一：數(shù)據(jù)中心空調(diào)負(fù)荷分析

一般而言，建筑面積小于 200㎡ 稱為小型數(shù)據(jù)中心；建筑面積在 200~500㎡之間為中型數(shù)據(jù)中心。建筑面積在 500~2000㎡之間為中、大型數(shù)據(jù)中心。建筑面積在 2000~10000㎡為大型數(shù)據(jù)中心。建筑面積大于 10000㎡則稱為超大數(shù)據(jù)中心。

1、室內(nèi)設(shè)計(jì)要求

對(duì)于超大型數(shù)據(jù)中心建筑而言，建筑的主要功能房間是數(shù)據(jù)機(jī)房。但除了主要功能的數(shù)據(jù)機(jī)房以外，還需要有大量其他功能的房間，如：辦公、餐飲、車庫(kù)等，以滿足數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行維護(hù)所需。

主要空調(diào)房間分為兩類：數(shù)據(jù)機(jī)房屬工藝性空調(diào)房間，工藝性空調(diào)部分（數(shù)據(jù)機(jī)房）的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，其溫度、濕度指標(biāo)均執(zhí)行 A 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)按照數(shù)據(jù)機(jī)房的工藝性要求選取。其他辦公、餐飲等房間屬舒適性空調(diào)房間，室內(nèi)參數(shù)按照普通舒適性房間的要求選取。

2、冷熱負(fù)荷

在數(shù)據(jù)機(jī)房建筑中，通常室外環(huán)境對(duì)室內(nèi)的影響較小，空調(diào)的熱濕負(fù)荷主要來自于室內(nèi)。機(jī)柜設(shè)備散熱量大且熱源集中，需全年向外排熱，即使在冬季也有相當(dāng)大的冷負(fù)荷。機(jī)柜設(shè)備無散濕量，主機(jī)房?jī)?nèi)的散濕量主要來自于工作人員，而大中型電子計(jì)算機(jī)主機(jī)房?jī)?nèi)工作人員較少，因此主機(jī)房?jī)?nèi)的散濕量很小，同時(shí)新風(fēng)負(fù)荷也較小。

此外，主機(jī)房對(duì)照明的要求通常不高，因而機(jī)房?jī)?nèi)照明負(fù)荷與設(shè)備用電負(fù)荷相比很低，照明發(fā)熱量不大。大中型電子計(jì)算機(jī)一般都全年內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，在計(jì)算主機(jī)房?jī)?nèi)的負(fù)荷時(shí)可按開機(jī)時(shí)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。電子計(jì)算機(jī)房的新風(fēng)量一般取機(jī)房空調(diào)總循環(huán)風(fēng)量的 5%。

歸納起來，機(jī)房空調(diào)的熱濕負(fù)荷主要包括以下內(nèi)容：機(jī)房?jī)?nèi)電子計(jì)算機(jī)和其它設(shè)備的散熱；人體散熱、濕；照明裝置散熱；新風(fēng)負(fù)荷；建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱以及太陽(yáng)輻射的熱。

二、系統(tǒng)形式選擇

1、冷源

處于對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房安全性保障的考慮，空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。所謂冗余，是指空調(diào)系統(tǒng)中重復(fù)配置一定的設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冗余配置的設(shè)備投入使用，承擔(dān)故障設(shè)備的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時(shí)間。

由于數(shù)據(jù)機(jī)房的重要性為 A 類，因此空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了 N+N 的冗余設(shè)計(jì)，以達(dá)到設(shè)備互為備份的作用。各數(shù)據(jù)機(jī)房均采用雙冷源（冷凍水和直接蒸發(fā)式冷媒）的恒溫空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)的末端機(jī)組同時(shí)接空調(diào)冷凍水管和冷媒管道。

在一般情況下，系統(tǒng)由離心式冷水機(jī)組通過冷凍水系統(tǒng)供冷；當(dāng)遇有冷凍機(jī)組或水泵、管道等故障發(fā)生的情況下，切換至直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)供冷；在停電等情況發(fā)生時(shí)，由柴油發(fā)電機(jī)組供給計(jì)算機(jī)房用直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)工作。

