數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶紅濤

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心具有設(shè)備發(fā)熱量大、單位面積冷負(fù)荷大以及對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的依賴性強(qiáng)等特點(diǎn)，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性對(duì)保證數(shù)據(jù)中心核心設(shè)備的正常工作至關(guān)重要。為了保證通信設(shè)備和服務(wù)器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，空調(diào)系統(tǒng)需要24 h 不間斷運(yùn)行。因此，在確保系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，合理的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)均衡初始投資、降低生產(chǎn)能耗極其重要。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心整體設(shè)備制冷要求、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)要求及能耗指標(biāo)要求等，結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)建設(shè)的初始投資和后期運(yùn)行費(fèi)用，設(shè)計(jì)最佳的空調(diào)形式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)安全可靠、綠色節(jié)能。總體上，空調(diào)系統(tǒng)按使用場(chǎng)景分為2 類。第一類為工藝型，其目的是保證數(shù)據(jù)中心設(shè)備機(jī)房的制冷需求和濕度要求，如互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）主機(jī)房、電力電池室等；第二類為舒適型，其目的是保證室內(nèi)環(huán)境的舒適度，提高工作效率，如監(jiān)控室、企業(yè)總控中心（Enterprise Command Center，ECC）等。由于數(shù)據(jù)中心中工藝型空調(diào)起關(guān)鍵性作用，因此對(duì)于常見(jiàn)3種工藝性空調(diào)系統(tǒng)即間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)、自然冷卻風(fēng)冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)、水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，并對(duì)其優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)利用直接蒸發(fā)冷卻后的空氣（稱為二次空氣）和水，通過(guò)換熱器與室外空氣進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)（稱為一次空氣）冷卻。

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)件包括空氣-空氣熱交換器、室內(nèi)EC 風(fēng)機(jī)-室外EC 風(fēng)機(jī)、水噴淋系統(tǒng)、補(bǔ)充制冷系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中，間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組可以放置在屋頂或者室外，采用彌漫送風(fēng)方式，直接送至數(shù)據(jù)中心主機(jī)房?jī)?nèi)；回風(fēng)通過(guò)機(jī)柜封閉的熱通道及熱回風(fēng)夾層直接回至空調(diào)設(shè)備內(nèi)。氣流組織為下送風(fēng)和上回風(fēng)。間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)有3種運(yùn)行模式，分別為干模式、濕模式及帶有補(bǔ)充制冷的濕模式。

1.1 3 種運(yùn)行模式

（1）干模式。室外干球溫度在16 ℃（可調(diào)）或以下時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)在此模式下運(yùn)行。

（2）濕模式。室外干球溫度在16 ℃（可調(diào)）以上，濕球溫度在19 ℃（可調(diào)）以下時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)在此模式下運(yùn)行。

（3）帶有補(bǔ)充制冷的濕模式。室外濕球溫度在19 ℃（可調(diào)）以上時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)在此模式下運(yùn)行。

1.2 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)溫度控制

空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)房冷通道內(nèi)的溫度敏感元件反饋信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、噴淋水泵、壓縮機(jī)等運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到房間溫度要求。

當(dāng)室外溫度在16 ℃（可調(diào)）以上時(shí)，室內(nèi)送風(fēng)目標(biāo)溫度達(dá)到設(shè)定值之上，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟噴淋系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā)冷卻以達(dá)到溫度要求。

當(dāng)室外濕球溫度在19 ℃（可調(diào)）以上時(shí)，補(bǔ)充制冷直膨冷卻被激活，壓縮機(jī)將分階段調(diào)整以達(dá)到溫度要求。

1.3 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)濕度控制

空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)冷通道送風(fēng)區(qū)內(nèi)的濕度敏感元件反饋信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)濕膜加濕器運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到送風(fēng)濕度要求。當(dāng)室外溫度低于2 ℃時(shí)（可設(shè)），水槽排水球閥打開(kāi)，管路排水球閥打開(kāi)，清空系統(tǒng)中存水。

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)回風(fēng)量比較大，因此對(duì)進(jìn)回風(fēng)管道和機(jī)房層高都有很高的要求。對(duì)于新建數(shù)據(jù)中心，需要在土建設(shè)計(jì)階段充分考慮，規(guī)劃好進(jìn)回風(fēng)路由，同時(shí)設(shè)置好進(jìn)回風(fēng)管道。對(duì)于改造類數(shù)據(jù)中心，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)比較適用于單層建筑物，同時(shí)室外需要有足夠空間放置空調(diào)機(jī)組。

2 自然冷卻風(fēng)冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)

自然冷卻風(fēng)冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)主要由風(fēng)冷冷水主機(jī)、水泵及空調(diào)末端等組成。風(fēng)冷冷水主機(jī)通過(guò)液態(tài)制冷劑在其蒸發(fā)器盤(pán)管內(nèi)直接蒸發(fā)（膨脹），對(duì)盤(pán)管外的冷凍水吸熱而制冷，制冷系統(tǒng)中氣態(tài)制冷劑通過(guò)風(fēng)冷的方式冷卻為液態(tài)[1]。自然冷卻風(fēng)冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的3 種運(yùn)行模式如下文所述，見(jiàn)圖1。

圖1 3 種運(yùn)行模式

（1）室外環(huán)境溫度低至可供所有室內(nèi)設(shè)備需要的冷量時(shí)，自然冷卻水泵開(kāi)始運(yùn)行。冷凍水回水經(jīng)過(guò)自然冷卻盤(pán)管，室內(nèi)所需冷量全部由室外冷空氣自然冷卻供給。此時(shí)，風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，壓縮機(jī)停止工作。

