數(shù)據(jù)中心空調(diào)水系統(tǒng)及柴油系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

葉芳

摘 要：文章介紹了有關(guān)數(shù)據(jù)中心的基本概念、等級(jí)劃分以及相關(guān)的技術(shù)要求，同時(shí)通過工程實(shí)例對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)水系統(tǒng)和柴油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程進(jìn)行介紹，達(dá)到介紹指導(dǎo)設(shè)計(jì)的作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；空調(diào)水系統(tǒng)；蓄冷系統(tǒng)

1 基本概念

1.1 什么是數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心通常是指在一個(gè)物理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的集中處理、存儲(chǔ)、傳輸、交換、管理，一般還有計(jì)算機(jī)設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通訊設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備。數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施是指為確保數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵設(shè)備和裝置等能安全、穩(wěn)定和可運(yùn)行而設(shè)計(jì)配置的基礎(chǔ)工程。

1.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房的分級(jí)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50174-2008主要從機(jī)房的選址、建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)房環(huán)境、安全管理及供電電源質(zhì)量要求等方面對(duì)機(jī)房進(jìn)行分級(jí)，可分為A（容錯(cuò)型）、B（冗余型）、C（基本型）三個(gè)級(jí)別，要求從高到低的順序?yàn)锳、B、C。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)通信工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）發(fā)布的ANSI/TIA-942《數(shù)據(jù)中心通信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的可用性、穩(wěn)定性和安全性將數(shù)據(jù)中心分為TierⅠ 基本型，TierⅡ 冗余型，TierⅢ 可在線維護(hù)型，TierⅣ 容錯(cuò)型 四個(gè)級(jí)別。要求從低到高的順序?yàn)門ierⅠ，TierⅡ，TierⅢ，TierⅣ。

1.3 術(shù)語(yǔ)。N——系統(tǒng)滿足基本要求，沒有冗余。

N+X冗余——系統(tǒng)滿足基本需求外，增加了X個(gè)單元，X個(gè)模塊或X個(gè)路徑。任何X個(gè)單元、模塊或路徑的故障或維護(hù)不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中斷。（X=1～N）

2 數(shù)據(jù)中心級(jí)別及對(duì)應(yīng)的技術(shù)要求

3 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

位于廣東省某數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房具有高發(fā)熱量、低散濕量的特性，空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷特點(diǎn)是顯熱負(fù)荷密度大、濕負(fù)荷相對(duì)較小，具有極高的顯熱比，考慮到數(shù)據(jù)中心本身幾乎沒有濕負(fù)荷，可以按照新風(fēng)系統(tǒng)單獨(dú)處理濕負(fù)荷或設(shè)置濕度控制機(jī)組單獨(dú)控制濕度，其它機(jī)房空調(diào)機(jī)只處理顯熱負(fù)荷的方式進(jìn)行空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由此將冷凍水系統(tǒng)分為兩種出水溫度，一種是水溫高于數(shù)據(jù)中心模塊露點(diǎn)溫度的中溫冷凍水系統(tǒng)，只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中心模塊和UPS/電池間的顯熱負(fù)荷；一種是水溫低于數(shù)據(jù)中心模塊露點(diǎn)溫度的，給模塊中心及UPS/電池間濕度控制機(jī)組提供濕度控制的低溫冷凍水系統(tǒng)。在中溫水系統(tǒng)中設(shè)置水蓄冷罐進(jìn)行蓄冷。

3.1 低溫冷凍水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目低溫冷凍水系統(tǒng)總冷負(fù)荷約為2500kW。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)技術(shù)要求，冷凍水機(jī)組采用N+1冗余，設(shè)計(jì)選用三臺(tái)水冷離心式冷水機(jī)組，兩用一備形式。單臺(tái)機(jī)組額定制冷量約為1400kW，額定功率380kW。冷凍水供/回水溫度：6/13℃；冷凍水系統(tǒng)為一次泵變流量系統(tǒng)。為輔助辦公區(qū)域、柴油發(fā)電機(jī)房、電氣室及模塊機(jī)房AHU機(jī)組提供低溫冷源。低溫冷卻水系統(tǒng)在屋面設(shè)置3臺(tái)方形橫流冷卻塔（2用1備），為3臺(tái)水冷離心式冷水機(jī)組（2用1備）提供冷卻水，冷卻水供、回水溫度為32/37℃。

3.2 中溫冷凍水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目中溫冷凍水系統(tǒng)總冷負(fù)荷約為23000KW。設(shè)計(jì)共選用八臺(tái)10kV水冷離心式冷水機(jī)組提供，一期四臺(tái)機(jī)組，三用一備；二期四臺(tái)機(jī)組，三用一備。為電氣室、模塊機(jī)房及機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組提供中溫冷源。單臺(tái)機(jī)組額定制冷量約為4200kW，額定功率720kW。冷凍水供/回水溫度：13/20℃；冷凍水系統(tǒng)為一次泵變流量系統(tǒng)。中溫冷卻水系統(tǒng)在屋面設(shè)置8臺(tái)方形橫流冷卻塔，其中，一期設(shè)備4臺(tái)（3用1備），二期設(shè)備4臺(tái)（3用1備）。為8臺(tái)水冷離心式冷水機(jī)組提供冷卻水，冷卻水供、回水溫度為35/40℃。

