深圳某綠色低PUE政務(wù)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

文_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(wù)署工程設(shè)計管理中心

過去10年間，我國數(shù)據(jù)中心整體用電量以每年超過10%的速度遞增。2018年全年共約消耗電量1608億kWh。預(yù)計2030年用電量將突破4000億kWh，占全社會用電量的比重3.7%。因此，數(shù)據(jù)中心積極踐行能效提升，對于我國實現(xiàn)雙碳目標(biāo)意義重大。深圳市政府在2019年就出臺了相關(guān)政策引導(dǎo)新建數(shù)據(jù)中心采用綠色先進(jìn)技術(shù)提升數(shù)據(jù)中心能效，對PUE值低于1.25的數(shù)據(jù)中心給予最高用能支持。

該綠色低PUE政務(wù)數(shù)據(jù)中心作為深圳市政務(wù)數(shù)據(jù)中心“兩地三中心”架構(gòu)重要節(jié)點之一，要在綠色數(shù)據(jù)中心方面做出表率。該數(shù)據(jù)中心按深圳市“雙一流”綠色政務(wù)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃，設(shè)計PUE值要求小于1.25。但某政務(wù)數(shù)據(jù)中心所處地區(qū)氣候以及建筑地塊狹小的特點，給實現(xiàn)低PUE值的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)，許多新型高效空調(diào)技術(shù)應(yīng)用受到了限制。

1 項目概況及特點

該綠色低PUE政務(wù)數(shù)據(jù)中心擴(kuò)建項目位于深圳市福田區(qū)中心區(qū)地段，用地面積狹小，僅有1727m2，地上建筑可用單層建筑面積僅837m2。與常規(guī)數(shù)據(jù)中心采用多層建筑、大面積“平鋪式”布局不同，為最大化地發(fā)揮了土地的社會價值，滿足了最大機架產(chǎn)出數(shù)，該項目建筑規(guī)劃地上12層/地下1層，采用“垂直式”布局，建設(shè)成一座非常規(guī)的高層數(shù)據(jù)中心。

該綠色低PUE政務(wù)數(shù)據(jù)中心共設(shè)計了926個服務(wù)器機柜，單機柜設(shè)計功率5kW。變壓器總裝機容量為15200kVA。冷凍站（制冷主機、水泵、蓄冷罐等）設(shè)置在負(fù)1層。柴油發(fā)電機組設(shè)置在1層。動力變配電所分別設(shè)置在2層和6層。3層到5層、7到12層分別為數(shù)據(jù)機房層。

2 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)一般占整個數(shù)據(jù)中心20%～30%，提高空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷效率，降低其運行能耗，對數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)低PUE值意義重大。

該綠色低PUE政務(wù)數(shù)據(jù)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(diào)制冷系統(tǒng)選擇時，未采用對場地空間占用較大的間接蒸發(fā)冷卻AHU系統(tǒng)。而是采用高溫（20/28℃）冷凍水空調(diào)系統(tǒng)+直接蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板系統(tǒng)相結(jié)合的方式。

2.1 空調(diào)設(shè)計指標(biāo)優(yōu)化

根據(jù)《GB 50174-2017 數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》對該綠色低PUE政務(wù)數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境溫度的要求，將本項目機房冷/熱通道設(shè)計溫度確定為26℃/38℃。為高溫冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用和深圳地區(qū)冬季使用室外自然冷源創(chuàng)造了條件。另外，為確保服務(wù)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(wù)器進(jìn)風(fēng)溫度。

2.2 高溫（20/28℃）冷凍水空調(diào)系統(tǒng)

高溫（20/28℃）冷凍水空調(diào)系統(tǒng)負(fù)責(zé)3至9層機房制冷需求。設(shè)計總額定冷量1950USRT。該系統(tǒng)主要由磁懸浮變頻冷水機組、板式換熱器、蓄冷罐、列間空調(diào)等設(shè)備組成。

