隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、5G網(wǎng)絡等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)處理設備的集成化越來越高，數(shù)據(jù)中心的能耗也大幅增加。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)全年運行耗能巨大，因此在保障數(shù)據(jù)中心安全運行的條件下，采用節(jié)能新技術、新工藝，降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗，對建設綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心至關重要。

夏熱冬冷地區(qū)的自然條件，介紹了長沙某數(shù)據(jù)中心的工程概況，簡述了該工程冷源、空調(diào)水系統(tǒng)及風系統(tǒng)的設計，詳細介紹了自然冷卻技術、冷水機組的選擇、通過CFD仿真模擬，單側送風情況下，通過封閉冷通道、架空地板下送風的方式，可滿足單列21個標準20A機柜的制冷需求，為后續(xù)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設計提供基礎數(shù)據(jù)和分析方法。本文以長沙某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)為例，從設備選型、系統(tǒng)優(yōu)化、節(jié)能技術應用等方面為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設計提供整體化的解決方案。

1 工程概述

1.1 工程概況

該工程為長沙某數(shù)據(jù)中心工程，位于長沙市望城經(jīng)濟開發(fā)區(qū)(見圖1)。該工程一期包含兩幢數(shù)據(jù)中心、一幢動力中心及地下水泵房，一期總建筑面積39290m2, 其中單幢數(shù)據(jù)中心建筑面積17868.33 m2，建筑高度22.90 m；地上共四層， 1層為冷凍站、ECC機房以及配套輔助用房，標準層為變配電室室、電池室、通信機房。

1.2 室內(nèi)外設計參數(shù)

1）室外設計參數(shù) 長沙市望城區(qū)，屬中亞熱帶季風濕潤氣候，年降水量為1370 mm左右，全年平均氣溫17 ℃，日照1610小時，無霜期274天；氣候溫和，降水充沛，雨熱同期，四季分明是其主要的氣候特征；全年干球溫度時長分布如圖 2所示，全年濕球溫度時長分布如圖3所示，室外設計計算參數(shù)見表1。

圖2 全年干球溫度時長分布

圖3 全年濕球溫度時長分布

表1 室外設計計算參數(shù)

2）室內(nèi)設計參數(shù)（見表2）

表2 設計參數(shù)

注：主機房內(nèi)空氣含塵濃度，在靜態(tài)或動態(tài)條件下測試，每升空氣中粒徑≥ 0.5μ m的懸浮粒子數(shù)應少于17600粒。

2 空調(diào)冷源

2.1 空調(diào)系統(tǒng)冷負荷

根據(jù)工藝專業(yè)規(guī)劃，該數(shù)據(jù)中心終期可安裝的通信設備功耗為7582 kW，電力電池室及不間斷電源等電力設備發(fā)熱量為848 kW，通過逐項逐時的冷負荷計算得到該數(shù)據(jù)中心夏季冷負荷為10371 kW，設計冗余系數(shù)取1.1,設計容量為11409 kW。 2.2 空調(diào)系統(tǒng)冷源 1）冷源設計 根據(jù)長沙市氣候特點，結合該數(shù)據(jù)中心的工藝規(guī)劃及冷負荷，采用集中式水冷冷水系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)形式，冷水供/回水溫度為 14 ℃/20 ℃，空調(diào)末端采用房間級冷凍水型機房專用空調(diào)。冷水空調(diào)系統(tǒng)主機選用4臺3 868 kW水冷離心式冷水機組，按三用一備模式配置。每臺水冷離心式冷水機組配套1臺板式換熱器。冷水機房內(nèi)同時還配有落地式自動補水定壓裝置、全自動加藥裝置、微晶旁流水處理器、冷卻水循環(huán)泵、冷水循環(huán)泵等設備。冷水機房主要設備如表3所示。

表3 冷水機房主要設備

注：G為流量，m3/h；H為揚程，m ；N為輸入功率，kW；T1為一次側出水溫度，T2為一次側進水溫度； T3為二次側出水溫度，T4為二次側進水溫度。 2）空調(diào)冷源系統(tǒng)流程 空調(diào)冷源系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 空調(diào)冷源系統(tǒng)流程圖

3 空調(diào)水系統(tǒng)

3.1 冷水系統(tǒng)

