寒冷地區某銀行數據中心空調系統分析與設計

顏曉光 王 波 吳雙云

（1.北京首鋼國際工程技術有限公司 北京 100041；2.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司 唐山 063000）

0 前言

數據中心制冷系統能耗約占整個數據中心能耗的30～45%，降低制冷系統能耗是提高數據中心能源利用效率的必然途徑。據統計，國外數據中心的PUE 值約為2.0[3]，國際上先進數據中心的PUE值可達到1.7 以下。而我國數據中心的PUE 值普遍高于2.0，特別是中小規模的數據中心，PUE 測量值在2.5 左右。國內數據中心在前期規劃設計時對節能問題考慮不足，在影響數據中心能源消耗的重要環節—空調制冷環節上設計深度不足、方案選擇不合理是導致PUE 值偏高的重要原因。

數據中心全年運行，根據國內外的運行經驗，根據所在地的氣候條件，充分利用自然冷源進行冷卻，是降低制冷系統能耗的最直接、有效手段。因此，數據中心在規劃設計階段能因地制宜的正確選擇空調制冷方案極為關鍵。

1 數據中心制冷與空調設計要求

本數據中心位于內蒙古包頭市，為某銀行數據中心，設置在銀行辦公樓內，按A 級數據中心進行設計。數據中心主機房區分為網絡區、PC 服務器區和存儲/小機區，網絡區布置在單獨的房間內，共設置部署網絡機柜38 臺；PC 服務器區和存儲/小機區布置在同一房間內，部署服務器機柜96 臺，部署存儲機柜和小型機共32 臺。布置如圖1 所示。

本數據機房為A 級數據機房，可靠性和可用性等級要求較高，依據《數據中心設計規范》的要求，機柜進風區域的溫度應為18℃～27℃，相對濕度度≤60%，制冷與空調系統應滿足最大散熱量的需求，且應設置冗余，任一組件故障或維護時，不應影響電子信息設備的正常運行。

2 數據機房冷負荷分析

根據本項目數據中心所處位置及內部設施情況，其空調冷負荷主要包含：機房內設備散熱、照明散熱、建筑圍護結構得熱（包含通過外窗進入的太陽輻射熱）、人員散熱、新風負荷及新風和人體散濕的潛熱。空調冷負荷計算值如表1 所示。

根據表1 分析，數據機房冷負荷主要由設備散熱、圍護結構、新風負荷產生，設備散熱占比在75%以上，圍護結構得熱和新風負荷占15%～20%，顯熱冷負荷和潛熱冷負荷分別占總負荷的93.2%和95.4%。說明數據機房的負荷變化主要受設備運行狀態的影響，室外環境對其影響有限。

3 氣流組織方案的分析與設計

數據機房的氣流組織是保證數據中心可靠運行、節能降耗的關鍵點。現代化的數據中心已普遍采用機柜面對面或背對背的冷熱通道分離的布置方式，可以提高冷風的利用率，是簡單易行的節能手段。如將冷通道或熱通道封閉，可以避免冷、熱氣流的短路，將有效提升送回風溫差，進一步提升冷風的利用率和制冷機的效率。

數據中心常用氣流組織形式主要有下送風+冷（熱）通道、上送風+風管+冷池、行間空調+冷池的方式，詳見圖2～圖5。其特點及適用條件如表2 所示。

圖2 地板下送風+冷通道Fig.2 Under-floor air supply+cold channel

圖3 地板下送風+熱通道Fig.3 Under-floor air supply+hot channel

圖4 上送風+風管+冷通道Fig.4 Upper air supply+cold channel

圖5 行間空調+冷通道Fig.5 Inter row air conditioning+cold channel

表2 氣流組織形式及特點Table 2 Air distribution form and characteristics

通過對比分析，地板下送風+封閉冷通道的形式具有熱損失小、布置美觀，易于維護等優點，可適應高熱密度機房，得到廣泛應用。本工程機柜的單機功率密度3～5kW，機房具備設置架空地板的條件，采用地板下送風+封閉冷通道的氣流組織形式。設計送、回風溫差為10℃，網絡區空調系統循環風量為35700m3/h，服務器區空調系統循環風量為141900m3/h。架空地板采用模塊化高架地板，空間高度600mm。送風口采用全鋼通風格柵，具備手動調節開度的功能，通風面積0～80%范圍可調。

在機柜前端設置溫度傳感器，根據機柜前端的溫度要求自動調節空調機組的風機轉速，調節空氣流量，匹配機柜的制冷需求。同時設置壓力控制平衡系統，在地板下設置壓力傳感器，將地板下氣壓維持在額定壓力范圍內（20～80Pa），優化系統的效率，有效避免熱點的產生。

4 制冷方案的分析與設計

數據中心全年運行，利用自然冷卻，降低運行能耗是數據中心發展趨勢。現有的自然冷卻技術可以分為兩大類：空氣側自然冷卻和水側自然冷卻。每類自然冷卻方式又可以分成若干不同類型，如表3 所示。

表3 自然冷卻方式分類Table 3 Classification of natural cooling modes

數據中心制冷方案的選擇應考慮的主要因素：（1）所處地理位置和該地區的全年氣候條件；（2）數據中心熱環境的要求；（3）不同自然冷卻技術的適用范圍，能達到的節能效益；（4）數據中心的規模及建設條件。

