極寒缺水條件下數據中心暖通系統調試技術研究

高黎駿

（上海市安裝工程集團有限公司，上海 200080）

0 引言

2020年以來，為滿足高質量發展要求，國家開始大力發展新基建。未來幾年，全國各地將在新基建領域持續發力，作為新基建重要內容的大數據中心建設亦將如火如荼地進行[1]。近來，國家部委、地方政府委辦局密集出臺了大量關于建設綠色數據中心，降低數據中心PUE的政策性文件[2]。由于數據中心整年均處于熱負荷的空調運行工況，為了降低PUE，數據中心往往選址于嚴寒且偏離城市中心區的地區[3]，在施工及調試過程中，常面臨在極寒條件下進行空調制冷工況的調試[4]。做好極寒條件下的暖通制冷調試，總結相關技術經驗，不僅可供今后相似條件下的數據中心項目施工借鑒，同時也對其他類型的北方項目具有一定的參考價值，可提高該領域相關項目的施工競爭力。

1 項目概況

背景工程云計算數據中心位于河北省張家口市張北縣中都草原，項目地處北方高原，冬季溫度最低至-30℃，嚴冬長達6個月且西北風強烈，周邊無市政給排水但是有大量風力發電。該項目選址環境有利于降低數據中心的運營能耗，但對于施工來說則十分不利。項目建筑面積2萬m2，作為A級數據中心，采用2（N+1）雙系統同時運行（即采用雙路市電電源沿不同路由入戶，樓內互備使用，末端需要不間斷供電的設備電源經UPS供電）、高壓直流系統、風冷式冷水機組冷源系統。項目開工時間為2020年7月，竣工時間為2021年3月30日，根據施工進度安排，項目調試工作于2020年12月上旬開始，至2021年1月中旬結束，期間正處于張北縣地區最寒冷的時節。

2 極寒環境調試的條件分析

2.1 項目工期及經濟綜合條件

項目工期緊張，第二年開春必須達到竣工及投產使用的目標，而冬季施工及暖通調試工作無法避開嚴冬天氣，故必須有經過審核的極寒條件下暖通系統調試的專項方案。另一方面，極寒缺水條件下的施工和調試會造成大量人力、物力成本的增加，并伴隨一定的風險成本，故還需做好經濟成本預算分析和控制。

2.2 調試期間項目場地環境條件分析

（1）水源條件：項目位置偏遠且無市政給排水，空調系統采用閉式循環系統，平時運行時依靠深井泵補水，但水量并不能滿足調試階段沖洗及測試需求，故暖通調試所需水源需要外運外排，進水需要提供生活水水質報告，以達到沖洗管道的要求。排水需確定排水點，且需具備污水站排水資質，尤其是化學藥劑的清洗和鍍膜階段的排水，必須確保排至指定的污水站處理。由于沒有市政排水系統，故該工程系統排水先排放至室外總體的污水池，再由污水站安排污水運輸車來抽取，運至指定的污水站處理。

（2）封閉及采暖條件：樓體已經具備外墻封閉的條件，采取內部加熱措施。樓體外部暖通管路經過的區域，檢查封閉條件，配合使用采暖設備，保證管道經過區域的環境溫度能達到零度以上。部分保溫措施如圖1所示。

圖1 新風口、空調機房及出入口的保溫措施

（3）市政送電條件：若市政電尚未送達，需配備獨立穩定的額外電源，滿足調試需求。

（4）熱負荷條件：在極寒條件下進行暖通系統的調試，冷機的啟動需要足夠的熱負荷。

3 極寒條件下暖通調試的技術措施

3.1 暖通管道的試壓

極寒條件下，一旦管道漏水，管道內的水將無法進行整體循環，極易造成管道內水發生冰凍現象，導致管道損壞從而影響工期及增加成本。并且該項目沒有市政水源，向外采購調試用水的成本本來就比較高，一旦管道嚴密性不夠造成漏水，此部分水便無法重復利用，將造成極大的經濟損失。為避免漏水問題，應先采用氣體測試管道密封性，經氣壓檢查后再注水試壓。

3.2 樓體整體采暖

為保障樓內的溫度兼顧安全性，且考慮到采暖效果、成本，對成品設備的保護和運行的穩定性等因素，優先采用安全性高的電加熱設備。項目在調試初期，由于市政用電尚未正式送入，采用小型的燃油加熱設備（圖2），單個功率為100kW，可避免敷設燃油管道。在使用過程中，需在設備口布置臨時圍擋，安排專人看護。由于燃油加熱器的油箱不大，全天需安排人員定時加油，否則油量不足會發生中斷供暖的情況。后期正式送電后，及時調整為電加熱設備（圖3），功率在40～80kW之間，根據使用位置，布置專用的臨時電纜和臨時電箱。采暖期間在關鍵位置設置溫度監控點，安排專人巡檢，并在附近設置滅火器。

圖2 燃油加熱器

圖3 電加熱風扇

3.3 樓外管道保暖措施

項目地處北方，冬季溫度非常低，在所有室外管道及靠近通道門口位置的管道都設有電伴熱系統，分區域單獨設置電伴熱箱。電伴熱帶的布置采用螺旋纏繞法，確保管道均勻受熱；在系統設置上，確保管道內的水溫始終在5℃以上，檢查調試室外管道及靠近進出口處的管道電伴熱和保溫設施，臨時進水管也需設置電伴熱和保溫設施。

