自然冷卻技術在北疆某數據中心的應用

吳學淵，嚴 政

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東廣州 510000）

1 工程概述

1.1 建筑概況

本工程為北疆某數據中心，建筑地上4 層，建筑高度22.8m，建筑面積11320m2。首層為高低壓配電用房、空調換熱機房、油機房等配套用房，2～4 層為數據機房及電力電池用房。

1.2 氣候概況

該地區位于天山北麓，亞歐大陸腹地，屬溫帶大陸性干旱氣候；降水主要集中在春季，約占全年降水的40%；夏季熱而不悶，且日照時間長；秋季干燥涼爽，且晝夜溫差大；冬季嚴寒且漫長。

2 空調冷源

2.1 空調系統冷負荷

通過計算得到大樓空調冷負荷為7300kW，其中設備負荷為6600kW，建筑圍護結構負荷為700kW，設備負荷約占總負荷的90%。

根據中國氣候條件，長江以北廣大地區，隨著緯度增加，自然冷源利用時間越長；春季、秋季、冬季等可以部分甚至全部替代壓縮機運行，利用自然冷源降溫可以達到很好的節能效果。自然冷源可適用范圍見圖1，從圖1 可以看出隨著緯度增加，自然冷源利用時間越長。

圖1 烏魯木齊市全年各級干球溫度頻數

空調系統采用板式換熱器將制冷主機側和空調末端側分開成兩個系統。空調末端側冷凍水采用12/18℃的高水溫、制冷主機側冷凍水采用11/16℃的高水溫、大溫差的冷凍水系統，在保證空調冷量的前提下減少空調主機、冷凍水泵的能耗，高水溫也適應數據中心的負荷以顯熱為主的特點，減少空調系統不必要的除濕能耗，真正實現安全節能。

另外，我國新疆烏魯木齊屬于世界高緯度地區，冬季平均溫度極低，且持續時間漫長，利用自然冷卻實現的節能效果極好。圖1 為烏魯木齊市全年各級干球溫度頻數，烏魯木齊市全年約有3800h 的時間在5℃以下，全年可利用的自然冷卻時間長，采用自然冷卻技術可以大大降低運行成本，降低系統的PUE 值。

風冷冷水機組冬季供冷的方式是利用主機側自然冷卻的技術，即風冷冷水機組自帶自然換熱系統。冷水機組模式：完全依靠壓縮機制冷；混合運行模式：春、秋過渡季節，通過自然冷源盤管預冷，根據進水溫度與室外環境溫度之差決定壓縮機運行時間；免費制冷模式：冬季運行期間，環境溫度低于5℃時，整個制冷系統切換到自然冷源方式，壓縮機將不再工作，達到節能目的。

工作原理：在過渡季節（室外干球溫度小于等于20℃），主機采用部分自然冷卻。在冬季（室外干球溫度小于等于5℃），主機完全采用自然冷卻，免費制冷。在其他季節，室外溫度較高，風冷主機開啟制冷壓縮機正常制冷。

2.2 空調冷源選擇

針對本工程，對中央空調水冷冷凍水系統和中央空調風冷冷凍水系統進行具體數值的對比，如表1 所示。

表1 兩種方案對比

2.3 系統方案確定

考慮到大樓屋面及室外空地面積有限、當地全年過渡季節及冬季漫長、工程所在區域水資源缺乏且供水保障能力較差等因素，大樓采用中央空調風冷冷凍水系統。主機采用風冷冷凍水機組（帶自然冷源），置于屋面。風冷主機在室外干球溫度小于20℃時進行部分自然冷卻，室外干球溫度小于5℃時進行完全自然冷卻，從而降低主機能耗。具體設備選型如表2 所示。

表2 空調主設備

3 節能技術措施

3.1 二級泵系統

為保證屋面冷凍水系統在冬季的安全運行，冷源側采用體積濃度為52%的乙二醇溶液，能滿足當地歷史出現的極端溫度（零下40℃）冷凍水不結冰。考慮到乙二醇屬易燃易爆有毒危險化學品、遇明火易發生爆炸且乙二醇防凍液在使用中易生成酸性物質，對金屬有腐蝕作用、換熱效率低于清水，為保證冷凍水系統內乙二醇溶液流通范圍做到最小本方案采用二級泵系統，冷源側采用乙二醇水溶液，負荷側采用清水，兩者之間利用板式換熱器進行換熱，換熱系統置于首層換熱站。冷源側供回水溫度為10.5/16.5℃，負荷側供回水溫度為12/18℃，

3.2 冷凍水環路及蓄冷模式

空調管路系統采用兩路冷凍水立管，各層采用冷凍水環路，可以實現空調設備及冷凍水管可互為備用，空調水路每個節點設置雙閥，保證空調系統能夠在線維護，安全可靠。

系統采用高效的空調蓄冷模式，設置2 個有效容積32m3閉式蓄冷水罐在線運行，保證15min 不間斷供冷。保證系統運行安全。數據中心在初期運行時，機柜實際負荷很小，通過設置的蓄冷罐對系統冷量進行調節，可以避免冷水機組由于負荷低而頻繁啟動，降低對主機的傷害，甚至可以使冷水機組在低負荷時段內停止工作，利用蓄冷罐冷凍水的對末端空調設備進行供冷，提高系統運行效率。

4 結語

自然冷卻技術在北方大型數據中心的應用越來越廣泛，依托自然冷源的優勢，實現免費供冷。如今，中央空調風冷冷凍水系統在西北地區數據中心的應用也較為廣泛，所以其中各個節能技術的相互配合，以及在極端天氣下的防護措施都尤為重要，通過本工程實踐總結為今后自然冷卻技術在大型數據中心中的應用提供設計參考。采用該項技術后，大樓空調系統節能率可提高13.5%，全年可節約電量約568 萬kW·h，減少二氧化碳排放量約180 萬kg。