隨著互聯(lián)網(wǎng)、通信、金融等行業(yè)的發(fā)展數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)邁入高質(zhì)量發(fā)展新階段在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和“東數(shù)西算”工程的有力指引下數(shù)據(jù)中心加快向創(chuàng)新技術(shù)、強(qiáng)大算力、超高能效為特征的方向演進(jìn)。數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型必不可少的“算力地基”是數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的重要引擎。

數(shù)據(jù)中心作為高顯熱的大型計(jì)算機(jī)房IT設(shè)備全年散熱能耗巨大。根據(jù)Uptime最新報(bào)告指出全球大型數(shù)據(jù)中心年均PUE為1.59其中空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比大于30%。空調(diào)系統(tǒng)能耗是制約數(shù)據(jù)中心PUE值的關(guān)鍵因素通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新降低空調(diào)系統(tǒng)能耗是未來(lái)數(shù)據(jù)中心走向綠色低碳方向發(fā)展恒久的主題。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某新建大型數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目提出了一種高效節(jié)能的冷源空調(diào)架構(gòu)。

項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于夏熱冬冷地區(qū)建筑面積約2萬(wàn)平方米從建筑規(guī)模上可以歸類(lèi)為大型數(shù)據(jù)中心。

原理概述

系統(tǒng)主要設(shè)備包括冷卻塔、冷水機(jī)組、循環(huán)水泵、蓄冷罐、雙盤(pán)管空調(diào)末端等。

冷源系統(tǒng)

1、冷源配置

冷源系統(tǒng)按照《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。設(shè)置4套制冷單元為末端空調(diào)提供冷水制冷單元3+1套冗余配置由冷水機(jī)組提供冷凍水作為主冷源冷卻塔提供冷卻水作為預(yù)冷冷源冷卻塔布置于建筑屋面。冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的介質(zhì)均采用軟化水定壓補(bǔ)水分別采用各自的自動(dòng)定壓補(bǔ)水排氣裝置補(bǔ)水來(lái)自生產(chǎn)加壓給水。

2、管網(wǎng)形式

冷凍水和冷卻水系統(tǒng)均采用一次泵變流量系統(tǒng)。冷凍水變頻循環(huán)泵、冷卻水變頻循環(huán)泵與變頻離心式冷水機(jī)組采用一對(duì)一形式冷卻水泵和冷卻塔采用一對(duì)多形式冷卻水泵采用并聯(lián)運(yùn)行方式。

冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的主干管都采用環(huán)狀管網(wǎng)形式保證單點(diǎn)故障時(shí)系統(tǒng)的正常運(yùn)行兩個(gè)系統(tǒng)均可以根據(jù)末端IT設(shè)備的冷負(fù)荷變化進(jìn)行流量調(diào)節(jié)達(dá)到供水參數(shù)的穩(wěn)定及節(jié)能的目的。

3、連續(xù)制冷

為保證數(shù)據(jù)中心的連續(xù)供冷保證冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的供冷可靠性防止突然停電或機(jī)器故障引起制冷系統(tǒng)中斷事故造成數(shù)據(jù)中心機(jī)房的送風(fēng)溫度急劇升高使服務(wù)器高溫宕機(jī)影響業(yè)務(wù)安全故而在冷凍水系統(tǒng)的供水環(huán)路上串聯(lián)設(shè)置閉式蓄冷罐蓄冷罐總的供應(yīng)冷凍水時(shí)間為15分鐘與UPS后備電源蓄電時(shí)間相同蓄冷罐布置于一層室外地面。另外在地下一層設(shè)置冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)水池、軟化水處理裝置和變頻供水機(jī)組為屋面上的方形閉式冷卻塔進(jìn)行補(bǔ)水補(bǔ)水池的有效儲(chǔ)水量可以滿足冷卻塔12小時(shí)的補(bǔ)水用量。當(dāng)市政自來(lái)水停水時(shí)可以通過(guò)后備儲(chǔ)水池支撐制冷系統(tǒng)連續(xù)12小時(shí)不間斷運(yùn)行。

