數據中心集中冷水空調系統設計要點

潘慶瑤

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

從2018年12月至今，中央先后8次重要會議對“新基建”進行了重點強調。隨著2020新冠疫情的發生，國家對“新基建”更是寄予厚望。新基建包括5G基站建設、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網七大領域，以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型、智能升級和融合創新等服務的基礎設施體系。數據中心作為新基建的重要組成部分，是數字化發展的基石，注定在新基建浪潮中占據重要位置。

1 數據中心及冷水空調系統

數據中心是指為集中放置的電子信息設備提供運行環境的建筑場所，可以是1棟或幾棟建筑物，也可以是1棟建筑物的一部分，主要包括主機房、輔助區、支持區和行政管理區等。數據中心基礎設施是指在為電子信息設備提供運行保障的設施，主要包括土建、消防、電力、暖通空調等。電力和空調作為基礎設施兩架馬車在數據中心建設中尤為重要[1]。

電子信息設備包括服務器、交換機、存儲設備等，主要功能是對電子信息進行采集、加工、運算、存儲、傳輸以及檢索等處理。其工作特點是全年不間斷運行，其電力輸入基本完全轉化為熱量，在電子信息設備穩定運行階段，其發熱量基本沒有變化，空調負荷相對穩定。以1個中等數據中心為例，建筑面積20000 m2，規劃安裝電子信息設備機架共2000架（約3萬臺服務器），數據中心電力輸入20000 kVA，空調系統冷負荷約17300 kW?？偨Y數據中心空調系統特點主要表現為：冷負荷密度大（建筑面積為400 W/m2～1000 W/m2），且隨著空調系統的技術更新，冷負荷密度向更大的趨勢發展；負荷穩定且連續不斷；自控要求高?？照{系統能耗大，節能潛力大。

2 數據中心集中冷水空調系統設計要點

某數據中心工程位于工業園區，該數據中心工程包括數據機房、制冷站以及輔助用房，建筑面積約為27000 m2，建筑面積18500 m2，建筑高度12 m，地上兩層，1層為電力電池室、二層為IT機房。由于工程位于高寒地區，隸屬于溫帶亞干旱季風氣候，年降水量少且干旱嚴重，無霜期較短，因此在空調系統設計中需要結合當地實際溫度情況進行分析，具體的室外參數見表1。

表1 室外參數

2.1 建設標準及冷源選擇

數據中心空調系統設計標準國內主要參照《數據中心設計規范》GB50174，國外主要參照由美國國家標準學會（ANSI）、美國電信產業協會（TIA）、TIA技術工程委員會（TR42）共同制定的《數據中心電信基礎設施標準》TIA-942標準。前者將數據中心劃分為A、B、C 3個等級，后者劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個建設等級。國內建設的數據中心絕大多數按國標A級（即TIA-Ⅲ）建設，即空調系統設備按冗余設計、空調管路按在線維護設計、按不間斷供冷設計[2]。以前面提到的數據中心空調配置為例：冷源構架形式擬采用高效變頻式離心冷水機組+板換＋冷卻塔自然冷卻形式，同時考慮采用冷凍水房間級機房專用空調彌漫送風、吊頂回風，變頻控制等技術，并選擇合理的氣流組織形式，通過提高冷凍水溫度（冷凍水系統供/回水溫度18 ℃/24 ℃，打造高溫數據中心），增加自然冷卻時間，使空調系統最大限度地節能運行。該項目設置2處冷站單元，每個冷站單元共選用制冷量為4572 kW（1300RT）的離心式冷水機組3臺（2用1備），臺水冷離心冷水機組配套1臺板式換熱器，利用過渡季節或冬季較低的室外氣溫，由冷卻塔及板式換熱器自然冷卻，減少冷凍機組開啟時間、降低能源消耗[3]。

目前數據中心設計幾個主流做法之空調冷源選擇：選擇大溫差高溫冷水機組。循環水溫對制冷機組和空調末端的影響：冷凍水出口溫度升高1 ℃，制冷機組性能系數的提升了3.5%～5%； 冷凍水溫差增加了1 ℃，制冷機組性能系數的提升了0.2%～0.3%。供回水溫差由5 ℃提升到6 ℃，現有的5 ℃的空調設備均能滿足要求。冷凍水供回水溫差提升到6度以上，制冷機組和空調末端需非標準設計，成本大幅上升。根據工藝專業規劃標準，該項目數據中心空調系統的冷水循環溫度計末端設備性能參數見表2。

