2026-10-08
各学院（部）：
为更好开展新工科毕设项目，提升项目质量和水平，“数据中心冷却系统创新设计研究和能源管理分析”新工科毕业设计项目现面向全校毕业班学生进行招募。现将有关事项通知如下。
一、项目背景、目的及意义
在“东数西算”与人工智能算力爆发式增长驱动下，数据中心已成为新型基础设施的核心载体。单机柜功率密度由数千瓦跃升至数十千瓦甚至百千瓦级，传统风冷逼近散热极限，冷板式、浸没式液冷加速规模化应用；同时“双碳”目标对PUE、WUE提出刚性约束，多地要求新建大型数据中心PUE低于1.25。冷却系统由此从附属保障设施转变为决定算力供给与运行成本的关键环节。然而工程实践中，一次侧冷源与二次侧分配常被割裂设计，CDU、管网与末端缺乏协同，气流组织与水路分配多凭经验取值，局部热点、流量不均、泵扬程过剩等问题普遍存在；运维阶段重保障轻优化，海量能耗数据未能转化为调控策略。此外，传统毕业设计选题偏重单一环节计算仿真，与真实工程脱节，难以满足新工科对跨学科复合能力的要求。
本项目构建“源—网—端—控”一体化的冷却系统创新设计与能源管理研究框架：建立一次侧（冷水机组、冷却塔、自然冷却）与二次侧（CDU、分水器、末端）协同匹配的参数化选型方法；通过CFD与水力网络计算优化气流组织与水路分配，消除滞留区与流量偏差，降低输配能耗；完成数据中心暖通系统设计，输出负荷计算、系统方案、设备选型与图纸；搭建能源管理模型，基于实时数据开展能效评估、负荷预测与运行策略优化，形成PUE分解诊断与节能调控方案；同时探索“真题真做、产教融合”的毕业设计实践模式。
工程上，项目打通冷却系统设计与运行的闭环，为降低PUE与碳排放提供可落地路径，提升算力基础设施绿色化水平。课题横跨传热学、流体力学、制冷原理、暖通设计与数据分析，要求学生综合运用理论计算、数值模拟、实验测试与编程分析，有效锻炼系统思维与解决复杂工程问题的能力，契合新工科复合型创新人才培养导向。以真实工程场景为载体推动毕业设计与产业需求、科研训练深度融合，形成“课题来源于工程、成果服务于工程”的良性循环。
二、项目已具备的条件
天津大学在“数据中心冷却系统创新设计研究和能源管理分析”方面具备较好的研究基础，主要体现在：
（1）系统关键技术方面。校内多个研究团队展开了多个维度上的尝试，如开发新型冷却直冷板的研究、导热界面材料的开发、以及浸没式冷却结构的开发，这些都是从系统更为基础的角度开展科学问题的研究，更需要在此基础上针对数据中心冷却系统开展具有工程性的研究和设计工作。
（2）能源管理技术方面。以技术经济性分析为例，校内多个课题组具备依托全生命周期评价（LCA）框架展开技术应用潜力研究，重点解答各类能源装备应用场景的应用的可行性，包括对可再生能源利用、废弃物回收利用等性能评价。而且针对太阳能的利用与智慧校园相结合，以LCA作为碳中和量化核算的重要工具，开展研究，因此基于已有的研究方法运用到数据中心的用能，可以获得数据中心能源管理的优化方案。
上述研究主要分散在机械、环境、建筑等多个学院，现拟通过新工科毕设平台形成跨学院教师团队，将此方面的研究优势相互结合解决数据中心工程性问题，逐步行成技术互补、特色显明的技术路径。
三、项目期限与目标
本期项目目标：在2026年10月-2027年6月，完成数据中心冷却系统创新设计研究和能源管理分析，具体细化目标如下：
1.方向一：数据中心冷却一次侧系统研究
（1）研究任务1.1：数据中心屋顶排热风机排布与排热通路优化（邓娜）；
1）建立屋面外流场模型，获得流场分布以及循环率，确认流场的合理性。2）开展不同参数条件下的敏感性分析与多目标优化后，输出配置参数。