2、末端

對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房建筑，機(jī)房?jī)?nèi)部的空調(diào)末端形式以及氣流組織設(shè)計(jì)，一直是影響空調(diào)效率和效果的重要部分。近年來，隨著數(shù)據(jù)機(jī)房的大量出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外也逐漸形成了比較成熟的室內(nèi)空調(diào)氣流組織的解決方案和相應(yīng)的專業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。這些解決方案針對(duì)不同規(guī)模、不同等級(jí)的數(shù)據(jù)機(jī)房，綜合考慮室內(nèi)環(huán)境控制與節(jié)能的需求。

此外，每層電子計(jì)算機(jī)房設(shè)置新風(fēng)機(jī)組，以保證專用計(jì)算機(jī)房的正壓。按電子計(jì)算機(jī)房新風(fēng)量的 80%為平時(shí)的排風(fēng)量。同時(shí)，設(shè)置一套電子計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)氣體滅火系統(tǒng)作用完畢后的專用排風(fēng)系統(tǒng)，按 5 次 /h氣次數(shù)計(jì)算。

三、數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能問題

數(shù)據(jù)中心空調(diào)的能效為何如此之低？通過對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)都存在著如下一系列的設(shè)計(jì)問題。

1、 系統(tǒng)整合難、切換難、維護(hù)難

為了服務(wù)器工作人為營(yíng)造低溫環(huán)境，完全采用人工制冷，沒有利用自然冷源自然冷卻。

改進(jìn)冷源形式往往是最為經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能方法，制冷機(jī)在空調(diào)系統(tǒng)中耗電最大，以冷卻塔免費(fèi)供冷代替制冷機(jī)，依靠自然冷源提供冷量，會(huì)使空調(diào)系統(tǒng)的整體運(yùn)行能耗大幅下降，是效果顯著的節(jié)能途徑。

而在實(shí)際應(yīng)用中，采用自然冷源存在系統(tǒng)整合難、切換難、維護(hù)難的特點(diǎn)，所以目前國(guó)內(nèi)只有少部分的大型數(shù)據(jù)中心成功有效的使用了該技術(shù)。

2、沒有充分利用空調(diào)系統(tǒng)的諸多節(jié)能技術(shù)

空調(diào)系統(tǒng)中節(jié)能效果突出的余熱回收、蓄冷、變風(fēng)量、變頻等技術(shù)，在數(shù)據(jù)中心中很少采用。因?yàn)閿?shù)據(jù)中心為其提供服務(wù)的特殊性，數(shù)據(jù)安全是首要因素，宕機(jī)是不允許出現(xiàn)的情況。

空調(diào)系統(tǒng)作為服務(wù)器正常工作的保障，管理者更關(guān)注其制冷能力是否有足夠的冗余量，某臺(tái)空調(diào)發(fā)生故障時(shí)能否及時(shí)開啟備用設(shè)備，對(duì)設(shè)計(jì)的要求必然保守。而節(jié)能技術(shù)需要積少成多、其效果需日積月累才能體現(xiàn)，如果擔(dān)心某技術(shù)對(duì)空調(diào)的穩(wěn)定性可能產(chǎn)生影響，往往傾向于不采用。

3、空調(diào)設(shè)備制冷量與實(shí)際負(fù)荷的匹配存在問題

機(jī)房?jī)?nèi)的機(jī)架通常是逐步投入、不斷擴(kuò)容的，而空調(diào)負(fù)荷與氣流組織則是建設(shè)階段對(duì)機(jī)房整體考慮設(shè)計(jì)的。

運(yùn)行初期投入使用的機(jī)架數(shù)少，空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷下運(yùn)行，效率不高。而后期投入使用的新型的機(jī)架，往往功率更大，發(fā)熱密度更高，卻受制于機(jī)房現(xiàn)有格局，不能被擺放在氣流組織有利的位置。

這樣，隨著機(jī)架不斷進(jìn)場(chǎng)，機(jī)房?jī)?nèi)始終冷熱不均，管理者只能調(diào)低空調(diào)機(jī)的溫度設(shè)定值，造成過度制冷，導(dǎo)致空調(diào)能耗居高不下。

