數據中心通風空調系統設計特點分析

范琛

引言

“互聯網+”與“大數據×”背景下，互聯網技術的應用越來越廣泛，深度融入到國內經濟、文化、社會等各個方面。政府的大力扶植、社會日益增長的需求，促進了信息技術更快的發展，同時對承載數據集成的數據中心的需求量越來越大。

空調系統是數據中心設備安全、穩定運行的基本保證。數據中心空調系統不同于一般舒適性空調系統，其主要目的是消除設備散熱，保證機房穩定運行，且需全天24h制冷運行。本文將結合某數據中心項目簡要介紹數據中心通風與空調設計的特點。

1 室內環境要求

數據機房的負荷大多來源于設備散熱[1]，其負荷特點：顯熱負荷大、濕負荷很小。數據機房全年不間斷運行，運行環境的溫度、相對濕度、空氣潔凈度均需滿足其安全性與使用要求，機房內的空調系統需具有很高的可靠性。

表1 室內設計參數

表2 室內通風換氣次數

2 空調冷熱源

2.1 空調冷源

該項目冷源采用水冷離心式冷水機組，單臺制冷量為：2400USRT（8441kW），冷凍水供回水溫度：17/23℃，冷卻水供回水溫度：30/36℃，冷水機組采用10kV供電。制冷系統按5+1的備用方式設置[2]，冷凍水系統設計為一次泵變流量系統，板式換熱器與冷水機組一一對應，管路設計為環路設計，保證系統可在線維護，提高可靠性。

為滿足IT機房全年運行要求，系統需滿足連續供冷。一次泵、精密空調機組采用UPS（不間斷電源）供電，蓄冷罐容積保證系統滿負荷連續運行15min，該項目蓄冷罐所需有效容積為1200m3，采用開式蓄冷罐，室外放置。市政供電時，蓄冷罐處于蓄冷狀態，充滿17℃的冷凍水。市政斷電時，轉由備用柴油發電機供電，一次泵，機房精密空調連續運轉，在冷水機組恢復正常運轉之前，蓄冷罐處于放冷狀態，提供系統冷凍水，保證水系統的連續供冷。

圖1 冷凍水系統原理圖

該項目冷卻水系統按5+1的備用方式設置，冷卻水系統采用每臺冷水機組獨立環路，冷水機組與冷卻水泵、冷卻塔均一一對應，冷卻塔風機采用變頻設置，冷卻塔按極端濕球溫度和冬季自然冷卻濕球溫度選取，冷卻塔置于屋頂屋面。

圖2 冷卻水系統原理圖

該項目地下室設有冷卻水補水池，采用市政兩路進水。冷卻水補水池容積為2500m3，當市政給水出現故障時，冷卻水補水池保證系統滿負荷連續運轉24h。冷凍水系統的補水定壓采用兩個定壓罐互為備用的方式，定壓罐采用市政兩路補水。

考慮到該項目位于寒冷地區，冷卻塔接水盤內設電加熱棒，室外管道設有電伴熱，防止冬季結凍。

2.2 空調熱源

本項目不單獨設熱源，輔助區的房間設水源熱泵機組（吊頂式），冬季供熱，水源由17℃冷凍水供給。

新風機組設有水源熱泵模塊，采用17℃的冷凍水預熱，采用水源模塊再熱，滿足室內要求后送入室內，電加熱作為水源熱泵模塊的備用。

補風加熱采用17℃的冷凍水加熱至5℃送到室內。

3 空調風系統

3.1 服務器機房（主機房）

主機房內所有IT機柜采用面對面、背對背的冷熱通道形式[3]，機房空調機組與機柜行列成垂直擺布。機房空調采用下送上回的送風方式：機房空調機組將處理好的冷空氣送入活動地板靜壓箱空間，通過地面開放式格柵地板吹向計算機設備，室內熱風上升，由封閉的熱通道和吊頂靜壓箱進行回風。

圖3 機房氣流組織剖面圖

服務器機房采用精密空調機組，每個機房模塊設置8臺精密空調，單側布置，按7+1模式冗余配置。每個機組配有單冷盤管，下出風EC風機，變風量，微電子控制器，空氣過濾器（0.5μm顆粒）等。