末端系統(tǒng)

1、末端配置

IT機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置雙盤(pán)管空調(diào)末端N+1冗余配置用于IT服務(wù)器的制冷送風(fēng)采用彌漫送風(fēng)形式。

2、氣流組織

空調(diào)設(shè)備送出的冷風(fēng)通過(guò)百葉風(fēng)墻至IT機(jī)柜冷通道內(nèi)封閉熱通道熱回風(fēng)經(jīng)過(guò)吊頂回至空調(diào)設(shè)備。此水平置換送風(fēng)的氣流組織改變了傳統(tǒng)地板下送風(fēng)、上送風(fēng)和水平行級(jí)送風(fēng)等形式熱通道封閉提高了IT機(jī)房整體熱流密度氣流組織更優(yōu)且無(wú)需架空地板降本增效。另外采用彌漫送風(fēng)形式可以最大化利用機(jī)房的空間相比于同制冷量的其他形式精密空調(diào)單位冷量下的占地面積更小供冷密度更高通過(guò)密排布置更容易實(shí)現(xiàn)后期擴(kuò)展方便部署尤其適用于大型數(shù)據(jù)中心高密度部署適應(yīng)更高服務(wù)器機(jī)架的設(shè)計(jì)。氣流組織和氣流場(chǎng)如圖1、圖2所示。

 圖1 機(jī)房氣流組織示意圖

圖2 機(jī)房CFD氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

3、末端形式

空調(diào)設(shè)備的冷源接管采用雙盤(pán)管形式。第一道盤(pán)管的冷媒為冷卻水夏季提供預(yù)冷冷源冬季時(shí)關(guān)閉#xff1b;第二道盤(pán)管的冷媒為冷凍水提供再冷冷源。

4、工況設(shè)定

夏季和過(guò)渡季節(jié)時(shí)熱通道內(nèi)的空氣先經(jīng)過(guò)第一道冷卻水盤(pán)管預(yù)冷然后再經(jīng)過(guò)第二道冷凍水盤(pán)管冷卻后送入冷通道內(nèi)。冬季時(shí)關(guān)閉第一道冷卻水盤(pán)管段僅開(kāi)啟第二道冷凍水盤(pán)管熱通道內(nèi)的空氣直接通過(guò)第二道冷凍水盤(pán)管冷卻后送入冷通道內(nèi)。

5、節(jié)能原理

• 延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間

空調(diào)設(shè)備采用雙盤(pán)管的形式全年均可實(shí)現(xiàn)自然冷卻尤其在過(guò)渡季和冬季時(shí)可以更好地利用自然冷源減少冷水機(jī)組的能耗。同時(shí)IT服務(wù)器機(jī)柜采用較高的送、回風(fēng)溫度可以提高冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的供、回水溫度進(jìn)而提高冷水機(jī)組的制冷效率同時(shí)獲得更多的自然冷卻時(shí)間降低整個(gè)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的PUE值。

• 合理分配冷量

在每臺(tái)空調(diào)設(shè)備的冷凍水回水支管和冷卻水回水支管上分別設(shè)置能量閥通過(guò)控制能量閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)進(jìn)入冷凍水盤(pán)管和冷卻水盤(pán)管的水流量從而滿足數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)的送風(fēng)溫度要求。能量閥由流量計(jì)、供回水溫度傳感器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成可以確保通過(guò)閥體的最大流量等于盤(pán)管的額定流量精準(zhǔn)控制不產(chǎn)生過(guò)流現(xiàn)象避免能量浪費(fèi)。同時(shí)可以進(jìn)行壓力無(wú)關(guān)型的調(diào)節(jié)杜絕大流量小溫差現(xiàn)象從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

• 高效精準(zhǔn)送風(fēng)