2.方向二：数据中心冷却二次侧系统研究
（1）研究任务2.1：数据中心风墙送风组织与机柜布置匹配关系（李敏霞，陈振国（企业））
1）根据机房面积、机柜发热量及列数，采用数值计算方法，计算风墙送风流场，评估气流组织。2）开展送风量、列间距等不同参数的分析，多目标优化后给出推荐配置与设计准则。
（2）研究任务2.2：CDU止回阀和过滤器压降特性评估（李敏霞，陈振国（企业））
1）搭建试验台，对止回阀和过滤器的压降进行测试，获得压降和流量特性2）对板式换热器、过滤器和止回阀组成的流路进行压降预测。
3.方向三：数据中心空调系统的设计
（1）研究任务3.1数据中心空调系统方案设计与能效优化分析（郑雪晶）
1）按规范逐时计算冷热负荷，比选风冷、水冷与自然冷却方案确定最优系统。2）完成设备选型、管网布置与气流组织设计，并核算全年能耗与PUE指标。
（2）研究任务3.2数据中心风冷+水冷复合空调系统工艺设计、负荷计算、系统选型与节能方案优化设计（郑雪晶）
1）逐时计算冷热负荷，确定风冷加水冷复合系统工艺流程与切换控制逻辑。2）完成设备选型、水力计算与图纸绘制，并优化多模式运行策略降低PUE。
4.方向四：数据中心能源管理研究
（1）研究任务4.1面向数据中心能源管理的热力电池系统设计及优化（许伟聪、邓帅）
1）以典型数据中心为对象，设计热力电池系统并确定其主要设备参数。2）按分时电价制定充放电策略，优化关键参数并评价节能与经济效果
（2）研究任务4.2数据中心太阳能与余热回收利用研究（尹宝泉）
1）分析太阳能与余热特性，构建光伏光热加余热回收耦合供冷系统。2）基于负荷预测动态调度冷热源，优化多能协同控制策略。
四、项目主要方向及任务
项目拟设四个研究方向：数据中心冷却一次侧、二次侧优化设计、数据中心空调系统设计和数据中心能源管理技术，每个方向设1-2个研究任务；每个研究方向拟设1-3名指导教师岗位；每个研究任务，结合任务难度拟安排1-2名学生。
研究方向和任务设置如下：
1、数据中心冷却一次侧系统研究
（1）研究任务1.1：数据中心屋顶排热风机排布与排热通路优化（邓娜）
关键词：数据中心冷却、屋顶排热风机、气流组织
背景介绍：风冷型数据中心的废热最终须经屋面排热风机排入大气。受用地、噪声与建筑一体化限制，排热设备常集中布置于屋面，形成大面积、多排、低出口速度的群体排热源。此时排热效果取决于群体气流组织：相邻射流相互卷吸、女儿墙与百叶阻挡、屋面绕流空泡区及环境风下压共同决定热气能否顺利抬升扩散。若排热通路设计不足，易出现同排射流合并形成“气墙”、前排热风被后排吸入产生闭合回流胞、背风侧低速高温区积聚并向新风口倒灌等短路现象，导致冷凝压力升高、COP下降。现行规范对室外机间距、通风条件多为定性要求，缺乏“屋面面积—风机排数—行间距—出口动量—环境风”耦合的定量设计方法。本课题以屋面尺寸、风机台数与排数、单台排热量为输入，通过CFD建立再循环率判据并优化排布。
研究内容：由总排热量与总风量核算屋面排热强度，计算单台射流动量通量与浮力通量，估算浮力主导转折高度以判断是否需加高出口或设导流筒，并按经验公式估算轴线温降作为合理性校核上下界，形成设计工况表。随后建立三维外流场模型，计算域取屋面上游≥5H、下游≥15H，设置大气边界层入口；风机采用动量源项或风扇边界建模，女儿墙、百叶、盘管等效为多孔阻力件；进行模拟计算。在此基础上进行单因素敏感性分析，考察排数与排列方式、行列间距、出口高度与导流筒、变频风量、环境风风速风向及百叶透空率的影响，提炼无量纲参数规律。最后用正交试验或响应面法开展多目标优化，给出推荐配置、工程改造措施及选型诺模图与短路风险分区判据图。