表2 冷水循環溫度及末端設備性能參數變化

現有常規有油的制冷機組的制造設計都是基于冷凍水供水溫度為7 ℃～12 ℃等國標工況，并沒有針對數據機房制造相應的高溫冷水機組的相關規范。冷凍水供水溫度提高15 ℃以上時，要考慮制冷機組的潤滑油的回油問題，機組內部工藝要更改，采用特殊手段。 集合目前數據中心設計發展，冷水系統一般常采用6 ℃溫差，冷水供水溫度可提升到18 ℃，能夠很好地平衡自然冷源的利用和投資成本的增加。

2.2 氣流組織

目前數據中心設計幾個主流做法之氣流組織的確定：常用封閉冷通道和封閉熱通道2種方式。對房間空調來說，2種方式各有優缺點：封閉冷通道是將冷風送至架空地板下，再利用架空地板形成的靜壓箱將冷風直接輸送至封閉冷通道（冷池）內，帶走數據設備內的熱量，從機柜后部或上部排出，再回到空調機組上部回風口進行處理，氣流組織合理，達到“先冷設備、后冷環境”的目的。

封閉熱通道是將冷風送至空調區（靜壓箱）后直接送至機房冷通道內，不設架空地板，帶走數據設備內的熱量，從機柜后部排出至封閉熱通道，再通過熱回風道回至空調機組上部回風口進行處理，氣流組織合理，通過提高回風溫度，相應可提高冷凍水供回水溫度，增加風道換熱和自然冷卻時間，達到節能目的[4]。就2種封閉冷/熱通道技術來說，目前行業內的數據中心IT 機房空調風系統設計以封閉冷通道為主，封閉熱通道、彌漫送風的方式應用較少，見表3，可以證明采用封閉熱通道的方式可以提高機組COP及延長免費制冷時間。

綜上所述，采用封閉熱通道，基于此冷凍水供水溫度可提升至18 ℃以上。自然冷卻利用率提高了35%，有利于數據中心的節能減排。

2.3 免費供冷

目前數據中心設計幾個主流做法之水系統免費供冷：目前集中冷水空調系常規配置為水冷離心冷水機組配套板式換熱器，利用過渡季節或冬季較低的室外氣溫，由冷卻塔及板式換熱器自然冷卻，減少冷凍機組開啟時間，并通過提高冷凍水溫度（冷凍水系統供/回水溫度18 ℃/24 ℃，打造高溫數據中心），增加自然冷卻時間，使空調系統最大限度地節能運行，降低能源消耗。該案例屬于建筑熱工分區中的夏熱冬冷地區，濕度Ⅱ區（潮濕地區）。全年室外濕球溫度≤10 ℃的時間約3079 h（約138 d），自然冷源利用時間占全年的35.15%。

為了保證系統節能運行，該設計冷卻塔風機、水泵等均配套變頻控制，冷凍水空調系統配套集中自控系統，系統管道選用電動切換閥門，實現遠程監控與自動切換控制，提高空調系統整體能效。

每個制冷單元組的制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻3種運行模式的轉換控制。當室外濕球溫度降低，冷卻塔提供的冷卻水供水溫度低于21 ℃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凍機蒸發器，提供18 ℃的冷凍水。當室外濕球溫度足夠低，冷卻塔可以提供低于16.5 ℃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水水交換，直接提供18 ℃的冷凍水，冷水機組關閉。

3 水冷系統與風冷系統

3.1 水冷系統設計要點

3.1.1 數據中心空調冷水系統設計

空調冷水系統設計中采用二級泵環網系統，其中一級泵、二級泵軍采用變頻控制技術，機房管路設計的是需要綜合考慮管道互通要求，提高管道安全性和耐久性。但是需要注意的是，冷水機組在提供大量冷量的同時還會產生一定的熱能，通過冷卻塔散熱，冷卻水在溫度變化之后與冷水機組能耗變化有相反的趨勢。

表3 封閉冷/熱通道技術比較表

根據表4，將冷卻塔能耗與冷水機組能耗綜合在一起考慮，就可以找到冷卻水溫度的最佳優化點，對于整個空調系統設計有節能優勢。在具體設計中，如果數據中心室外溫度為18 ℃，冷水空調系統處于滿負荷狀態，在此狀態下隨著水冷系統的變化，冷水機組和冷卻塔的能耗隨之發生變化。當空調系統符合逐漸減少，室外濕球溫度逐漸下降，冷卻水系統的溫度也隨之上升，因此在設計中根據不同濕球溫度變化情況，冷水機組的荷載也會發生變動，此時可以采用智能控制方法將冷卻塔運行控制與冷水機組運行控制緊密地結合在一起。