IT機(jī)房中的空調(diào)設(shè)備采用群控方式在每個(gè)冷通道內(nèi)均勻布置溫度傳感器采取最不利點(diǎn)處的送風(fēng)溫度通過(guò)空調(diào)設(shè)備的群控控制器控制機(jī)組的EC風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備的送風(fēng)風(fēng)量達(dá)到節(jié)能目的?？照{(diào)設(shè)備采用EC風(fēng)機(jī)技術(shù)可以節(jié)省設(shè)備內(nèi)部的空間風(fēng)量大且效率高功耗和噪音更低可以實(shí)現(xiàn)10%~100%的無(wú)極調(diào)速同時(shí)可以軟啟動(dòng)無(wú)需皮帶傳動(dòng)散熱性能更好故障率更低從而可以降低數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中空調(diào)設(shè)備的能耗降低PUE值。

冷源控制及運(yùn)行模式

1、群控系統(tǒng)

制冷單元設(shè)置群控系統(tǒng)冷水機(jī)組可以根據(jù)冷凍水系統(tǒng)的供回水溫度和機(jī)組電流自動(dòng)選擇運(yùn)行臺(tái)數(shù)以便達(dá)到最佳的節(jié)能狀態(tài)。系統(tǒng)管理器監(jiān)測(cè)制冷單元的運(yùn)行時(shí)間當(dāng)末端負(fù)荷減少時(shí)關(guān)閉運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的冷水機(jī)組保持所有冷水機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間相當(dāng)。

冷卻塔的進(jìn)出水分別配置溫度傳感器可以根據(jù)進(jìn)出水溫度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率降低冷卻塔的能耗。冷卻塔接受來(lái)自數(shù)據(jù)中心大樓BA系統(tǒng)的整體啟動(dòng)和停止控制指令并將機(jī)組的已啟動(dòng)或已停止?fàn)顟B(tài)信號(hào)、綜合報(bào)警信號(hào)和主要工藝參數(shù)送入自控系統(tǒng)。

2、工況控制

• 溫度控制

檢測(cè)冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)供、回水管路上的溫度、壓力和流量。冷凍水系統(tǒng)的供回水溫度設(shè)定值全年恒定。冷卻水夏季供回水溫度設(shè)定值根據(jù)所選擇的冷卻塔逼近度確定冬季冷卻水供回水溫度設(shè)定值與冷凍水一致。當(dāng)冷卻水系統(tǒng)的供水溫度低于設(shè)定值時(shí)調(diào)節(jié)冷卻塔的風(fēng)機(jī)頻率當(dāng)閉式冷卻塔的風(fēng)機(jī)處于最低頻率時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水系統(tǒng)供回水旁通管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制此溫度。

• 蓄冷控制

在每個(gè)閉式蓄冷罐的出水管上安裝溫度傳感器監(jiān)測(cè)出水溫度。當(dāng)閉式蓄冷罐的出水溫度大于設(shè)定值且冷凍水系統(tǒng)主管溫度等于設(shè)定值的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2min時(shí)蓄冷罐進(jìn)行沖冷。另外在屋面上設(shè)置干球溫度和濕球溫度的檢測(cè)為冷源系統(tǒng)的運(yùn)行模式切換提供室外參數(shù)依據(jù)。

• 壓力控制

系統(tǒng)末端設(shè)置壓差傳感器可以根據(jù)最不利環(huán)路壓差來(lái)控制冷凍水循環(huán)泵和冷卻水循環(huán)泵的頻率以及壓差旁通閥的開(kāi)度保證供回水管路的壓差不大于0.10MPa。當(dāng)末端負(fù)載增加時(shí)最不利環(huán)路的實(shí)際壓差變小這時(shí)通過(guò)提高循環(huán)泵的運(yùn)行頻率使得最不利環(huán)路的壓差達(dá)到設(shè)定值。反之末端負(fù)載減小時(shí)最不利環(huán)路的實(shí)際壓差變大這時(shí)通過(guò)降低循環(huán)泵的運(yùn)行頻率使得最不利環(huán)路的壓差達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)循環(huán)水泵的運(yùn)行頻率降低至最低頻率時(shí)開(kāi)啟供、回水旁通管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)的開(kāi)度由最不利環(huán)路的壓差來(lái)控制。

