充足
平谷项目选：N+1（N=4台冷机，5台合计）
易混淆点清单
① PUE1/PUE2/PUE3是测量精度级别，不是PUE的数值大小
② COP是制冷量/输入功率（>1，越大越好）
EER是制冷量/功耗，与COP相似但单位不同
③ 供水温度"高"（12°C）比"低"（7°C）更节能（直觉容易搞反）
因为温度差小 → 压缩机做功少 → COP高
④ N+1中N台的总容量=满足负荷需求，+1台是额外备用
不是"N台无法满足，需要+1台才够"
⑤ 湿球温度 ≠ 干球温度（气温）
自然冷却判断用湿球温度，考虑了湿度的蒸发冷却能力
⑥ 液冷不能完全取消空调（冷板式液冷仍需处理余热）
⑦ PUE越低越好，WUE（用水）越低越好，REF（可再生能源）越高越好
模块3知识图谱
制冷系统（M3核心）
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制冷原理（M3-01） 液冷技术（M3-02） PUE测算（M3-03）
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风冷 水冷 冷板式 浸没式 测算方法 优化策略
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CRAC CRAH CDU设计 液体选型 政策要求 N+1设计
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冷水机 北京气候
| 自然冷却策略
自然冷却
一口气背诵版（考前5分钟）
PUE = 总/IT，下限1.0，北京超大型≤1.20
平谷：9120×6×80%=43.8MW，测算1.317，优化到1.20
七个优化：
高温冷水（省冷机22%）、大温差（省泵40%）、变频（省25%）
热通道封闭（效率+30%）、EC风机（省30%）
自然冷却（北京省35%）、ECO模式（损耗减75%）
A级冷机：N+1（N≥2），CRAH：N+1
北京自然冷却：12°C方案约3000h/年，液冷约6500h/年
液冷PUE：冷板1.10-1.20，浸没1.05-1.10，优于风冷1.25-1.40
COP越高越省电（供水温度高，COP高）
P∝n³（转速降一成，电耗少二七）
附录：常用单位换算与概念索引
功率单位
1 MW（兆瓦）= 1,000 kW（千瓦）= 1,000,000 W（瓦）
1 kW·h（度电）= 1 kW × 1 h（1千瓦设备运行1小时的用电量）
43.8 MW运行1小时 = 43,800 度电
43.8 MW全年（8760h）= 43.8 × 8760 = 383,688 MWh ≈ 3.84亿度电
制冷量单位
kW（千瓦）：国际标准单位
RT（冷吨）：1 RT = 3.517 kW（美国习惯用法）
kcal/h（千卡每小时）：旧单位，1 kW = 860 kcal/h
BTU/h（英热单位每小时）：1 kW = 3412 BTU/h
关键术语索引
COP（Coefficient of Performance）：性能系数 = 制冷量/输入功率
EER（Energy Efficiency Ratio）：能效比，与COP相似
IPLV（Integrated Part Load Value）：综合部分负荷性能系数（全年平均）
PUE（Power Usage Effectiveness）：电能利用效率
WUE（Water Usage Effectiveness）：用水效率
REF（Renewable Energy Factor）：可再生能源比例
CRAC（Computer Room Air Conditioning）：机房精密空调（带压缩机）
CRAH（Computer Room Air Handler）：机房空气处理机（无压缩机，需冷水）
CDU（Cooling Distribution Unit）：冷却液分配单元（液冷专用）
IEC（Indirect Evaporative Cooling）：间接蒸发冷却
FCU（Fan Coil Unit）：风机盘管
AHU（Air Handling Unit）：空气处理机组
ASHRAE A2：服务器热环境分类，进风10-35°C（最常见）
学习总结与下一步
Day 13 核心收获
- PUE不是神秘数字，是一个简单的比值，能拆解每一项、能手动计算
- 平谷项目基准PUE≈1.317，需要通过组合优化达到北京要求的1.20
- 制冷是最大的优化空间，自然冷却+高温冷水+变频是北京地区最有效的三板斧
- N+1是A级底线，不是越多越好，过度冗余会增加PUE
- 北京气候有利有弊：夏热制冷贵，但冬季/过渡季可免费冷却约3000小时/年
模块3整体回顾
M3-01：制冷原理 → 为什么要制冷，各种制冷方案的工作原理
M3-02：液冷技术 → 高密度的解决方案，冷板/浸没/CDU设计
M3-03：PUE测算 → 量化制冷效率，优化路径，冗余设计
三者关系：制冷原理是基础，液冷是高密方案，PUE是评估指标
下一步学习
- M4-01：综合布线系统深化设计（智算中心高速网络布线）
- 建议复习：M3-01和M3-02，确保与M3-03知识点融会贯通
- 实践练习：找一个真实数据中心案例，尝试自行估算其PUE
📌 本节重点记忆清单：
- PUE公式 + 六项能耗分解
- 北京政策要求：超大型≤1.20
- 平谷项目：9120×6×80%=43.8MW，优化前PUE=1.317
- 七大优化策略及量化效果
- N+1冗余：N台工作+1台备用，总容量≥满负荷
- 北京12°C冷水自然冷却：约3000小时/年（34%时间）
M3-03 完 | 下一节：M4-01 综合布线系统深化设计