某典型水冷空調數據中心模型應用多種新型空調末端系統的水力計算與分析

姜宇光，李 印，李金峰

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

近年來，隨著各個行業信息化發展的不斷深入和信息量的爆炸式增長，數據中心建設呈現快速增長趨勢。此外，隨著移動互聯網、云計算、大數據時代的來臨，運營商之間、運營商和互聯網公司之間數據業務的競爭也日益加劇。

隨著數據業務的不斷攀升，數據中心的功率密度也快速升高，高能耗問題越來越突出。有研究表明，一般商業建筑能耗為50～110 W/m2，而數據中心的能耗可達到1 000 W/m2甚至更高，如何降低數據中心能耗成為行業內亟需解決的問題。目前大型數據中心空調系統能耗約占數據中心總能耗的40%，具有很大的節能潛力[1]。近年來，行業內逐步推廣應用列間空調、熱管背板空調和水冷冷門空調等新型末端形式，但在數據中心空調系統管路初期運行過程中發現末端壓差偏小的現象，存在末端水力不平衡而導致末端供冷量不足的問題。針對該問題，通過搭建機房模型對同一機房同類空調末端最有利和最不利回路及不同機房的不同類空調末端回路分別進行水力計算與分析，找出水利不平衡問題的原因，并提出解決方案。

1 新型空調末端形式

1.1 列間空調

列間空調為機架列中間插放布置的1種空調形式，空調前部出風，水平吹向兩側機柜，經過機柜前門并對設備制冷后，通過機柜后門再回風到空調后部。列間空調送風距離短，風機功率小[2]。采用封閉冷通道措施，優化氣流組織，減少混風損失，空調電源使用效率（Powr Usage Effectiveness，PUE）因子可以達到0.042。空調緊靠機柜，可采用較高的送風溫度，相應地可提高空調供水溫度，減少系統的除濕能耗。

列間空調機房內冷凍水管路采用水平環狀管網，環狀封閉回路設置必要的閥門，以保證在管道故障、維護時可切換。列間空調數量按照N+1（N≤5）進行選配，日常運行時通信機房內的列間空調均開啟，每臺空調風機轉速調低，當1臺空調發生故障時，其他空調風機轉速加大，提高冷量輸出，滿足機房環境要求。

1.2 熱管背板空調

熱管背板空調通過背板的風機，借助工質相變直接吸收機架中IT設備發出的熱量，實現冷量按需分配，避免局部熱點，提高制冷效率，空調PUE因子可以達到0.037[3]。每個背板的最大制冷能力為額定制冷能力的1.3倍，當1個背板故障時，鄰近背板將增大循環風量，補充冷量。

機房外墻走廊頂部設置冷液分配單元（Cooling Distribution Unit，CDU），通過走廊的冷凍水供回水管路換熱帶走機房內冷媒工質的熱量。機房內空調末端管路為制冷劑循環，因此具有水不進入機房的優點。

1.3 水冷冷門空調

水冷冷門制冷系統末端與通信機柜緊密結合，安裝在機柜前門或后門。安裝在前門時，冷風水平送入機柜，在機柜內部形成冷環境，機柜外部是熱環境；安裝在后門時，直接對機柜排風進行冷卻，機柜外部形成冷環境，冷源貼近熱源，冷熱溫差大，制冷效率高。末端隨機柜數量配置，不單獨占用機房空間，能夠提高機房空間利用率[4]。機房地板下需設置冷凍水管，水管連接至每個冷門末端內銅管鋁翅片換熱器，因此水需要進入機房及機柜門板，通過泄水槽可以解決水泄露的問題。

2 水冷空調末端系統建模及水力計算

2.1 水冷空調數據中心模型

為了便于研究和計算各種新型末端在管網系統中的水力工況，選取某典型水冷空調數據中心搭建一個空調末端系統模型，模型中除了包含3種新型空調末端機房外，還包括1個傳統水冷精密空調機房，模型平面及空調管路系統如圖1所示。

圖1 空調末端計算模型平面

圖1包含機房平面相鄰的4個機房，列間空調、精密空調、水冷冷門以及熱管背板各選取其中1個機房，所有末端水管均接至走廊內冷凍水主干管，管路上每1段主管或支管路上均設置手動蝶閥或截止閥，每個精密空調末端以及列間空調和水冷冷門每2列機架水管入口各設置1個Y型過濾器。為了簡化水力計算方法，所有的空調環狀管網均簡化為單路管網。每個模型機房工藝負荷及空調選型配置如表1所示。

表1 機房工藝負荷及空調選型配置

2.2 管道及設備水阻力計算方法

管路回路的總阻力ΔP主要由沿程阻力ΔPM和局部阻力ΔPi組成，計算公式為

式中：ΔP為管路的總阻力，Pa；ΔPM為沿程阻力，Pa；ΔPi為局部阻力，Pa；λ為摩擦系數；p為管道內流體密度，kg/m3；v為管道內流體流速，m/s；d為管道內直徑，m；l為管道長度，m；ξ為局部阻力系數[5]。

計算時先通過經濟比摩阻控制方法選擇每段管路的管徑，管道內流體的流速、密度、管內徑以及管長根據管路承擔的制冷負荷計算。本次研究主要計算同一種空調末端機房最里面的設備和最外面的設備之間的水力平衡關系、不同空調末端之間的水力平衡關系，因此計算時選取了水冷冷門空調末端2臺設備和列間空調2臺設備的水管回路，又各選取了最遠端的1臺CDU和1臺精密空調水管回路作為研究對象。為了便于統計不同管路的阻力損失，給每一段管道均編上編號，通過管道阻力計算的結果就可以了解各個水管環路的總阻力損失和相互間的不平衡率。

3 計算結果及分析

根據以上方法可以得到各管端和末端的水力計算結果，從而計算出各末端回路的總阻力，如表2所示。

表2 各空調末端管道回路阻力

根據以上數據計算出不同末端環路之間不平衡率，如表3所示。

表3 各末端之間不平衡率

當不同的空調末端連接到同一個管路系統中時，由于各種空調末端阻力特性不同，相互之間的水力不平衡率基本會達到20%～46%，尤其是和熱管CDU之間不平衡率較高，主要是熱管CDU水阻明顯小于其他空調末端水阻。在實際系統運行中若存在較大的不平衡率，將會導致水流量不能按照設計的要求分配到各個末端，水阻較小的末端會有過大的流量流過，而相對較大水阻的末端流量較小，一些機房就會出現制冷量不夠的現象。針對這種問題，若在同一個數據中心同時存在多種空調末端形式時，低阻力末端管路則需進行閥門節流，使各水路阻力一致，實現水力平衡。該方案在哈爾濱某數據中心調試中得到了驗證，基本實現了大系統的水力平衡。

除此之外，同一個機房相同空調末端之間的阻力不平衡率較低，基本滿足水量平均分配的設計要求，只要空調末端形式相近，基本不會出現阻力不平衡的問題。基于此，在機房空調末端規劃初期，盡量做到1個垂直或水平管路系統的機房采用同一種空調末端，既解決了平衡問題，又減少了增加閥門調節所帶來的額外能耗。

4 結 論

新型空調末端具有較好的節能性，有必要在數據中心中廣泛推廣，新建的數據中心空調設計規劃中應盡量做到1個管路系統使用1種空調末端形式。若必須采用多種末端，則需在低阻力末端上進行閥門初調節，以實現各環路水力平衡達到設計要求，最終充分發揮新型空調末端的節能作用，為未來建設綠色低能耗的數據中心做出貢獻。