3、模式轉(zhuǎn)換

夏季和過(guò)渡季節(jié)末端空調(diào)設(shè)備開(kāi)啟第一道冷卻水盤(pán)管進(jìn)行預(yù)冷同時(shí)開(kāi)啟第二道冷凍水盤(pán)管進(jìn)行再冷此時(shí)冷卻塔、冷卻水泵、冷水機(jī)組、冷凍水泵全部開(kāi)啟蓄冷罐進(jìn)行蓄冷運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)市電斷電時(shí)蓄冷罐進(jìn)行放冷運(yùn)行狀態(tài)此時(shí)冷凍水泵處于全部開(kāi)啟狀態(tài)冷卻水泵全部關(guān)閉。當(dāng)市電恢復(fù)或者柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)供電正常后蓄冷罐進(jìn)行充冷充冷完成后蓄冷罐再次進(jìn)入正常的蓄冷運(yùn)行狀態(tài)。

冬季冷卻水系統(tǒng)的供回水溫度達(dá)到冷凍水設(shè)計(jì)溫度時(shí)空調(diào)設(shè)備關(guān)閉第一道冷卻水盤(pán)管只開(kāi)啟第二道冷凍水盤(pán)管系統(tǒng)將冷卻塔提供的冷卻水轉(zhuǎn)換至第二道冷凍水盤(pán)管進(jìn)行供冷。此時(shí)冷卻塔和冷卻水泵全部開(kāi)啟負(fù)擔(dān)末端空氣處理機(jī)組AHU的全部冷負(fù)荷冷水機(jī)組和冷凍水泵全部關(guān)閉節(jié)省制冷所需能耗。蓄冷罐進(jìn)行蓄冷運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)市電斷電時(shí)蓄冷罐進(jìn)行放冷運(yùn)行狀態(tài)此時(shí)冷卻水泵處于全部開(kāi)啟狀態(tài)冷凍水泵全部關(guān)閉。當(dāng)市電恢復(fù)或者柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)供電正常后蓄冷罐進(jìn)行充冷充冷完成后蓄冷罐再次進(jìn)入正常的蓄冷運(yùn)行狀態(tài)。

冷水機(jī)組和冷卻塔的配電方式為市電供電。夏季和過(guò)渡季節(jié)時(shí)冷凍水泵的配電方式為UPS電源供電冷卻水泵的配電方式為市電供電#xff1b;冬季時(shí)冷卻水泵的配電方式為UPS電源供電冷凍水泵的配電方式為市電供電。服務(wù)于冷凍水泵和冷卻水泵的UPS電源可以在冬夏季時(shí)根據(jù)運(yùn)行模式進(jìn)行切換共用一套UPS電源從而降低動(dòng)力UPS的數(shù)量節(jié)省初投資。

結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)大力發(fā)展數(shù)據(jù)中心的時(shí)期數(shù)據(jù)中心的能源消耗占比逐步增大數(shù)據(jù)中心的PUE值面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。通過(guò)本文中高效節(jié)能冷源系統(tǒng)和雙盤(pán)管空氣處理機(jī)組相結(jié)合的空調(diào)架構(gòu)形式可以使整個(gè)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的PUE值達(dá)到1.25以下滿足國(guó)家節(jié)能政策的要求對(duì)助力我國(guó)完成“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)新一代綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心建設(shè)具有重要意義。

本文標(biāo)題：高效節(jié)能雙冷源空調(diào)架構(gòu)在某新建數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中的應(yīng)用

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