本項目地處內蒙古包頭市，按照我國建筑氣候分區，屬于嚴寒地區，一月平均氣溫≤-10℃，7月平均氣溫≤25℃，7月平均相對濕度≥50%，圖6 為其全年氣溫分布的統計，其中的干球溫度來自DEST 模擬軟件中的氣象參數（取距離最近的呼和浩特市氣象參數），濕球溫度為根據DEST 軟件中的干球溫度、濕度等參數經計算得出。

圖6 當地全年氣溫分布Fig.6 Local annual temperature distribution

根據全年氣溫分布分析，該地區全年10℃以下的時間約占全年的57%，濕球溫度低于2℃的時間占全年的41%，全年具有較長的時間可采用自然冷卻。考慮本項目的特點及可靠性要求，可供選擇的制冷方案主要有帶自然冷卻的風冷冷水機組、帶自然冷卻的干式水冷直膨機組（干冷器+機組雙盤管）、制冷劑自然冷卻機組及冷卻塔間接自然冷卻系統，本文主要將這四種方案進行闡述。制冷方案的原理如圖7～圖10 所示，各種方案的特點如表4所示。

圖7 帶自然冷卻的風冷冷水機組Fig.7 Air cooled chiller with natural cooling

圖8 帶自然冷卻的干式水冷直膨機組Fig.8 Dry type water cooled air conditioner with natural cooling

圖9 制冷劑自然冷卻Fig.9 Natural cooling of refrigerant

圖10 冷卻塔間接自然冷卻Fig.10 Indirect natural cooling of cooling tower

表4 各種空調系統的特點Table 4 Characteristics of various air conditioning systems

續表4 各種空調系統的特點

上述四種方案均能實現全壓縮制冷、壓縮制冷與自然冷卻混合制冷、全自然冷卻，但由于設計上的差異，每種方案的切換控制存在較大差異。表5為各種系統全年運行的分析統計，切換控制根據目前常用設備的切換控制方式確定，冷水機組按照機組出水溫度10℃，回水溫度15℃考慮。

表5 各空調系統全年運行分析Table 5 Annual operation analysis of each air conditioning system

根據上述分析，采用帶自然冷卻的干式水冷直膨機組的方案全自然冷卻時間最長，制冷劑自然冷卻的方案全壓縮制冷的時間最短，這兩種方案在中小型數據中心中使用具有較大的優勢，本數據中心所在地區冬季氣候較低，選用具有更高運行穩定性的帶自然冷卻的干式風冷直膨機組，采用乙二醇溶液作為循環液，有效解決冬季防凍問題。制冷原理如圖3-7 所示。

本工程空調按照N+1 的冗余進行配置，網絡區設置3 臺精密空調，服務器區設置7 臺精密空調。設備參數如表6 所示。

表6 精密空調參數Table 6 Precision air conditioning parameters

當室外溫度tw＞18℃時，機組純機械制冷模式運行，僅制冷劑回路制冷，乙二醇回路僅冷卻制冷系統的冷凝器。當12℃＜tw≤18℃時，機組采用機械+自然冷卻的混合模式運行，乙二醇在制冷盤管中循環，制冷劑回路和乙二醇回路同時制冷，減少壓縮機的功耗。當室外溫度tw≤12℃時，機組純自然冷卻模式運行，乙二醇回路全部通過制冷盤管實現制冷，壓縮機制冷系統就會完全關閉，其中8℃＜tw≤12℃時系統可根據需要自動將備用機組投入工作。

該工程總冷負荷約657kW，新風由雙冷源新風機組處理（本文不詳細介紹），預計空調全年平均負荷約600kW。根據該種空調在不同室外溫度條件下的能效比及不同工況的運行時間，經專業空調商模擬計算，預測固定制冷量為600kW 時的全年制冷耗電量為94.4 萬kWh，與采用傳統風冷空調相比每年可節省41.9%的電耗，全年空調能耗預測分布如圖11 所示。

圖11 全年空調能耗分布預測Fig.11 Annual air conditioning energy consumption forecast

5 結語

（1）數據機房冷負荷主要由設備散熱產生，占總冷負荷的75%以上，冷負荷的變化主要受IT設備實際運行的負載率影響。冷負荷幾乎全部為顯熱冷負荷，占總負荷的90%以上。

（2）數據機房氣流組織的設計應避免熱氣流和冷氣流的短路，一方面可提高冷氣流的利用率，另一方面可提高空調回風溫度，從而提高空調制冷效率。對于高熱密度機房應采用封閉冷通道的氣流組織形式。

（3）冷卻方案的確定應考慮數據中心全年運行特點，結合當地的氣候特點，采取可行的自然冷卻方案，節省全年運行能耗。為延長使用自然冷卻的時間，有條件時應提高空調送風溫度及冷凍水供水溫度。

（4）根據分析，本項目采用帶自然冷卻的干式水冷直膨機組，全年有57.9%的時間采用完全自然冷卻，與采用傳統風冷空調相比每年可節省41.9%的電耗。

（5）寒冷地區，采用帶自然冷卻的干式水冷直膨機組，具有較好的節能效益，制冷回路采用乙二醇溶液能夠適應冬季的低溫環境，運行穩定性高。