3.3 蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（1）空調(diào)制冷系統(tǒng)的動(dòng)力來源為電力，雖然主要系統(tǒng)、部件設(shè)置了冗余、備份，但是還要考慮當(dāng)空調(diào)制冷系統(tǒng)的電力供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生意外故障時(shí)，如何保證空調(diào)制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)電力供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生意外故障停電時(shí)，空調(diào)制冷系統(tǒng)主要受到以下兩方面的影響：一是，系統(tǒng)設(shè)置備用柴油發(fā)電機(jī)組。當(dāng)正常電力供應(yīng)系統(tǒng)中斷時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組將緊急啟動(dòng)提供電力，從柴油發(fā)電機(jī)組接受指令啟動(dòng)到能夠穩(wěn)定的供電，這個(gè)過程大概需要3min的時(shí)間；第二，正常運(yùn)行的制冷機(jī)組，遇到停電故障時(shí)將進(jìn)入故障保護(hù)狀態(tài)停止運(yùn)行。當(dāng)電力恢復(fù)供應(yīng)后，制冷機(jī)組先恢復(fù)至正常開機(jī)的初始狀態(tài)，再經(jīng)過對(duì)冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵等相關(guān)部件的巡檢，確認(rèn)正常并依次開啟運(yùn)行之后，冷水機(jī)組才能再次正常啟動(dòng)。這段恢復(fù)過程最短需要約1min，最長(zhǎng)需要約15min的時(shí)間（相關(guān)廠家提供）。綜上，為了避免空調(diào)制冷系統(tǒng)在電力供應(yīng)發(fā)生故障停電時(shí)無(wú)法提供制冷，我們?cè)诳照{(diào)系統(tǒng)中設(shè)置了蓄冷儲(chǔ)罐，用來儲(chǔ)備這一時(shí)間段所需要的冷量。（2）蓄冷方式的選擇。蓄冷空調(diào)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱蓄冷系統(tǒng)）是指將冷量以顯熱或潛熱形式儲(chǔ)存在某種介質(zhì)中，并能夠在需要時(shí)放出冷量的空調(diào)系統(tǒng)。主要有水蓄冷和冰蓄冷兩種形式。根據(jù)數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷負(fù)荷的特點(diǎn)，其絕大部分為機(jī)房?jī)?nèi)處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)及其輔助設(shè)備的顯熱負(fù)荷，且在全天時(shí)間段內(nèi)基本不會(huì)變化，屬于一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)荷，這部分負(fù)荷占整個(gè)數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷負(fù)荷的比例達(dá)到90%以上，水蓄冷系統(tǒng)更適合作為數(shù)據(jù)中心冷量備份的方式。（3）本項(xiàng)目中的中溫制冷主機(jī)采用兩路電源供電，每組四臺(tái)主機(jī)，考慮當(dāng)其中一路電源中斷時(shí)，影響相關(guān)的機(jī)組為四臺(tái)（其中三用一備），按照儲(chǔ)存約20min的冷量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，蓄冷總量為：4200kW×3×20/60=4200KWh（約20min冷量）。

蓄冷罐總?cè)莘e：3600×4200kWh/（20-13）/1000/4.187=516m3。

在供冷系統(tǒng)中采用串聯(lián)水蓄冷儲(chǔ)罐的方式，共設(shè)8個(gè)儲(chǔ)罐（7用1備），則516/7=74m3

選用75m3額定容量蓄冷罐滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 柴油系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目共設(shè)置21套柴油發(fā)電機(jī)組（20用1備），單臺(tái)機(jī)組柴油需求量為500L/h。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)技術(shù)要求，柴油發(fā)電機(jī)燃料存儲(chǔ)量為24h，設(shè)計(jì)選用單個(gè)儲(chǔ)罐容積為50m3儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

柴油總儲(chǔ)存量：20×500L/h×24h/1000=240m3

柴油儲(chǔ)罐數(shù)量：240/50=4.8

共設(shè)置6個(gè)柴油儲(chǔ)油罐（5用1備）。系統(tǒng)設(shè)置4套柴油供油泵組、4套柴油泄油泵組、1套柴油過濾裝置、21個(gè)日用油箱及對(duì)應(yīng)的閥門等。

供油過程：柴油供油泵組將室外埋地柴油儲(chǔ)罐中的柴油送至地下室日用油箱間內(nèi)的日用油箱，再由日用油箱送至對(duì)應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)組。

泄油過程：泄油泵將日用油箱內(nèi)的柴油泄至室外埋地柴油儲(chǔ)罐。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，數(shù)據(jù)中心的相關(guān)設(shè)計(jì)工作最重要的是根據(jù)IT業(yè)務(wù)對(duì)可靠性的要求，選擇合適的級(jí)別，然后按照相應(yīng)的級(jí)別技術(shù)要求配置正確合適的空調(diào)水系統(tǒng)以及柴油系統(tǒng)等。空調(diào)水系統(tǒng)和柴油系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行起著非常重要的作用。