3.4 系統沖洗循環保證措施

該項目根據模塊機房的使用分為A、B兩個系統，單個系統自成回路，冷源為6+1臺風冷式冷水機組，設置在屋面上。采用二級泵系統，一級泵與冷機一一對應，二級泵3+1+1臺，并設置一座備用冷源蓄冷罐及其他附屬設備，如定壓裝置、加藥裝置、水處理裝置等。因項目外部送水并不穩定，如果水量不足不能充滿管道，則無法及時穩定完成系統循環，且若中途斷水導致系統無法運行，易產生管道凍裂現象。故利用系統自帶的蓄冷罐作為臨時儲水點，單個蓄冷罐的儲水量為318m3，蓄冷罐自帶電伴熱帶，可確保其內水源溫度不低于5℃。外部采購的水源先全部注入蓄冷罐內，待蓄冷罐內水量充足后，利用臨時接管連通蓄冷罐的排水管和系統快速補水口，快速往系統內注水，盡快完成系統沖洗循環。中溫冷凍水系統原理圖如圖4所示。

圖4 中溫冷凍水系統原理圖

考慮到蓄冷罐水量無法滿足系統整體沖洗循環用水量，采取分區循環的方式，將冷站的內循環管路及對應冷機的一級泵回路先一步循環，二級泵系統對應的末端空調設備區可以分為一層的變電所環路及二層的包間空調區環路，彼此可以單獨逐個進行沖洗循環（圖5）。

圖5 外部采購水源向蓄冷罐儲水

需要注意的是，在沖洗循環及加藥鍍膜的過程中會涉及多次排水注水，而由于冷機至冷站內循環管路是與一級泵一一對應的，如果一臺水泵出現故障，相應的冷機管路必然水流量不足，室外管道內若有大量存水則極易造成管道凍壞，故每次注水都需要嚴格計算水量并密切觀察水泵的狀態及水溫。

3.5 設備旁通切斷

在調試過程中，還需考慮設備與系統的切斷。在系統循環沖洗和加藥鍍膜未完成前，為避免設備內的銅管受影響，需在設備前端設置臨時旁通，包括冷機、末端空調設備。作為系統臨時補水的蓄冷罐，在補水完成后也應當及時關閉臨時補水管閥門。

3.6 設置溫度和流量監測儀表

該項目運行工況是全年冷負荷的狀態，冷機的運行工況始終保持在有熱負載的狀態下。設備本身的使用環境溫度相對較差，例如冷機的所在位置是室外屋頂，因此配置了內部電伴熱系統，并配溫度感應元件，由設備自身根據環境溫度啟用。

沖洗過程中需確保水溫至少不低于5℃，尤其需監測末端過濾器前后的壓差、水溫，以防末端管路阻塞，水流循環不暢，出現管道凍裂現象。因此，在系統關鍵部位設置溫度和流量監測儀表，以監測水溫和水流量通路情況。如表1和表2所示，在沖洗過程中，各監測點的溫度都在5℃以上，且溫度和流量都非常穩定，表明前期的保溫和疏通檢查工作比較到位。

表1 沖洗過程中各監測點溫度統計表

表2 沖洗過程中各監測點流量統計表

水質達標，水系統進設備前，再次檢查設備前端的過濾器，設備自身的電加熱系統調試完畢，電加熱啟動后才可進水。此外，設備系統內的銅管管徑更小，保溫措施更少，極易產生凍裂現象，故設備的電加熱及管理必須保持正常狀態。

3.7 系統末端配置假負載

數據中心項目全年需要供冷，所以在調試時為了模擬后期的使用工況，會在末端機柜處配置假負載，在提供電路負載的同時，也能提供空調測試的熱負載，模擬空調系統的運行工況。機房包間的熱負載主要來自IT機柜的運行散熱，所以在假負載布置時，需要保證單根熱通道的熱負載相同，并且在熱通道無封閉處設置臨時封閉（圖6）。圖7為中溫水系統示意圖，每8臺空調箱服務1個機房包間，每個包間有10列IT機柜，機柜之間通道為冷通道和熱通道相間排列。

圖6 通道處臨時封閉處理

圖7 中溫水系統圖

嚴禁在無熱負載的情況下調試新風模式，調試新風模式過程中應時刻注意機房包間的溫度。全新風/半新風模式會導致設備區域溫度急速下降，因此需要時刻觀察空調區域的溫度和空調水溫度，保證一定的熱負載作為溫度的提升源，否則極易造成暖通系統整體凍壞。

以包間一1模塊機房為例，每列機柜布置12臺12.5kW的假負載，10列機柜共計120臺。機柜間通道在全回風模式下的空調工況如表3所示，機房內空調箱運行參數如表4所示。

表3 全回風模式下機柜間通道的空調工況

表4 全回風模式下空調箱的運行工況

4 結語

在極寒缺水條件下進行暖通系統調試，需長期維持室內環境溫度，消耗大量的燃油和電力。在運行過程中對環境溫度、水流量、水溫的額外觀測記錄，需耗費大量的人力。末端所需的假負載、熱負載，也是一筆昂貴的費用，再加上在調試過程中面臨的風險問題，在極寒條件下調試面臨諸多困難。但是如果能夠做好成本、風險和成果的平衡，將帶來可觀的效益。本文通過分析不利條件下暖通系統調試的技術措施，提出以下建議：

（1）極寒條件下數據中心的暖通系統調試應將保暖措施放在首位，利用采暖設備保證環境溫度大于5℃，室外區域保證電伴熱系統的穩定使用；

（2）極寒缺水條件下數據中心的暖通調試應確保充足的水源，注意系統運行通暢，保證水流量達到標準，避免局部管道堵塞；

（3）極寒條件下數據中心的暖通調試還應在系統末端保證相應的熱源，必要時可設置假負載，達到設計要求的運行工況。

在北方一些地區，冬季的持續時間可能有半年之久，工程建設中及時的調試能節約半年的工期，做好極寒條件下的調試工作將提高工程整體效益。此外，本文提出的技術措施對寒冬搶險類項目的調試運行也具有一定的借鑒意義。