学生需求：1人
教师主页：https://faculty.tju.edu.cn/060024/zh_CN/index.htm
2、数据中心冷却二次侧系统研究
（1）研究任务2.1：数据中心风墙送风组织与机柜布置匹配关系（李敏霞，陈振国（企业））
关键词：风墙，机柜排布，气流组织
背景介绍：数据中心冷却系统能耗约占总能耗的30%～40%，在“双碳”目标与PUE严格约束下，气流组织优化成为成本最低、见效最快的节能途径。风墙水平送风具有静压分布均匀、无需架空地板、适应高功率密度等优点，近年来应用增多；但其对机房平面几何与机柜布置的匹配极为敏感：风墙长度与机柜列长不协调、列数过多、列间距或端部余量不当、回风位置不合理时，极易在房间端部、角落及列间端头形成低速回流滞留区与冷热短路，造成局部超温、风机能耗上升、制冷量“供而不用”。目前相关研究多集中于地板下送风，关于风墙送风量与机柜列数、列间距、列长之间耦合关系的定量规律尚不完善。本课题以机房面积、机柜尺寸与发热量、列数等已知设计参数为输入，通过CFD模拟建立滞留区识别判据，揭示“风量—布置”匹配机制并提出设计准则。
研究内容：由总显热负荷与设定温差求送风量，反算风墙迎面风速与冷通道断面风速，形成设计工况表作为模拟边界。建立物理与数学模型，机柜简化体积热源，风墙按真实开孔或等效多孔面处理，采用三维稳态RANS配合 Realizable k-ε/SST k-ω 模型，开展基准工况计算，绘制速度、压力、温度场，定义并提取滞留区判据，量化进风温度均匀性、流场均匀性等指标并归因分析。在此基础上进行单因素敏感性分析，考察总送风量、风墙开孔率与分段配风、列数与列间距、列长与风墙长度之比、端部余量、回风方式、盲板封堵率等变量的影响规律。最后采用正交试验或响应面法开展多目标协同优化，给出推荐配置、工程改造措施。
学生需求：1人
（3）研究任务2.2：CDU止回阀和过滤器压降特性评估（李敏霞，陈振国（企业））
关键词：CDU、止回阀、过滤器，压降特性
背景介绍：随着AI算力密度快速提升，液冷已成为数据中心主流冷却方案，而CDU（冷量分配单元）作为一次侧与二次侧之间的核心设备，承担着换热、流量分配与压力控制的任务。其分水器将二次侧流量分配至各机柜冷板，单向阀则用于防止停机倒流与串水。二次侧管路的总压降直接决定循环泵的扬程选型。目前工程设计多依赖经验阻力系数估算，对分水器多支路分流不均、单向阀在小开度下的非线性开启特性及启闭压差缺乏实测数据，整机压降—流量曲线往往只能依靠样机调试反推。因此，通过实验测定单向阀和过滤器压降随流量的变化规律，叠加管路与分水器阻力建立CDU压降预测模型，并结合泵曲线完成选型，具有明确的工程价值。
研究内容：首先开展理论分析，梳理沿程阻力、局部阻力与分水器分流模型，建立以阻力系数和流量为核心的压降叠加预测公式，明确单向阀、过滤器阻力系数与开度、雷诺数的关系。搭建实验台，在额定流量的30%～120%范围内逐点测量并做重复性检验。拟合Δp–Q曲线与ζ–Re关系，确定开启压差、全开阻力系数及临界雷诺数。考虑分水器结构、弯头与阀门、冷板侧等效阻力，绘制CDU二次侧总压降—流量曲线，并考虑不同投运支路数的工况情况下的总阻力。为压力预测和泵匹配选型提供有效的数据支持。
学生需求：1人
教师主页：https://me.tju.edu.cn/info/2080/42441.htm
3、数据中心空调系统设计
（1）设计任务3.1：数据中心空调系统方案设计与能效优化分析（郑雪晶）
关键词：数据中心空调系统、方案设计、能效优化
