某集裝箱式數據中心空調系統設計

黃世鵬

摘 要：介紹了某集裝箱式數據中心的空調系統設計，包括主要室內參數、冷源、冷凍水和冷卻水系統、空調風系統、自動控制系統等。探討了該系統的節能環保措施。

關鍵詞：模塊化；冷源；水系統；風系統；冷熱通道；免費制冷；連續供冷；節能

引言

為有效利用數據中心基礎設施資產，適應數據中心快速靈活發展、低成本建設和運營的要求，模塊化數據中心開始廣為業界接受。其中，集裝箱式數據中心是將機柜、空調、配電柜、消防、安防、監控、制冷設備、UPS、發電機等基礎設施部分或全部集成安裝到一個標準貨運集裝箱內，從而構建一個高度集成、靈活擴建、多種功能用途的數據中心，具有快速部署、成本低、支持滾動式擴容、應用范圍廣等特點，得到越來越多的應用，市場前景廣闊。

1 工程概況

該項目地點位于廣東省某市科技園區，按GB50174-2017分級為A級，滿足Uptime Tier Ⅲ級別設計認證要求，IT機柜總數為1050臺，平均功率密度為8kw/柜。項目總建筑面積約8200平方米，包括主建筑、制冷站和柴油發電機房。主建筑共5層，一層為支持區，包括變配電室、中壓室、電池室，二～五層為主機房，每層設強電間、弱電間和新風機房；制冷站共2層，一層設置冷源水力模塊、冷凍水力模塊、冷卻水力模塊、蓄冷罐等，二層設置冷卻塔、動力變配電室等。

主建筑層高為4.15m，一～五層均設置架空地板。一層支持區的變配電柜、變壓器、UPS、電池等輔助設施集成安裝為電源動力箱，二～五層主機房的IT機柜、配電柜、空調采用雙排密封熱通道微模塊形式進行布置，每個微模塊及其消防、安防、監控等設施集成安裝為雙拼IT箱，集裝箱通過“搭積木”的方式堆疊安裝組成主建筑。

2 空調冷負荷及室內設計參數

空調系統夏季冷負荷主要包括設備散熱、圍護結構得熱、外窗進入的太陽輻射熱、人員散熱、照明散熱、新風負荷、散濕過程產生的潛熱等。數據中心的主要特點為：顯熱負荷大，設備冷負荷占比最大，新風量小，濕負荷小等。該項目空調總冷負荷為9270kw，設備冷負荷為8610kW，占比為93%。

該項目主要室內設計參數見表1。

表1 室內設計參數

3 空調冷源

該項目設置2個獨立的制冷站，每個制冷站包括水冷離心式冷水機組、板式換熱器、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵各3臺，配置均為2+1，水泵與冷水機組、板式換熱器一對一接管，并配套水處理、定壓補水等設備，室外地面設置2個蓄冷罐。冷水機組和板式換熱器“1+1”組成3個冷源水力模塊，3臺冷凍水泵及其加藥、定壓補水設備組成1個冷凍水力模塊，3臺冷卻水泵及其旁濾、加藥設備組成1個冷卻水力模塊，每個模塊均集成安裝到一個集裝箱內。制冷站的冷源系統原理如圖1所示。

圖1 制冷站冷源系統原理圖

為保證供電故障正常冷源臨時停機時，空調系統能維持正常運行、連續供冷，每個制冷站設置2個閉式蓄冷罐作為應急冷源，蓄冷時間為10min，冷凍水泵、控制系統、末端空調風機均由不間斷電源系統供電。

4 空調水系統

冷凍水系統采用閉式一次泵變流量系統，根據最不利回路末端壓差調節水泵變頻器運行頻率，改變負荷側流量。為提高系統的可靠性，冷凍水供回水管路采用環形管網和雙供雙回方式布置，主建筑內冷凍水管、冷凝水管均敷設于架空地板下。

圖2 冷凍水管網示意圖

冷卻水系統采用母管制、環形管網布置，冷卻塔進出水管道采用并聯方式連接。冷卻塔補水干管也布置成環路，以提高冷卻塔補水的可靠性。冷卻塔附近設置2個補水罐，由2路市政自來水保證水源供應，當市政自來水出現故障時，水罐容積能保證系統滿負荷連續運轉12小時。