空調(diào)冷水側采用模塊化設計，離心式冷水機組、板式換熱器、冷水泵組成一個制冷模塊。水系統(tǒng)設計采用二級泵環(huán)網(wǎng)，一級泵、二級泵均為變頻控制, 為提高制冷模塊之間的互用性，每個模塊之間增設跨接管，在單個模塊水泵故障時，只需啟用備用模塊水泵，無需切換整個制冷模塊。末端管路為雙路供水，同時在每個末端三通處設置閥門，保證單點故障或單點維護時不影響整個水系統(tǒng)的運行。為防止空調(diào)冷水、冷凝水、加濕水管漏水后進入機柜設備區(qū)，采用隔墻將空調(diào)區(qū)和機房區(qū)分開，并在空調(diào)區(qū)地面上均勻排布若干排水口，以保證漏水及時排出。空調(diào)末端系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 空調(diào)末端系統(tǒng)流程圖

3.2 冷卻水系統(tǒng)

空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用環(huán)網(wǎng)設計，采用鋼制低噪音開式橫流塔，將經(jīng)冷水機組升溫至37 ℃的冷卻水送至冷卻塔進行冷卻，水溫降至32 ℃，經(jīng)冷卻水環(huán)網(wǎng)、冷卻水泵加壓后再返回冷水機組。冷卻水側同冷水側一樣增設跨接管，保證冷卻側每個制冷模塊之間冷卻水泵的互用。屋面冷卻塔溢流、排污水設置管道單獨排放。冷卻水系統(tǒng)配置全自動加藥處理裝置保證冷卻水水質(zhì)。冷卻水補水采用市政給水加應急補水源的方式保障，按補12 h冷卻水補水量配置應急補水池。

3.3 水蓄冷系統(tǒng)

本工程冷水系統(tǒng)配置1個550 m3的開式蓄冷水罐，以解決市電中斷、柴油發(fā)電機啟動至冷水機組恢復運行這段時間的空調(diào)系統(tǒng)供冷（此時二級冷水泵、空調(diào)末端風機用電由不間斷電源保障），從而保證了空調(diào)系統(tǒng)與通信設備不間斷地同步運行。蓄冷保障時間按滿足整個數(shù)據(jù)中心15 min的用電配置。

4 空調(diào)風系統(tǒng)

電池室和變配電室室內(nèi)氣流組織形式為風管或風帽上送風、機組側下回風；通信機房氣流組織形式為架空地板下送風,機組上部自然回風，并通過封閉冷通道將冷、熱氣流完全隔離；新風系統(tǒng)采用水環(huán)熱泵新風機組，維持機房正壓（5～10 Pa）及保障人員新風要求。主機房氣流組織形式見圖6。

圖6 封閉冷通道氣流組織示意圖

5 工程特色和技術創(chuàng)新

5.1提高冷水供/回水溫度，采用獨立加/除濕一體機

目前，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心通信機房采用冷凍水型機房專用空調(diào)。本工程采用獨立的濕膜式恒濕器滿足機房濕度要求。采用濕膜加濕，制冷除濕，該方案優(yōu)點在于：機房空調(diào)基本在干工況運行，不產(chǎn)生凝結水，機房加濕量小，這樣避免了專用空調(diào)降溫除濕后再電加濕產(chǎn)生冷量和熱量的浪費。水冷空調(diào)的冷水供/回水溫度的標準工況為7℃/12℃，本項目將空調(diào)系統(tǒng)冷水供/回水溫度提高到14℃/20℃，可降低冷水機組耗電，同時增加自然冷卻時間，提高空調(diào)系統(tǒng)運行節(jié)能效果。

5.2 自然冷卻技術應用

長沙市為夏熱冬冷地區(qū)，考慮采用自然冷卻技術，本工程通過提高冷凍水供回水溫度（14/20℃），冬季冷卻塔自然冷卻選型濕球溫度(按6℃濕球溫度)，延長自然冷卻時間。長沙市全年室外濕球溫度≤6℃時間為1550小時，可完全關閉制冷機組，采用冷卻塔加板式換熱器進行換熱。當冷卻塔出水溫度低于制冷機組冷水回水溫度，可進行部分自然冷卻，這樣就大大減少了開啟制冷機組的時間，不僅可以延長壓縮機使用年限，還能減低制冷系統(tǒng)耗電，節(jié)能效果顯著。板式換熱器自然冷卻示意圖如圖7所示。

