深圳某綠色低PUE政務數據中心空調系統設計

譚薇薇 邢云梁

1.北京嘉木科瑞科技有限公司

2.深圳市建筑工務署工程設計管理中心

0 引言

在我國提出“3060”雙碳目標下，數據中心行業高能耗問題再次受到關注。過去十年間，我國數據中心整體用電量以每年超過10%的速度遞增。2018年全年約消耗1 608億kWh電量[1-2]，到2030年用電量將突破4 000億kWh，占全社會用電量的比重3.7%，因此，數據中心行業積極踐行能效提升，對于我國實現雙碳目標意義重大。深圳市政府在2019年就出臺了相關政策引導新建數據中心采用綠色先進技術提升數據中心能效，對PUE值低于1.25的數據中心給予最高用能支持。

某綠色低PUE政務數據中心作為深圳市政務數據中心“兩地三中心”架構重要節點之一，要在綠色數據中心方面作出表率。該數據中心按深圳市“雙一流”綠色政務數據中心進行設計規劃，設計PUE值要求小于1.25。但某政務數據中心所處地區氣候以及建筑地塊狹小的特點，給實現低PUE值的空調系統設計帶來了挑戰，許多新型高效空調技術應用受到了限制。

1 項目概況及特點

某綠色低PUE政務數據中心擴建項目位于深圳市福田區中心區地段，用地面積狹小，僅有1 727 m2，地上建筑可用單層建筑面積僅837 m2，與常規數據中心采用多層建筑、大面積“平鋪式”布局不同。為最大化地發揮土地的社會價值，滿足最大機架產出數，該項目建筑規劃地上12層/地下1層，采用“垂直式”布局，建設成一座非常規的高層數據中心（見圖1）。

圖1 某綠色低PUE政務數據中心效果圖

某綠色低PUE政務數據中心共設計了926個服務器機柜，單機柜設計功率5 kW。變壓器總裝機容量為15 200 kVA。冷凍站（制冷主機、水泵、蓄冷罐等）設置在負1層。柴油發電機組設置在1層。動力變配電所分別設置在2層和6層。3層到5層、7到12層分別為數據機房層。

2 數據中心空調系統節能設計

數據中心空調系統一般占整個數據中心20%~30%，提高空調制冷系統制冷效率，降低其運行能耗，對數據中心實現低PUE值意義重大。

某綠色低PUE政務數據中心由于受建筑高度和單層建筑面積的限制，為保證出柜率，在空調制冷系統選擇時，未采用對場地空間占用較大的間接蒸發冷卻AHU系統[3]，而是采用高溫（20/28℃）冷凍水空調系統+直接蒸發冷卻多聯背板系統相結合的方式。

2.1 空調設計指標優化

根據《GB 50174-2017數據中心設計規范》[1]對某綠色低PUE政務數據中心機房環境溫度的要求，將本項目機房冷/熱通道設計溫度確定為26/38℃，為高溫冷凍水空調系統的應用和深圳地區冬季使用室外自然冷源創造了條件。另外，為確保服務器運行安全，末端機柜采用冷熱通道封閉形式，杜絕冷熱氣流短路影響服務器進風溫度。

2.2 高溫（20/28℃）冷凍水空調系統

高溫（20/28℃）冷凍水空調系統負責3至9層機房制冷需求，設計總額定冷量1 950 USRT。該系統主要由磁懸浮變頻冷水機組、板式換熱器、蓄冷罐、列間空調等設備組成。

1）高溫冷凍水設計

采用供回水溫度20/28℃冷凍水系統，提高冷凍出水溫度和供回水溫差，大幅提高空調主機制冷能效，減少冷凍水輸送能耗，同時減少不必要的除濕負荷，可節省空調能耗高達30%，節能效果顯著。

2）自由冷卻板式換熱器設計

自由冷卻板式換熱器設計在北方數據中心已得到普遍應用。在深圳地區，通過提升冷凍水設計溫度實現完全或部分使用室外自然冷源供冷5個月以上[4]。系統根據室外濕球溫度采用制冷、預冷（部分自由冷卻）、完全自由冷卻三種運行模式（見表1）。

表1 三種運行模式數據

3）磁懸浮變頻冷水機應用

磁懸浮變頻冷水機組已有大量應用案例，節能效果顯著。數據中心為確?？照{系統運行安全性，一般會讓冷水機組運行在85%負荷以下，使數據中心應用場景更能發揮磁懸浮變頻機組在部分負荷工況下的高制冷效率優勢（見圖2）。

圖2 三種機組運行情況

4）接近空調負荷中心減少輸送半徑

末端機柜空調采用行間空調，接近服務器機柜熱源，減少輸送半徑，提高冷風輸送效率，消除了垂直溫度梯度，有利于節能及提高供冷彈性（見圖3）。

圖3 末端機柜空調采用行間空調

2.3 蒸發冷卻多聯背板系統

雖然上述高溫冷凍水空調系統采用了多種節能設計和節能技術，但單純使用此方式無法將數據中心PUE值做到1.25以下，所以本項目10至12層采用蒸發冷卻多聯背板空調系統以滿足機房制冷需求。蒸發冷卻多聯背板空調系統是由磁懸浮氟泵、變頻磁懸浮壓縮機、蒸發冷卻室外機、機柜冷背板組成高效制冷形式[5]（見圖4）。

圖4 蒸發冷卻多聯背板系統

背板散熱模塊為室內機的核心換熱部件，其由微通道背板換熱器、風機、進出風溫度傳感器、背板風壓力傳感器、冷媒流量調節閥、冷媒管出口溫度及壓力傳感器組成（見圖5）。

圖5 背板散熱模塊

該制冷系統形式由于只有2次熱交換過程，大幅減少換熱損失，且可根據室外環境溫度自動選擇壓縮機制冷模式和自然冷卻模式（見圖6和表2）。在深圳地區全年綜合能效COP≥14。

表2 自然冷卻和壓縮機運行模式數據

圖6 蒸發冷卻多聯機背板系統圖

蒸發冷卻多聯背板空調系統雖然制冷效率非常高，但由于本項目屋頂面積狹小，空間有限，無法全部采用蒸發冷卻多聯背板空調系統制冷，所以高溫冷凍水空調系統+直接蒸發冷卻多聯背板系統相結合方式是實現某數據中心PUE值低于1.25的最佳選擇（見圖7）。

圖7 高溫冷凍水空調系統+直接蒸發冷卻多聯背板系統

本數據中心除空調系統采用新型高效制冷設計和設備外，電氣方面采用了I級能效干式變壓器、變配電接近負荷減少損耗、LED照明等節能手段，最終實現某數據中心PUE值達到1.248。

3 結語

本文以深圳某綠色低PUE政務數據中心項目為實例，介紹了在華南地區實現高層數據中心超低PUE的空調系統設計思路及技術手段，以期為暖通設計人員進行同類項目的空調設計規劃時提供幫助和參考。