表4 冷卻水溫度對冷卻塔、冷水機組能耗的影響

3.1.2 蓄冷罐設計

為了保證空調系統制冷的連續性、穩定性，數據中心空調系統在設計中配置了支撐系統滿負荷運行20 min的蓄冷水量，這些數量主要存儲在蓄冷罐內。當數據機房運行初期，數據設備發熱量很低，屬于輕微荷載運行狀態，此時可充分蓄冷罐內部的冷量，減少主機開停機次數。根據過去的工作經驗可知，即使制冷主機在可以開啟的條件下正常運行，初期冷負荷也十分不穩定，導致主機頻繁啟動、停止，給空調主機使用壽命造成威脅。此時，由于蓄冷罐的存在，當低負荷運行不穩定的時候，主機停機時間隨之延長，避免發生主機頻繁啟動現象，增加了主機運行效益，提升了主機使用耐久性。

3.1.3 自由冷卻運行

自由冷卻運行是冬季空調系統運行的主要方式，也是實現空調節能運行的重要途徑。在數據中心空調設計中，過渡季節和冬季運行中，可以充分利用室外較低溫度進行室內降溫，這種方法相對于常規空調來說，既節能又經濟，對于全面供冷的數據中心空調系統來說有著巨大的節能潛力。

在設計中，將自由冷卻系統與制冷系統串聯在一起，配置相應的冷卻塔、水循環泵、換熱器，在不適用自由冷卻系統的季節，冷卻塔與主機一并使用，由此降低冷卻水水溫，進而提高空調系統的運行效益，在保證室內溫度的同時降低空調能耗。

3.1.4 水處理

在空調水系統中，由于空調內部本身存在許多腐蝕物、微生物以及其他微量元素，這些微生物、微量元素以及腐蝕物的存在使空調在長期運行中出現機組蒸發器、抗凝器以及表冷器管腐蝕的現象，隨著時間的推移，腐蝕力度逐漸增加，水流阻力也逐漸增加，機組運行效率降低，不僅縮短了機組的使用壽命，還容易引發安全事故。因此，在設計中必須要做好空調水系統處理工作。目前常見的空調水處理主要是以化學處理、電子水處理儀等為主，另外水過濾的安裝也必須給與高度重視。在空調系統設計完成之后，水過濾器通常設置在制冷機組、空調機組的進水管上面。

3.2 空調風系統設計

3.2.1 主機房設計

主機房內所有的IT機柜均采用面對面、背對背的布置方式，與機組空調形成垂直擺放的模式。這種擺放方式讓機房空調系統形成下送上回的送風方式，機房空調機組能迅速將已經處理好的冷空氣送入活動地板靜壓箱內，通過地面開放式格柵吹向計算機設備，室內溫度上升，利用封閉熱通道和吊頂靜壓箱進行回風。

3.2.2 新風系統

新風系統在設計的時候要嚴格控制新風量，并按照空調系統原則科學制動通風率。首先，滿足數據中心工作人員最小新風量需求，通常每人每天的新風量大約為40 m3/h。其次，由于數據中心本身對空氣壓力的要求很高，在設計的時候必須滿足室內正壓要求。再次，夏季新風處理要與室內溫度匹配，在控制室內溫度的同時控制室內濕度。最后，送入室內的新風能滿足IT和電氣機房的正壓需要，及時阻止外界灰塵進入室內，防治靜電產生的同時避免出現節水聚集。

4 結語

數據中心空調系統基于通信設備運行的性質特點，既要保證系統安全穩定運行，同時考慮系統節能減排，特別是大規模數據中心，降低能耗是系統架構考量的重要環節。

常規集中冷水空調系統其能耗主要由冷源能耗（主機能耗）、輸送能耗（水泵能耗）、末端能耗（風機能耗）3個部分組成，在保證通信設備安全運行的前提下，可從各環節入手，以達到節能目的。該文著重介紹了數據中心常規冷水空調系統的冷源配置及末端氣流組織形式以及數據中心空調系統的常規做法。隨著數據中心的蓬勃發展，通信設備的結構原理也發生了巨大的變化，其冷卻系統隨之展現出更多的形式，蒸發冷卻風系統空調、機柜冷卻、服務器液冷系統等應用得越來越廣泛，期待更簡潔高效、綠色節能的空調系統。