互联网技术的快速发展推动大数据时代进程,数据需求量激增,同时也带动数据中心产业的迅速崛起并壮大。数据中心作为大量数据计算、存储和交互的枢纽,全年8760小时连续运行是基本要求。然而在世界范围内数据中心规模不断扩大的同时,运营阶段的巨大能耗与散热问题日益凸显。因此数据中心散热和节能方法研究是当前的热点方向。数据中心由IT设备、冷却系统、供配电系统和照明系统四大部分组成,然而冷却系统能耗占数据中心总运行能耗的40%⁵0%,具有巨大的能效提升潜力,通过优化换热流程对数据中心节能具有重要意义。就目前数据中心应用范围广的复合型冷源机柜而言,它通过将风冷和水冷技术相结合实现单体机柜范围内的低温送风以保证服务器的散热,相比传统的CRAC机组+地板静压箱送风的冷却模式,复合式冷源机柜具有冷热空气混合损失小、冷量分配均匀、冷源调节性强、冷水温度高、节能潜力大等优点。但传统的单级冷水背板式换热器存在传热参数与机柜热源特性不匹配的现象,机柜换热器面积得不到有效利用,冷源温度高、末端调节性强的优势得不到充分发挥,导致局部过热或冷量浪费现象频发,很多时候为了消除局部热点,不得不关掉免费供冷模式或强行降低冷机供冷温度,由此整个冷却系统能耗高居不下。因此,本文从分析机柜流动和传热过程的热力学特性入手,建立服务器和背板式换热器的热力学?分析模型,以最小?损失为优化目标,提出了基于系统?损失最小的双级换热流程,并通过优化两级换热器面积配比和空气流速,实现机柜传热性能与服务器负荷率同步匹配,有效提高冷源温度和机组全年运行能效,消除了局部热点,保证了数据中心热环境的均匀性和稳定性。本研究从以下几方面展开:首先调研综述国内外数据中心发展水平与规模,对近几年建设增速进行对比并总结发展趋势,由此引发出的节能和散热问题日益凸显。介绍风冷散热、液冷散热、相变制冷等技术原理并进行了优缺点的对比,确定研究对象为风冷与水冷结合的复合型冷源机柜。研究方法采用基于热力学第二定律的?理论,将能量的“量”与“质”结合起来,为提出高效的节能手段提供理论基础。然后以服务器和换热器为换热节点,空气和冷水作为换热介质,构建机柜级的流动与传热流程。在此基础上将服务器侧换热过程简化为一维平板强迫对流换热、换热器侧传热过程简化为空气-水逆流换热,建立二者的?损失数学模型,用于完成能量流动的分析与损耗,并为优化提供指导和方向。进行?损失和?效率分析,确定影响换热过程中热力学性能的关键参数:空气流速和总换热面积（NTU）,并分析得到参数对?损失的影响趋势。接着,对单级换热流程进行优化和改进,提出机柜前后端双级换热流程并搭配不同的换热面积配比的方法,在总换热面积（NTU）不变的情况下,通过调节每一级换热器面积NTU₁、NTU₂和空气流速以实现冷源和热源的高度匹配。设计包括单级换热、双级换热搭配不同面积占比的四种优化设计方案,利用MATLAB仿真计算得出双级换热且前后面积占比为20%:80%的方案具有最小的?损失,此时服务器主板温度合理且安全。最后,实验中采用?损失最小方案的机柜布置形式,测试得到不同机柜负载率下的流体及能效参数实测值,与?损失最小方案的理论最优计算值进行对比,并完成误差分析。结果表明,在误差允许范围内,实测值与计算值接近,夏季EER可达到8.3,冬季EER可达到11.5,且机柜内温度差异可以控制在±2℃以内。