背景介绍：数据中心建设规模持续扩大，机房内高密度服务器集群全年处于高负荷运行状态，设备散热集中、热流密度大，且对温湿度控制精度要求极高，这对空调系统的稳定性、可靠性与节能性提出了严苛要求。目前，数据中心空调系统能耗通常占建筑总能耗的40%以上，已成为建筑节能与“双碳”目标下重点降耗的领域。然而，传统常规空调系统普遍存在全年能耗偏高、过渡季节自然冷源利用率低、气流组织不合理、局部热点突出以及部分负荷工况下机组效率衰减等问题。因此，以典型数据中心建筑工况为依托，开展空调系统方案的比选与能效优化分析，探索冷源形式、系统架构与运行策略对PUE的影响规律，对于提升制冷效率、降低运行能耗具有重要的工程意义与应用价值。
设计内容：本设计以某数据中心机房为研究对象，依据数据中心设计规范及暖通空调相关标准，完成空调系统方案设计与能效优化分析。首先，根据建筑围护结构参数、IT设备散热参数及当地全年气象资料，进行冷热负荷逐时计算与负荷特性分析，明确全年负荷分布规律与供冷需求区间。其次，对比风冷直膨、水冷冷水、自然冷却（风侧/水侧）、间接蒸发冷却等典型机房空调系统形式，从初投资、运行能耗、可靠性、可维护性及PUE潜力等维度建立多指标评价体系，确定最优复合制冷系统方案。在此基础上，完成主要设备选型、风管与水管路布置及气流组织方案设计。开展系统全年能耗模拟与PUE指标分解分析，量化不同运行策略下的节能效果并与常规系统对比。完成图纸绘制、水力计算、设备清单统计与设计总结，形成一套兼顾合理性、可行性与低能耗运行的数据中心空调系统设计方案。
学生需求：1人
（2）设计任务3.2：数据中心风冷+水冷复合空调系统工艺设计、负荷计算、系统选型与节能方案优化设计(郑雪晶）
关键词：风冷+水冷、负荷空调系统、系统选型
背景介绍：随着数字经济与云计算产业快速发展，高密度服务器集群全年持续高负荷运行，使机房呈现散热集中、热流密度大、温湿度控制精度要求高的特点，对空调系统的工艺合理性与运行可靠性提出了严苛要求。单一风冷系统受环境温度影响大、夏季效率低且占地受限，而单一水冷系统虽能效较高但投资大、冬季易过冷且过渡季节调节困难；为此，工程上常采用风冷与水冷相结合的复合空调系统，以兼顾不同季节与负荷条件下的适应性与经济性。但复合系统的工艺衔接较为复杂，涉及风冷冷凝器与冷却塔、冷水机组与板式换热器的容量匹配、管路切换逻辑、控制联锁及防冻防结露等细节问题，若设计不当易造成设备频繁启停、冷量浪费甚至系统失效。本课题依托典型数据中心建筑工况，开展风冷+水冷复合空调系统的完整工艺设计，旨在为工程应用提供可直接指导施工与运行的技术方案。
设计内容：本设计以某数据中心机房为对象，依据相关设计规范，完成风冷+水冷复合空调系统从负荷计算到施工图深化的全过程工艺设计。首先，根据建筑参数、服务器发热量及室内外气象条件，完成逐时冷热负荷计算与负荷特性分析，确定设计日负荷、全年负荷分布及部分负荷占比。其次，确定风冷+水冷复合系统总体工艺流程，绘制系统原理图与机房平面布置图。然后，完成设备选型计算，包括冷机容量与台数、风冷冷凝器换热面积、冷却塔水量与扬程、水泵流量与扬程、末端空调机组风量与冷量。接着，开展风管与水管路系统设计，完成管径确定、水力计算、阻力平衡与阀门附件配置，并结合机柜布置完成送风气流组织设计与局部热点校核。最终，完成全套设计图纸、设备材料清单、控制逻辑说明与设计总结，形成完整可行的工程设计成果。
学生需求：1人
教师主页：https://faculty.tju.edu.cn/086054/zh_CN/index.htm
4、数据中心冷却系统能源管理