4、設(shè)計(jì)選用的空調(diào)機(jī)型參數(shù)與機(jī)房運(yùn)行時(shí)的真實(shí)熱工況存在偏差

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前約 85％的數(shù)據(jù)中心空調(diào)機(jī)組耗能比設(shè)計(jì)工況高 50% 以上?，F(xiàn)行數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)均參照的是國(guó)標(biāo)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》及美國(guó) TIA-942 標(biāo)準(zhǔn)，精密空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫 / 濕度為 23℃±1℃/50%，加之現(xiàn)有精密空調(diào)生產(chǎn)廠家所提供的室內(nèi)機(jī)回風(fēng)工況參數(shù)多為 24℃/50%。

故空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)多按照此工況點(diǎn)進(jìn)行選型。而服務(wù)器機(jī)架的發(fā)展趨勢(shì)是高度集成化，單個(gè)機(jī)架的功率越來越大，機(jī)柜出風(fēng)口溫度很高，實(shí)際運(yùn)行中很容易出現(xiàn)局部溫控點(diǎn)溫度超標(biāo)的現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)辦法就是將空調(diào)機(jī)組設(shè)定的回風(fēng)溫度 24℃ 調(diào)低。

假如調(diào)低空調(diào)機(jī)組設(shè)定溫度 2℃, 那么按回風(fēng)參數(shù)24℃ 選型出來的空調(diào)機(jī)組對(duì)應(yīng) 22℃ 的工況點(diǎn)，直接膨脹式空調(diào)壓縮機(jī) COP 值會(huì)下降約 7%，顯冷量會(huì)下降 8%~19%，冷凍水式空調(diào)機(jī)組的顯冷量會(huì)下降 13%~16%。因機(jī)房負(fù)荷全部是顯熱負(fù)荷，則能耗增加了大約 15%~25%。若繼續(xù)調(diào)低空調(diào)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)設(shè)定點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的能耗會(huì)呈現(xiàn)非線性的增長(zhǎng)。

5、精密空調(diào)機(jī)組溫濕度一起控制的模式，造成了先除濕再加濕的能耗浪費(fèi)

在干球溫度 23℃，相對(duì)濕度 50% 的室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)，露點(diǎn)溫度為 11.9℃，空氣經(jīng)過表冷器時(shí)降溫除濕。而機(jī)房運(yùn)行過程中基本無散濕量，所以空氣濕度降低，超過設(shè)定下限后空調(diào)自動(dòng)開啟加濕功能，此時(shí)加濕器給空氣等溫加濕，增加了空調(diào)潛熱冷負(fù)荷，空調(diào)能耗顯著上升。

四、某數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造案例

大連地區(qū)一個(gè) 2500 個(gè)機(jī)架的數(shù)據(jù)中心。其改造設(shè)計(jì)如下：

選用 800RT 離心式冷水機(jī)組三臺(tái)（輸入功率466kW），400RT 螺桿式冷水機(jī)組兩臺(tái)（輸入功率265kW），總制冷量 3200RT，另根據(jù)機(jī)房級(jí)別設(shè)置備用。運(yùn)營(yíng)初期負(fù)荷極小的情況下，利用螺桿機(jī)調(diào)節(jié)范圍的優(yōu)勢(shì)，避免部分負(fù)荷的低能效和系統(tǒng)喘振。根據(jù)物聯(lián)設(shè)備確定環(huán)境參數(shù)、工程設(shè)計(jì)條件確定系統(tǒng)供回水溫度，綜合算法得出免費(fèi)供冷的切換溫度并結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)降低確定實(shí)際切換溫度，以避免頻繁切換，獲得合理的免費(fèi)供冷期。

期內(nèi)對(duì)應(yīng)制冷機(jī)設(shè)計(jì)匹配的間接蒸發(fā)冷卻塔、板式換熱器，用于自然冷卻免費(fèi)間接供冷。當(dāng)季節(jié)過渡，室外濕球溫度超過切換溫度時(shí)開啟制冷機(jī)，制冷機(jī)變頻可實(shí)現(xiàn)冷卻水的低溫運(yùn)行，最低運(yùn)行溫度可低至 13℃。更低的冷凝側(cè)溫度使機(jī)組在小壓縮比工況下工作，性能系數(shù) COP 值大幅提高，相當(dāng)于間接利用了自然冷源免費(fèi)供冷。

