某既有通訊大樓數據機房空調系統擴容改造方案探討

□ 覃振東 胡成輝 劉日明

隨著人工智能、云計算、5G網絡等技術的發展，數據中心的體量迅速增加，自2013年以來，我國數據中心的總體規模和數量快速增長，截至2017年底，我國數據中心機架總體規模達到166萬架，中國規模以上的數據中心保有量約為5.9萬個，總面積超過1800萬m2[1～2]。同時，由于業務的發展需求以及在綠色、節能的趨勢下，既有的數據中心的擴容改造也呈現迅猛上升的趨勢[3]，如東北某數據中心的蒸發冷卻空調系統的節能改造[4]、上海證券交易所內數據中心對設備和控制策略進行了更新和改造[5]等，改造后數據中心空調系統的整體效率都得到顯著提升。對數據中心的空調系統進行改造，重點關注如何合理利用原有設備、降低投資、節約運行費用等問題。以南寧市某既有通訊大樓數據機房的空調系統擴容改造方案為例進行概述，為數據機房的空調系統擴容改造提供一種參考及借鑒做法。

1 工程概況

該工程位于南寧，地下1層，地上裙房2層，主樓16層，功能為辦公樓。其中，改造前2樓為退網機房，3、6、8樓部分為數據機房，其余部分為辦公室?，F需將該棟樓全部改造為數據機房。根據目前安裝的空調數量及后期擴容安裝的空調數量，數據機房空調的冷量需求如表1所示。該大樓的原數據機房為風冷型直接膨脹式機房精密空調，若需擴大容量，則面臨的主要問題是室外機安裝位置的問題。目前高樓層無安裝室外機的空間，低樓層的空調室外機可安裝空間不足。除上述的主要問題外，原空調系統還存在室外機氣流易短路、能效低且噪音擾民問題。其中，2樓、3樓和8樓的空調均為預估，尚未安裝，6樓有6臺100kW制冷量空調也尚未安裝，14樓的空調需求暫不考慮。

表1 通訊大樓冷量需求

2 空調系統擴容改造方案

根據空調系統的擴容要求及現有條件，提出三種空調擴容改造方案：（1）水冷系統建設方案（開式冷卻塔）；（2）水冷系統建設方案（開+閉式冷卻塔）；（3）集中式冷凝器建設方案。

2.1 水冷系統建設方案（開式冷卻塔）

方案一是在16樓樓頂和2樓裙房屋面各設置一套開式冷卻水系統，分別負擔9、10、12、13樓（高區）和2、3、4、5、6、7、8樓（低區）的空調系統。2樓裙房屋面設置一套冷卻塔系統的主要原因是16樓屋面的空間有限，無法放置負擔低區空調系統的冷卻塔。由于低區冷卻塔的位置不在冷卻水系統的最高點，因此需增加板式換熱器，從而避免因冷卻塔安裝位置較低而導致冷卻水從塔體溢出的不利情況。方案一的原理圖如圖1、圖2所示，主要設備如表2所示，冷卻塔考慮N+1備份設計。

該方案采用冷卻塔提供冷卻水，各個數據機房采用水冷型直接膨脹式機房精密空調。水冷型直接膨脹式機房精密空調采用板式換熱器作為室外機，可設置在室內，不存在風冷冷凝器的噪聲及散熱問題。且將空調系統從風冷改為水冷，提高了空調的能效。該方案有效地解決了上述提到的室外機安裝空間不足、能效低、噪聲擾民等問題。

圖1 方案一高區開式冷卻水系統原理圖

圖2 方案一低區開式冷卻水系統原理圖

表2 方案一主要設備表

2.2 水冷系統建設方案（開+閉式冷卻塔）

方案二是在16樓樓頂設置一套開式冷卻水系統，在2樓裙房屋面設置一套閉式冷卻水系統，分別負擔高低區的空調系統。方案二與方案一的區別在于方案二的低區冷卻塔采用閉式冷卻塔，無須采用板式換熱器。方案二的高區原理圖與方案一相同，低區原理圖如圖3所示，主要設備表如表3所示。

表3 方案二主要設備表

該方案采用閉式冷卻塔冷卻水系統為閉式循環，具有水質條件好、維護工作量小、系統較簡單的優點。與方案一相比，閉式冷卻塔可節省板式換熱器的投資費用，減少室內的安裝空間，但閉式冷卻塔尺寸大1倍、重量大3倍、冷卻塔風機耗電量大7倍，對結構加固帶來很大的困難，運行能耗也很高且在總投資方面與方案一差別不大。

2.3 集中式冷凝器建設方案

方案三為在2樓裙樓、15樓外露臺和16樓樓頂建設集中式冷凝器，并結合氟泵，與原風冷精密空調配合，供全樓使用。方案三的主要設備如表4所示。

表4 方案三主要設備表

圖3 方案二低區閉式冷卻水系統原理圖

表5 改造方案對比

集中式冷凝器相較于傳統風冷型空調冷凝器，具有占地面積小、集中安裝、模塊化設計等優點。集中式冷凝器結合氟泵系統的應用，解決了機房空調負落差的問題，由于管路中氟泵設備的輔助增壓性能，可降低壓縮機的工作負荷，因此可延長機房精密空調器件的使用壽命。且由于氟泵體積小，可集成在集中式冷凝器室外機底部安裝，因此通訊大樓空調室外機改造繼續使用一對一的風冷型室外機，既能繼續使用原來風冷型精密空調的工況，也能使得每臺空調機為獨立系統，減少系統風險。但氟利昂系統管路長度對制冷量的衰減比較嚴重，并且風冷散熱的效率遠低于水冷散熱的效率。

3 方案對比

通過在初投資、技術難度、運行維護和能效比方面，對三種改造方案進行了對比，如表5所示。

從表5中可以看出，方案三在初投資、運行維護、施工難度、建設周期等方面都較優，但單位制冷量的投資高，且由于冷量衰減大，能效比低，不符合綠色節能的趨勢，因此不作為主推方案。而方案一和二初投資雖然較多，但單位制冷量的投資少，且能效比高，其中方案一比方案二應用更為廣泛，對結構承重要求較低。綜上所述，方案一是較為合適的方案。

4 結語

該工程通過將風冷型直接膨脹式機房精密空調改造為水冷型，解決了室外機安裝空間不足、噪聲擾民等問題，且提高了空調系統的能效比，可為數據機房的空調系統擴容改造提供一種參考及借鑒做法。