（1）研究任务4.1：面向数据中心能源管理的热力电池系统设计及优化（许伟聪、邓帅）
关键词：数据中心、能源管理、热力电池
背景介绍：随着云计算、人工智能等技术快速发展，数据中心规模与用电需求持续增长，其高能耗、冷却负荷大及低品位余热利用不足等问题日益突出。在绿色低碳发展背景下，如何协调供电、冷却与余热回收，成为提升数据中心能源利用效率的重要课题。热力电池通过“电-热（冷）-电”转换实现能量储存与释放，并可耦合热泵回收数据中心余热，为削峰填谷和能源梯级利用提供新途径。然而，其运行性能受余热温度、储热参数及负荷变化等因素影响，系统配置与运行策略仍需优化。因此，开展面向数据中心的热力电池系统设计及优化研究，对降低运行成本、提高综合能源利用效率具有工程应用价值。
内容介绍：本课题以典型数据中心为研究对象，分析其用电、冷却及余热资源特征，设计由热泵、储热单元和发电单元组成的热力电池系统，明确系统流程与主要设备参数。基于热力学定律建立系统模型，分析储热温度、容量及关键运行参数对系统性能的影响。在满足冷却需求的前提下，结合分时电价制定充放电策略，以储能效率和运行成本为指标开展参数优化。通过典型工况对比评价节能与经济效果，形成系统设计方案及优化建议。
学生需求：2人
教师主页：https://me.tju.edu.cn/info/2080/42011.htm
（2）研究任务4.2：数据中心太阳能与余热回收利用研究（尹宝泉）
关键词：数据中心、太阳能、余热利用
背景介绍：随着数字经济与算力基础设施快速扩张，数据中心已成为高能耗、高碳排放的典型载体。推动绿色能源替代、提升余热资源化利用、构建高效低碳能源管理体系，已成为数据中心高质量发展的迫切需求。目前，光伏发电在数据中心已得到规模化应用，但光热制冷、太阳能与余热耦合供冷的集成度不高，系统稳定性、经济性与调度策略仍有待提升。多数数据中心余热未被有效回收，夏季余热消纳困难，能源浪费严重。因此，开展数据中心太阳能与余热回收利用研究，对于降低 PUE、提高绿电占比、减少碳排放具有重要理论意义与工程应用价值。
研究内容：本研究围绕数据中心太阳能与余热回收耦合供冷及能源管理展开，主要研究内容包括：分析太阳能资源特性、数据中心负荷特性及余热品位变化规律，构建太阳能与余热回收耦合系统，整合光伏、光热、服务器余热回收、吸收式制冷、蓄冷及常规制冷单元，形成多能互补、多冷源协同的集成方案，明确系统架构、设备匹配与运行模式，提升太阳能保证率与余热利用率；基于气象、辐照、IT 负荷短期预测，实现冷热源动态调度，以安全供冷为约束，以节能、降碳、降费为目标，优化多能源协同控制策略。
学生需求：1人
教师主页：school.freekaoyan.com/tj/tju/daoshi/2020/09-12/15999026081199010.shtml
五、报名及联系方式
学生报名：能源动力、建筑环境与能源应用工程、建筑技术和储能专业的学生优先，相关课题细节请直接联系各位老师邮箱：
（1）邓娜：denglouna@tju.edu.cn
（2）李敏霞：tjmxli@tju.edu.cn
（3）郑雪晶：zhengxuejing@tju.edu.cn
（4）邓帅：sdeng@tju.edu.cn
（5）许伟聪：xuweicong@tju.edu.cn
（6）尹宝泉：yinbaoquan@tju.edu.cn
若有其他未尽事宜请咨询项目组联系人：李老师 13012230877
数据中心冷却系统创新设计研究和能源管理分析
新工科毕设工作组
2026年9月29日
欢迎各位同学踊跃报名，期待你的加入！！！