配合以上技術(shù)措施，一方面進(jìn)一步降低壓縮比，另一方面高于室內(nèi)空氣 11.9℃ 的露點(diǎn)溫度，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)末端干工況運(yùn)行。干工況不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，更適用于機(jī)房的工作環(huán)境，更是杜絕了不必要的除濕再加濕過程抵消的制冷量。與提高的冷凍水溫相對(duì)應(yīng)，空調(diào)器回風(fēng)溫度提高至 30℃，既加大了送風(fēng)溫差降低能耗，又使末端設(shè)定工況更接近實(shí)際情況，有利于運(yùn)行的控制。

改造經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：

按照該數(shù)據(jù)中心節(jié)能設(shè)計(jì)，冷卻水夏季 30/36，冬季 10/16 經(jīng)板換至 12/18 冷凍水 12/18。夏季冷卻塔冷幅 5℃，濕球溫度 25℃。冬季冷卻塔冷幅 8℃，切換濕球溫度 2℃。根據(jù)設(shè)計(jì)溫度可確定空調(diào)系統(tǒng)免費(fèi)供冷期約為 100 天，過渡期約為 120 天，夏季標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況約為 145 天。

（1）免費(fèi)供冷期

單臺(tái)制冷機(jī)壓縮機(jī)運(yùn)行功率 413kW，全部自然冷卻，相當(dāng)于可節(jié)約電量 413kW，考慮管道電伴熱、積水盤電加熱等因素，節(jié)能效果按 75% 計(jì)算，則 4 臺(tái)機(jī)組共節(jié)能 413×75%×4=1239kW，年節(jié)約電量 297 萬 kW·h。

（2）過渡季

制冷機(jī)變頻可實(shí)現(xiàn)冷卻水低溫運(yùn)行，最低溫度可達(dá) 13℃。整個(gè)過渡季按冷卻水平均水溫22/28℃ 考慮，冷凍水按 7/12℃考慮，同一制冷機(jī)組較標(biāo)準(zhǔn)工況下輸入功率降低， 800RT的制冷機(jī)在過渡季實(shí)際運(yùn)行功率為 413kW，則 4 臺(tái)機(jī)組共節(jié)能99×4=396kW，年節(jié)約電量 114 萬 kW·h。

（3）夏季

提高冷凍水溫，制冷機(jī) COP 提升帶來的能耗節(jié)約：合計(jì)年節(jié)約電量 81 萬 kW·h。

（4）常規(guī)冷凍水供回水溫度

7/12℃工況下，整個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房部分選用空調(diào)器54 臺(tái)，空調(diào)器單臺(tái)制冷量170kW，風(fēng)量 41400m3/h，輸 入功率8.0kW。其送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn) A：干球溫度12.1℃，濕球溫度11.3℃，d=8.2g/kg。機(jī)房?jī)?nèi)基本無濕負(fù)荷，空氣吸收機(jī)架散熱后升溫到新建狀態(tài)點(diǎn)B：干球溫度23℃，d=8.2g/kg，i=44.1kj/kg；再通過而電極式蒸汽加濕器等溫加濕，到達(dá)室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn) C：干球溫度 23℃， d=8.9g/kg ， i=45.9kj/kg。

從B 到 C 過程的⊿ i=1.8 kj/kg，即為除濕又加濕過程增加的潛熱冷負(fù)荷：1.8kj/kg×41400m3/h×1.2kg/m3×54=1341kW。

按冷水機(jī)組 COP 值 6.0 計(jì)算，此部分耗電功率223.5kw，即為可節(jié)約能耗。全年可以節(jié)約電量為196 萬 kW·h。

（5）提高冷凍水溫對(duì)空調(diào)器末端制冷能力的降低

整個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房部分選用空調(diào)器 54 臺(tái)，空調(diào)器單臺(tái)制冷量 170kW，風(fēng)量 41400m3/h，輸入功率 11.2kW。常規(guī)冷凍水供回水溫度 7/12℃ 工況下，單臺(tái)空調(diào)器輸入功率只需要 8.0kW。故單臺(tái)能耗增加 3.2kW， 54 臺(tái)機(jī)組共增加 172.8kW。全年增加耗電量 151 萬 kW·h。

各項(xiàng)措施綜合累計(jì)節(jié)能效果：297+114+81+196-151=537kW。

本數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)年耗電量為 7737 萬 kW·h，其中空調(diào)系統(tǒng)耗電約為 3100 萬 kW·h，總體節(jié)能率約 17.32%

來源：網(wǎng)絡(luò)

本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)和節(jié)能設(shè)計(jì)

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