5 空調風系統

IT機柜均為前進風、后出風的冷卻方式，面對面之間的通道為冷通道，背對背之間的通道為熱通道。空調采用冷凍水行級機房空調，安裝于機柜之間，氣流組織為前送后回，配置為N+1（每個微模塊冗余1臺）。行級空調采用EC風機，可群控組網、無極調速，精確匹配機柜的風量要求，且緊靠熱源實現近端制冷，縮短了送風距離，更有利于節能。

機列與機列之間形成密封隔離的冷、熱通道，消除了冷、熱氣流的混合現象，可針對不同發熱量的設備進行風量匹配和冷量調節，實現了定點、定量輸送冷風，大大提高冷風的利用率和送回風溫差，提高了末端機房空調的制冷效率，能耗明顯降低。

圖3 微模塊示意圖

6 節能與環保

冷卻能耗在數據中心總能耗中占比居高不下，機械空調系統的占比高達30%～45%，如何降低冷卻能耗已成為當今數據中心節能的最重要課題。評價數據中心的能源效率，通常采用電能利用效率PUE來衡量，PUE越接近1，表明能效水平越好，該項目的設計PUE為1.4。

該項目空調系統的節能設計主要體現在以下5個方面：1）采用變速驅動的離心式水冷冷水機組，并提高冷凍水供水溫度、加大供回水溫差，有效地提高了機組滿負荷和部分負荷下的運行效率；2）過渡季節、冬季采用免費制冷技術；3）IT機柜采用密封冷、熱通道的冷卻方式，避免冷風和熱風的混合，提高了末端冷卻的效率；4）主機房采用溫、濕度獨立控制的空調方式；5）根據負荷變化情況，采用變頻、自動控制等技術進行調節。

7 免費制冷技術應用

機械空調系統中壓縮機能耗占比高達50%，因此合理地利用自然冷卻技術，可以明顯減少數據中心的全年能耗，目前已成為國內外公認的節能重要措施。該項目空調冷源采用技術成熟的開式冷卻塔間接自然冷卻系統，冷水機組和板式換熱器采用串聯模式。冷凍水供回水溫度為15/22℃，冷卻水夏季供回水溫度為32/38℃，冬季供回水溫度為14/21℃。

根據室外環境溫度的變化，系統通過閥門、設備的控制實現3種工作模式：完全機械制冷、部分免費制冷、完全免費制冷。當室外濕球溫度Ts≥17℃，冷卻塔出水溫度Tqg≥21℃時，系統由冷水機組單獨供冷，板式換熱器不工作，冷凍水不經過板式換熱器、直接被旁通進入冷水機組。當室外濕球溫度10℃≤Ts≤16℃，冷卻塔出水溫度14℃≤Tqg≤20℃時，系統由冷水機組和板式換熱器同時供冷，冷凍水先進入板式換熱器預冷后再進入冷水機組。當室外濕球溫度Ts≤9℃，冷卻塔出水溫度Tqg≤13℃時，系統完全由冷卻塔通過板式換熱器間接向末端空調供冷，冷水機組不工作。

8 結束語

近年來，在云計算和大數據應用的促進下，服務于各行各業的數據中心越來越多，機柜功率密度也越來越高，數據中心產業迎來了新一輪的建設高峰，模塊化、綠色節能和自動化是未來的發展趨勢，對工程設計各專業技術人員都提出了更高要求。空調系統根據項目具體情況采取適宜的節能措施，直接影響到數據中心的運行成本和PUE數值，對整個數據中心的節能有著非常重要的意義。

參考文獻

[1] 中國電子工程設計院. GB 50174-2017 數據中心設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2017.

[2] 中國工程建設標準化協會. TCECS 487-2017 數據中心制冷與空調設計標準[S].北京：中國計劃出版社，2017.

[3] 鐘景華，朱利偉，曹播，丁麒鋼，等. 新一代綠色數據中心的規劃與設計[M]. 電子工業出版社，2010.

[4] 殷平. 數據中心研究（7）：自然冷卻[J]. 暖通空調，2017（11）：49-60.

[5] 陳延鈞. 模塊化集裝箱式數據中心應用淺析[J]. 智能建筑與城市信息，2011（8）：34-38.

[6] 韓武松，鄭坤，徐俊杰，郭然，滿孝新. 上海某數據中心空調系統設計[J]. 暖通空調，2016，46（8）：74-78.