大型數據中心空調制冷系統技術

史相茹 萬奇 趙永成

摘要：數據中心空調系統需要把機房內的熱量轉移到機房外。熱量向大氣散熱的方式多種多樣，決定了機房專用空調設備制冷形式的多樣化。根據北京地區的氣象條件，水冷冷水機組配合水側自然冷卻方案能夠顯著降低運行費用，TCO（總擁有成本）最小，目前大型數據中心基本采用這種方案。

關鍵詞：大型數據；中心空調；制冷系統技術

中圖分類號：TU83文獻標識碼：A文章編號：2095-3178（2018）19-0366-01

1大型數據中心空調制冷系統特點

大型數據中心需安裝配置多臺大容量冷水機組。大型數據中心

的建筑規模在幾萬平方米以上，機柜數大于3000個標準機架，各種設備用電量大、發熱量大。為了排出所散發的熱量，需多臺大容量冷水機組同時運行，以提供足夠冷量。空調制冷系統是保障數據中心核心設備安全、穩定運行的必要條件，必須連續運行，具備高可用度。GB50174—2017《數據中心設計規范》和DXJS1029—2011《中國電信IDC機房設計規范》將數據中心劃分為A、B、C3級，美國UptimeInstitute《數據中心場地設施等級標準》將數據中心劃分為4級。不同級別的機房對空調制冷系統的要求不盡相同（表1）。GB50174—2017的A和B級機房、中國電信IDC機房標準，以及美國UptimeIn-stitute的T3、T2級機房主要采用了設備冗余。

數據中心能耗主要集中在IT設備和制冷設備方面，其中制冷系統能耗占機房運行能耗的30%～50%。節能降耗是大型數據中心規劃設計的重點之一，而制冷系統是其中的關鍵。高可維護性和高可管理性有利于機房降低成本，提升可用度，降低能耗。維護包括維修和維保，方便維修可縮短故障設備平均恢復時間，提升可用度。高可維護性有利于設備降低故障率，提升可用度，延長壽命。高可管理性有利于及時準確獲得系統狀況，以便進行故障排除，提供預測性故障分析，能源使用分析，利于降低不必要的能耗。大型數據中心需具備高可維護性和高可管理性。高可用度、高可維護性、高可管理性和節能性是對空調制冷系統的要求。本文從這4個維度對兩種連接方式進行分析。

2兩種連接方式的分析2.1兩種連接方式的特點

（1）采用多冷源并聯方式的系統，其每一臺冷水機組必須要在同等的位置上，并且能夠單獨的進行暫停與開啟的操作，同其他的制冷系統不存在互相影響的關系。當某一套制冷系統出現故障問題導致停機時，只需要啟動處于冗余的那套系統即可保證IT設備對制冷系統的要求。（2）采用設備群組方式的系統，是一種由不同的邏輯設備串聯在一起，在邏輯上表現為一套制冷系統的冷源系統。實際上，一套邏輯設備只是有一組設備所組成的，特點是其具有一臺能力更強以及可用度更高的邏輯設備的表現。設備群主要由冷水機組群等組成，并將各種設備群串聯在一起，在工作過程中，一個設備群出現故障問題，那么整個系統就會出現故障。從系統的布局上看，多冷源采用并聯的連接方式，其最主要的特點是每套獨立的系統都有著自己獨立的水管路，水管路的數量非常多。設備群組進行串聯的連接方式，其最主要的特點是只有一套水管路，在結構上要更加的整齊劃一。選用設備群組串聯的連接方式時，水管路的管徑需要增大，以便于能夠降低水管路的阻力，從而使得對制冷系統水管路大流量的要求得到滿足。

2.2可用度分析

在多冷源并聯連接的方式下，對于其中的單獨的一套系統而言，

其中的各個設備的連接形式為串聯。一套系統可用度表示公式為：假設存在N+X（X=1～N）套單獨系統，其中X套作為冗余，在N套單獨系統正常運轉時，系統正常運轉。由于每套系統都是獨立的，相互之間沒有影響。系統為N^N+X）表決模型，可用度用S表示，公式為：S=a+R（1—R）N+X1在設備群組串聯連接的方式下，其中的設備為先并聯連接在串聯連接。假設冷卻塔、水泵（假設冷卻水泵和冷凍水泵可用度一樣）和冷水機組組合在一起的設備群組可用度表示為只1、只'2、只'3，可用度用R1.R2.R3.R4表示）表決模型計算，可用度計算公式為：S，=R，1R，2R，3R，4，其中R為單個群組的可用度。在實際中，因為可用度還與產品的質量有關，所以冷卻塔的可用度、冷卻水泵的可用度以及冷水機組的可用度都與廠家密切相關。在自然的冷卻的條件下，設備群組串聯連接的方式相對來說可用度要高一些。

2.3可維護性比較

可維護性好壞的參考標準主要是系統在特定的工作環境下以及

一定的時間之內，完成規定的功能的能力高低，以及對設備進行維護的難易。多冷源并聯連接的方式，其接管相對較多，而設備群組串聯連接的方式，其管道的數量非常少，布置更加的簡潔明了，對于操作以及對產生的故障問題進行診斷來說，較為方便。在多冷源并聯連接的方式下，一臺設備的停止，使得整套系統也要停止，但是在設備群組并聯連接的方式下，設備的啟動與停止很好的控制在設備群組的內部中。并且在設備采購上，設備群組連接方式中，群組中的設備并行運行，所需要參照的標準指標一致，若要更換或者維修可以采用同種型號的設備，要優于采購受限的多冷源并聯連接的方式。

2.4可管理性與節能性的比較

在設備群組串聯連接的方式下，維護人員需要通過調節平衡閥

以保證水流量在各設備間分配均衡，不運行的設備還需要關斷截止閥，以防止旁通分流。并且處于同一設備群組的設備，還需要保證水的阻力一致，以保證水的流量均衡。因此，采用設備群組串聯連接的方式的系統對維護人員要求較高，管理方式較為復雜。在多冷源并行方式下，每一個單獨的系統都可以說是獨立在運行，所以水流量分配均衡、設備旁通分流等問題不需要考慮，因此可管理性較好。最近的這幾年，冷水機組的效率越來越高，以至于水泵的能耗占比越來越高，甚至達到整個系統總能耗的15%～35%，設備群組方式有更多的方法來調節水的流量和揚程，可實現多臺水泵同步變頻+變頻水泵臺數控制。在多冷源并聯方式下，水泵只能進行水泵變頻控制，無法實現臺數控制，所以設備群組方式在水泵控制方面有著節能性高的優點。

結論

大型數據中心的設備數量眾多，并且能源消耗巨大，需要通過

打胎大型冷水機連續不間斷的制冷來滿足正常工作的需求。通過，對兩種不同連接方式的研究與比較，設備群組串聯連接方式在可用度以及可維護性上要略勝一籌，更加的契合大型數據中心對制冷系統的要求，同時還便于多種節能措施的實施。總而言之，設備群組串聯連接的方式，不管是在現在還是在未來，都有著更好的發展前景。

參考文獻

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