圖7 板式換熱器自然冷卻示意圖

5.3低壓變頻冷水機組與高壓定頻冷水機組分析比較

根據(jù)本設計數(shù)據(jù)空調(diào)負荷計算結果，本工程共配置4臺離心式冷水機組，單臺制冷量為1100RT（3868kW），其中1臺為備用。機組相關電氣參數(shù)如表4所示。

表4 離心式冷水機組參數(shù)表

《民用建筑電氣設計規(guī)范》JGJ/T16－2008中第3.4.2款：當用電設備總容量在250kW及以上或變壓器容量在160kW及以上時，宜以10（6）kV供電。 《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB 50736-2012中第8.2.4.3款：當單臺冷水機組電動機的額定輸入功率大于650kW而小于或等于900kW時，可采用高壓供電方式。 根據(jù)上述規(guī)范要求，本工程冷水機組可采用380V低壓與10kV高壓兩種方式，本次從初投資和運行費用兩個方面進行對比分析，從而選擇適合本項目的冷源形式。

5.3.1冷水機組設備初投資比較

380V低壓變頻冷水機組與10kV高壓定頻冷水機組初投資比較如表5所示。

表5 冷水機組設備初投資比較表

備注：

1、單價為設備總價，總價包含機組整體價格（含初次充注的冷媒、潤滑油）、運費及運輸保險、開機調(diào)試費、一年的保用。

2、變頻增加價格及高壓啟動增加價格基于與380V/50HZ常規(guī)機組的增加的價格。

5.3.2冷水機組變配電設備初投資比較

10KV高壓定頻冷水機組需配置啟動柜、電抗柜、無功補償柜，380V低壓變頻機組需占用變壓器容量，同時后期需要進行諧波治理，變配電設備初投資比較如表6、表7所示。

表6 冷水機組設備初投資比較表

表7 低壓變頻機組諧波治理費用

5.3.3 冷水機組運行費用比較

本工程終期冷水機組運行模式為四臺冷水機組均為主用，備用機組處于熱備模式，每臺機組的負載率為75%，提高空調(diào)系統(tǒng)的運行效率。冷水機組運行費用如表8所示。

表8 冷水機組運行費用比較表

5.3.4 冷水機組投資及運行費用分析比較

380V低壓變頻冷水機組與10kV高壓定頻冷水機組投資及運行費用分析比較如表9所示。

表9 冷水機組投資及運行費用比較表

通過上表分析可知：380V變頻冷水機組初投資比高壓定頻冷水機組略高，但380V變頻冷水機組年運行費用比高壓定頻冷水機組低。數(shù)據(jù)中心通信設備存在分期分批投入使用的情況，380V變頻冷水機組相比高壓定頻機組更能適用于過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)在預冷狀態(tài)下的使用需求，低壓變頻機組可滿足低負荷運行需求，因此本項目低壓變頻冷水機組更為合適。

5.4 機房單側送風、封閉冷通道應用

5.4.1 實驗方案

標準IT機房基本參數(shù)見表10，標準IT機房CFD模型如圖8所示。

表10 標準IT機房基本參數(shù)

注：標準IT機房共計配置9臺Q=140kW的房間級機房專用空調(diào)，2臺備用；模擬時開啟80%的空調(diào)。

圖8 標準IT機房CFD模型

5.4.2 實驗結果分析

機房三維模型圖如圖9所示，模擬結果見圖10,11。

圖9 機房三維模型圖

圖10 Y=1.2m 界面溫度場

圖11 X=13m截面速度場

根據(jù)機房仿真模擬示意圖可知，采用封閉冷通道單側送風，冷水型房間級機房專用空調(diào)機組送/回風溫度為20℃/32℃時，可滿足單列21個20A機柜的制冷需求。機房內(nèi)的仿真模擬運行溫度均滿足設計要求，無局部熱點。

結語

從初投資、運行費用兩個方面對低壓變頻冷水機組和高壓定頻冷水機組對比分析，低壓變頻冷水機組在運行費用方面更有優(yōu)勢，結合數(shù)據(jù)中心設備分期啟用的特點，在1100RT左右的制冷量下，低壓變頻冷水機組更適合。通過CFD仿真模擬，單側送風情況下，通過封閉冷通道、架空地板下送風的方式，可滿足單列21個標準20A機柜的制冷需求，為后續(xù)大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設計提供基礎數(shù)據(jù)和分析方法。

本文標題：一種數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)的設計方案

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