數據中心雙冷源空調系統節能運行方案研究

周謹

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

信息化與數字化的不斷發展帶動了新基建的不斷發展，而數據中心則是新基建的重要組成。數據中心能耗高，其節能降耗受到更多關注。根據上海市政府發布了信息基礎設施的三年行動計劃通知，存量改造數據中心PUE 不高于1.4，新建數據中心PUE 限制在1.3 以下。數據中心能耗中，IT 設備、供配電系統、空調系統是主要的三個方面能耗。降低數據中心空調系統能耗是數據中心節能工作的重要內容。

1 數據中心負荷特點分析

與常規空調不同，數據機房空調負荷的顯著特點是來自數據處理設備的內熱顯冷負荷很大而自身產生濕負荷非常小。數據機房內的主要空調負荷是設備負荷，占80%以上[1]。全年供冷運行，設備冷負荷密度高，新風負荷小，顯熱負荷大。數據中心要求空調機組必須全年制冷運行，保證設備穩定可靠運行[2]。數據中心空調能耗分為冷源、末端、新風系統三部分。對于數據中心而言，新風系統不僅是滿足房間供給新風的需求，還可在冬季提供免費冷源。但當前很多數據中心新風系統的設計僅考慮新風供給，大量采用低溫盤管除濕和后端加濕的方式，不僅浪費大量能源用于恒溫恒濕，還無法有效利用室外免費冷源。

2 當前數據中心新風系統的模式

為滿足數據中心內部員工的新風供給以及保證機房內部微正壓的需求，數據中心空調系統會配置新風系統從室外引入新風供給機房內。而由于室外空氣溫濕度不穩定，與機房內近乎恒溫恒濕的要求差距非常大，因此，需要采用技術措施控制溫濕度。目前，數據中心的常規新風機有三種方式：一是新風系統用低溫盤管除濕，由房間內的加濕器加濕；二是新風系統用低溫盤管除濕，自身帶加濕系統；三是利用蒸發冷卻獲得低溫新風。

新風系統的低溫盤管的冷源包括兩類，一是新風冷源為水冷冷源，即用數據中心自帶的低溫冷凍水供給。如圖1 所示，新風盤管內的冷凍水來自機房的冷凍機組，冷凍機組再將熱量通過冷卻塔或翅片散到室外。此技術路線常見于較老的數據中心，尤其是數據機房與辦公用房在同一個建筑內時，為降低初投資，公用低溫冷凍水系統。此模式下，新風機除濕量較大，應對梅雨季節的室外高濕條件時效果較好。但由于利用的是低溫冷凍水（如7 ℃），導致整個空調系統無法利用高溫冷凍水提高空調系統整體效率。

圖1 利用機房整體空調冷凍水的冷源形式示意圖

二是新風機為氟冷盤管，即用單獨的風冷機組提供低溫氟利昂。如圖2 所示，新風盤管內的氟利昂來自專用配套機組，由壓縮機升溫后通過翅片散到室外。此技術路線當前較為常見，由于其為獨立控制，不對空調系統整體產生干擾和影響，維護和運行都較為方便。但氟利昂制冷系統的通用問題是其盤管溫度較低（如3 ℃），導致除濕量較大，在非梅雨季節等特殊條件下，過量除濕導致新風干燥，反而需要獨立加濕或自行加濕，浪費能量。同時，若需要加大新風供給，則無法良好調節。

圖2 獨立配置氟冷冷源的形式示意圖

三是采用蒸發冷卻的新風模式。如圖3 所示，利用室外空氣噴淋后降溫得到低溫空氣，與室內回風混合或者不混合，再送風到室內。此方案的優點是充分利用室外免費冷源，在冬季和靠近冬季的過渡季可以得到大量低溫的新風，承擔部分機房內的冷負荷。但此方案在夏季等季節會向室內送入大量高溫高濕的新風，對機房內的除濕系統的設計要求較高，且帶來結露的風險。

圖3 蒸發冷卻供給新風示意圖

3 雙冷源調濕新風機組

為解決以上的傳統新風系統的問題，本文提出采用雙冷源調濕的技術路線（圖4），有效利用高溫冷源的同時實現控濕。該技術適用于大型新建數據機房，冷水機組的COP 值較高。機組部分負荷時綜合能效指標非常高，節能效果顯著。供給新風機的冷水供回水溫度由7 ℃/12 ℃提高到14 ℃/19 ℃，大幅度提升空調系統整體的運行效率。采用變頻技術時部分負荷下綜合能效指標非常高，機組的IPLV 可達到9.0 以上，節能效果顯著[3]。