機房精密空調機組的顯熱：170kW，冷凍水供回水溫度：17/23℃。IT設備進風溫度：23℃；熱通道回風溫度：35℃。

空調通道設有機房專用濕膜加濕器，滿足冬季與過渡季節時的加濕要求，以保證室內空氣濕度。

3.2 UPS室及變配電站

UPS室及變配電站采用精密空調機組，按N+1的備用方式配置。風機采用頂送風，空調風管貼頂部送至各變配電柜間隙，空調回風采用走道隔墻上側下回風。

3.3 電池室

設置水源熱泵盤管，按N+1的備用方式配置，置于空調間內，接送風管進入電池室，回風采用墻上開百葉，滿足房間溫度要求。

電池室設有事故、平常排風，電池室補風由相鄰UPS間滲漏。

每個電池室將安裝氫氣泄露檢測系統，與排風機聯鎖。

3.4 鋼瓶間

鋼瓶間設有排風系統，當室內消防氣體濃度超過安全值時啟動排風系統，排風系統換氣次數按3次/h[4]設計。

3.5 新風系統

新風量按以下原則確定：①滿足人員最小新風量需求：40m3/人·h。②保證機房內正壓要求：5～10Pa。③夏季新風處理至等室內露點溫度，以控制室內濕度。

送入新風，使IT和電氣機房形成正壓，阻止外界灰塵與微粒的滲入，同時控制室內濕度，防止靜電產生、避免凝結水聚集，保證機房精密空調100%顯冷冷卻。該項目機房新風量按1次/h設計。

夏季，新風經冷水盤管和水源熱泵處理至等室內露點溫度，送入室內。冬季，新風經預熱盤管加熱至5℃，再經水源熱泵加熱至高于室內露點溫度后送入室內吊頂，與機房空調機組回風混合，經處理再送入室內，濕度由機房專用濕膜加濕器控制。

送入各房間的新風系統末端采用VAV，采用機房內與走道壓差控制，調節送風量，滿足機房5～10Pa正壓的要求。

4 空調水系統

冷凍水經由地下室內環路管道送出，豎向由2組雙立管分別送至各樓層，每組冷凍水為環路，接至各個空調末端，包括：機房精密空調，新風機組，水源熱泵。

機房精密空調設有單冷盤管，接17/23℃冷凍水，承擔IT機房顯熱負荷。

新風機組設有單冷盤管，水源熱泵模塊。冷凍水接至機組單冷盤管和水源熱泵冷卻盤管。

輔助間設水源熱泵機組，接17/23℃冷凍水作為水源，夏季制冷，冬季供熱，能量回收。

5 自然冷源

采用水側自然冷卻系統[5]，由冷卻塔、板式換熱器、冷卻水泵及所需配件組成，每臺冷水機組配有一臺板式換熱器，冷卻塔、板式換熱器、冷水機組一一對應。根據室外季節變化，冷卻水溫度會不斷變化，冷凍水制備分為三種模式：即電制冷模式、部分自然冷卻模式、完全自然冷卻模式，三種工況切換由自控系統實現。自然冷卻設計可以充分利用室外天然冷源，以節省冷水機組運行費用。當室外濕球溫度降低，冷卻塔提供的冷卻水供水溫度低于22℃時，系統進入部分自然冷卻狀態，冷卻水經板式換熱器冷卻冷凍水回水，冷凍水回水經板式換熱器部分冷卻后進入冷水機組蒸發器，提供17℃的冷凍水。當室外濕球溫度足夠低，冷卻塔可以提供低于15℃的冷卻水時，系統進入完全自然冷卻狀態，冷凍水經板式換熱器與冷卻水進行水水交換，直接提供17℃的冷凍水，冷水機組關閉?；谠擁椖康漠數貧庀髤到y計[6]，一年50%的時間為完全自然冷卻，18%的時間為部分自然冷卻。

6 結語

在實際工程設計中，數據中心的空調系統應能適應客戶不同標準的需求，根據項目特點，選擇適宜的方案?？紤]到很多大型數據中心分期建設的情況，空調系統設計時應考慮周全，以備在后期的實施中，根據客戶的實際需要做出相應快速、便利地調整。

[1]中國電子工程設計院.《電子信息系統機房設計規范》（GB50174-2008）[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2]ASHRAE Standard Committlee.ASHRAE TC9.9Thermal guidelinesfor date processing environments[M].2nd ed.ASHRAEStandards Commitee，2008.

[3]鐘志鯤，丁濤.數據中心機房空氣調節系統的設計與運行維護[M].人民郵電出版社，2009.

[4]中國建筑科學研究院.《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[5]李競.過渡季節冷卻水的節能應用研究[D].上海：同濟大學，2007.

[6]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[7]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（上下冊）第二版[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.