2.2.1 高溫冷凍水設(shè)計

采用供回水溫度20/28℃冷凍水系統(tǒng)，提高冷凍出水溫度和供回水溫差，大幅提高空調(diào)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(fù)荷，可節(jié)省空調(diào)能耗30%，節(jié)能效果顯著。

2.2.2 自由冷卻板式換熱器設(shè)計

自由冷卻板式換熱器設(shè)計在北方數(shù)據(jù)中心已得到普遍應(yīng)用。在深圳地區(qū)，通過提升冷凍水設(shè)計溫度實現(xiàn)完全或部分使用室外自然冷源供冷5個月以上。系統(tǒng)根據(jù)室外濕球溫度采用三種運行模式，即制冷模式、預(yù)冷（部分自由冷卻）模式及完全自由冷卻模式，詳見表1。

表1 本數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)在深圳地區(qū)自然冷使用小時數(shù)統(tǒng)計

2.2.3 磁懸浮變頻冷水機組應(yīng)用

磁懸浮變頻冷水機組已有大量應(yīng)用案例，節(jié)能效果顯著。由于數(shù)據(jù)中心為確保空調(diào)系統(tǒng)運行安全性，一般會使冷水機組運行在85%負(fù)荷以下，所以數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景更能發(fā)揮磁懸浮變頻機組在部分負(fù)荷工況下的高制冷效率優(yōu)勢，如圖1所示。

圖1 磁懸浮離心機組部分負(fù)荷制冷效率高對比圖

2.2.4 接近空調(diào)負(fù)荷中心減少輸送半徑

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

2.3 蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板系統(tǒng)

雖然上述高溫冷凍水空調(diào)系統(tǒng)采用了多種節(jié)能設(shè)計和節(jié)能技術(shù)，但單純使用此方式無法將數(shù)據(jù)中心PUE值做到1.25以下，所以本項目10～12層采用蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板空調(diào)系統(tǒng)滿足機房制冷需求。蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板空調(diào)系統(tǒng)是由磁懸浮氟泵、變頻磁懸浮壓縮機、蒸發(fā)冷卻室外機、機柜冷背板組成高效制冷形式，詳見圖2。

圖2 蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板空調(diào)系統(tǒng)圖

背板散熱模塊為室內(nèi)機的核心換熱部件，其由微通道背板換熱器、風(fēng)機、進(jìn)出風(fēng)溫度傳感器、背板風(fēng)壓力傳感器、冷媒流量調(diào)節(jié)閥、冷媒管出口溫度及壓力傳感器組成。

該制冷系統(tǒng)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(jù)室外環(huán)境溫度自動選擇壓縮機制冷模式和自然冷卻模式，詳見圖3。在深圳地區(qū)全年綜合能效COP≥14，詳見表2。

表2 深圳某綠色低PUE政務(wù)數(shù)據(jù)中心COP計算表

圖3 蒸發(fā)冷多聯(lián)機背板系統(tǒng)原理圖

蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板空調(diào)系統(tǒng)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(fā)冷卻多聯(lián)背板空調(diào)系統(tǒng)制冷，所以高溫冷凍水空調(diào)系統(tǒng)+直接蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板系統(tǒng)相結(jié)合方式是實現(xiàn)某數(shù)據(jù)中心PUE值低于1.25的最佳選擇，詳見圖4。

圖4 蒸發(fā)冷多聯(lián)機室外機屋頂平面圖

本數(shù)據(jù)中心除空調(diào)系統(tǒng)采用新型高效制冷設(shè)計和設(shè)備外，電氣方面采用了I級能效干式變壓器、變配電接近負(fù)荷減少損耗、LED照明等節(jié)能手段，最終實現(xiàn)某數(shù)據(jù)中心PUE值達(dá)到1.248。

3 結(jié)語

本文以深圳某綠色低PUE政務(wù)數(shù)據(jù)中心項目為實例，介紹了在華南地區(qū)實現(xiàn)高層數(shù)據(jù)中心超低PUE的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計思路及技術(shù)手段，以期為暖通設(shè)計人員進(jìn)行同類項目的空調(diào)設(shè)計規(guī)劃是提供幫助和參考。