圖4 雙冷源恒溫恒濕新風機組原理圖

風冷直膨式制冷機組在數據中心空調中普遍應用，與之相比應用自然冷卻的雙冷源制冷技術還處于技術成熟期和推廣應用的階段，雙冷源制冷的主要特點有：

1）夏季，利用冷水機組制冷運行，充分利用冷水機組夏天運行高能效性特點。

2）冬季，充分利用室外自然冷源，通過自然冷卻換熱器供冷，無壓縮機運行供冷，系統能效顯著提高。

3）過渡季節，無須開啟冷水機組，運用直膨機對新風進行除濕，針對華東地區梅雨季在濕度控制除濕后利用冷凝熱再熱，送出25 ℃、8 g/kg 干空氣的干燥熱風。

4 數據中心空調節能方案分析

4.1 項目概況

以上海市某數據中心為例，建筑為混凝土框架結構，建筑面積639 m2，其中包含小型機/存儲機房、服務器機房、網絡機房、運營商接入室、會議室及監控室等。數據中心的室內設計參數、負荷及散熱量分別如表1、2 所示，數據中心機房總冷負荷為340.76 kW。根據IDC 數據中心的建設經驗，電子計算機房的新風量保障室內正壓即可。

表1 工藝性空調室內設計參數

4.2 空調方案分析

該數據機房采用冷卻水水冷+自然冷卻的空調系統方式。該系統主要由冷卻塔、一次側循環水泵、板式換熱器、二次側循環水泵及冷水機組組成。新鮮空氣、除濕加濕、除霾凈化由雙冷源調濕新風機組承擔；室內顯熱負荷由精密空調承擔。空調主供、回水管采用環狀管網，通過支管接至各層的專用空調機內。

圖5 開式冷卻塔+板式換熱器供冷系統

冷源采用水冷式高溫冷凍水系統，并設置冷卻塔自然冷卻。選用變頻離心式冷水機組，機組的冷凍水進/出水溫按22.5/17.5 ℃設計，冷卻塔按夏季極端最高濕球溫度30.1 ℃、進/出水溫度37.0/32.0 ℃選型。冷卻水系統采用冷卻塔自然冷卻設計方案。配置冷卻塔+冷卻水泵+板式換熱器+冷凍水泵組成。設置2臺冷卻塔，采用1 用1 備。冷卻塔風機定額控制：單個系統配置4 臺冷卻塔風機，臺數控制精度12.5%～100%。

機房空調末端采用下送風冷凍水精密空調，進回水溫度22.5/17.5 ℃。采用集中式新風供給，選用雙冷源調濕新風機組，對機房提供新風恒溫恒濕處理。

4.3 PUE 能效分析

4.3.1 提高冷凍水溫度的節能分析

溫濕度獨立控制空調系統可以使處理空調系統顯熱負荷的冷水溫度從傳統的7 ℃提高到17 ℃左右，冷凍水溫度提高到13 ℃時，基本能夠滿足其高于機房內回風的露點溫度。冷凍水溫度每提高1 ℃，冷水機組的制冷效率可以提高3%左右，本設計中將冷凍供水溫度由7 ℃提高至17.5 ℃，冷水機組性能系數COP可達到8.9[5]。

4.3.2 PUE 分析

查閱上海地區整年氣象資料，經統計估計全年約有120 d 左右室外氣溫低于室內溫度，無需開啟冷凍水機組，只需接通板式換熱器，利用室外免費冷源，這種方式不僅可以節省能源還能提高壓縮的壽命。如果按3 個月時間計算，即每年的1 月、2 月和12 月為免費供冷的時間。

由表2 可知，數據中心機房總冷負荷340.76kW，IT 負載總功率417 kW，合計功率458.72 kW。根據冷水機組COP 為8.9，估算出該空調系統COP 達到6.7，由此可以算出：空調制冷功率=340.76/6.7=50.9kW，數據中心總功率=458.72+50.9=509.62kW。

表2 數據中心負荷及散熱量

由此可以得到數據中心PUE=509.62/417=1.22，因此在上海地區數據中心采用高溫冷水機組的溫濕度獨立控制系統，可以實現平均PUE 低于1.3 以下。

6 結語

數據機房項目發展很快，從低密度的數據機房發展到現階段的高密度數據機房，空調系統也不斷調整。本文介紹的上海市某數據中心項目案例將冷凍水溫度從12/7 ℃提高至22.5/17.5 ℃以及低溫季節運用的自然冷卻方式可以節約能耗，降低成本。另外，雙冷源系統根據室外溫度與設定溫度的比較，可自動(或手動) 切換為冷凍水盤管工作或直接蒸發機組系統工作模式，從而大大提高了系統設備使用的靈活性。