（2）室外環(huán)境溫度低于冷凍水一定溫度時(shí)，部分使用自然冷卻。自然冷卻水泵運(yùn)行，冷凍水回水經(jīng)過(guò)自然冷卻盤(pán)管預(yù)冷。壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)同時(shí)開(kāi)啟，壓縮機(jī)輸出部分能力。

（3）室外環(huán)境溫度較高不能使用自然冷卻，自然冷卻水泵停止運(yùn)行，自然冷卻盤(pán)管不工作，壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)同時(shí)開(kāi)啟，壓縮機(jī)輸出100%能力[2]。

由于冬季自然冷卻時(shí)可能會(huì)遇到極端低溫天氣，冷凍水有上凍風(fēng)險(xiǎn)，需要冬季對(duì)冷凍水加注乙二醇溶液，從而影響室內(nèi)換熱效率，增加水泵功耗。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境要求不能采用乙二醇溶液循環(huán)時(shí)，可選擇冷凍水（純水）循環(huán)的機(jī)組。自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組可以應(yīng)用一體化設(shè)計(jì)，機(jī)組內(nèi)置自然中間換熱器、冷卻盤(pán)管、膨脹罐、乙二醇水泵等自然冷卻功能的配件，并且室外主機(jī)內(nèi)的自然冷卻盤(pán)管可在出廠前充注好乙二醇溶液。室內(nèi)的冷凍水（純水）通過(guò)中間換熱器（板換）與室外的乙二醇溶液循環(huán)換熱。

自然冷卻風(fēng)冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：空調(diào)形式?jīng)]有冷卻水系統(tǒng)，消耗水資源極少。與水冷冷凍水系統(tǒng)相比，少一個(gè)冷卻水系統(tǒng)，設(shè)備種類較少、無(wú)共用管路、故障類型明確、機(jī)組之間互無(wú)影響且維護(hù)要求低，因此對(duì)維護(hù)人員的要求也較低，僅需要少量的維護(hù)人員[3]。

自然冷卻風(fēng)冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：夏季主機(jī)較水冷機(jī)組能耗較高，風(fēng)冷主機(jī)噪聲較大。外機(jī)采用風(fēng)冷，夏季易出現(xiàn)高壓情況。因此，適合缺水，同時(shí)夏季氣溫不高、冬季氣溫低的區(qū)域。

3 水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)

水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)包含冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)2 個(gè)水系統(tǒng)，主要由水冷冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵、定壓補(bǔ)水系統(tǒng)、冷卻水泵、水處理設(shè)備、冷凍水空調(diào)末端及管路閥門等組成。

水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：空調(diào)系統(tǒng)整體能效比高，系統(tǒng)耗電費(fèi)用低。該系統(tǒng)采用冷卻塔方式散熱，冷卻塔一般設(shè)置在樓頂層，因此占地面積小，同時(shí)散熱效果較好。系統(tǒng)離心壓縮能效高，冬季可使用板換充分利用自然冷然，實(shí)現(xiàn)免費(fèi)供冷，系統(tǒng)有很高的總體調(diào)配能力，同時(shí)對(duì)建筑外立面造型無(wú)影響。

水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：投資高，尤其是初次投資；設(shè)備種類多，系統(tǒng)架構(gòu)和控制較復(fù)雜，維護(hù)工作量大，需要專門的維護(hù)管理人員。冷凍水供、回水管道存在泄漏隱患，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需采用設(shè)備備份、環(huán)網(wǎng)或者雙系統(tǒng)來(lái)解決可靠性問(wèn)題，同時(shí)采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧苊馑肌Ａ硗猓瑖?yán)寒地區(qū)需考慮防凍問(wèn)題[4,5]。

4 案 例

本次數(shù)據(jù)中心在充分滿足工藝要求的前提下，采用空調(diào)系統(tǒng)的新技術(shù)、新方法，保障空調(diào)系統(tǒng)的利用率高、節(jié)能、環(huán)保以及生產(chǎn)的順利運(yùn)行。結(jié)合數(shù)據(jù)中心建設(shè)等級(jí)要求及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，該數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)采用集中水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，冬季和過(guò)渡季節(jié)采用開(kāi)式冷卻塔和板式換熱器提供免費(fèi)冷源。

4.1 系統(tǒng)配置

本項(xiàng)目在數(shù)據(jù)中心樓一層設(shè)置冷凍站。冷凍站設(shè)置冷水主機(jī)、循環(huán)水泵、板式換熱器，冷卻塔設(shè)置于樓頂位置，所有設(shè)備均按N+1 方式配置。為滿足能效要求，冷水主機(jī)、循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)等均采用變頻電機(jī)，以此提高部分負(fù)荷的性能指標(biāo)。

4.2 空調(diào)水系統(tǒng)管路

本次冷凍水系統(tǒng)采用二次泵變流量機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)，制冷機(jī)房?jī)?nèi)冷凍水主系統(tǒng)成環(huán)狀布置，冷凍水一次泵和冷卻泵采用一泵對(duì)應(yīng)一主機(jī)的系統(tǒng)，各數(shù)據(jù)中心主機(jī)房循環(huán)水系統(tǒng)均為環(huán)狀供水，空調(diào)末端支管均通過(guò)閥門分隔，保證單點(diǎn)故障時(shí)仍可在線維護(hù)。機(jī)房樓干線管路采用2N結(jié)構(gòu)，從冷凍站引2 路干線管路到每個(gè)樓層，從而保證任意一套干線管路故障，不影響機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 自然冷卻系統(tǒng)

本次空調(diào)系統(tǒng)每臺(tái)水冷離心機(jī)組配套一臺(tái)板式換熱器（換熱量同空調(diào)主機(jī)），充分利用過(guò)渡季節(jié)或冬季較低的室外冷源，通過(guò)冷卻塔及板式換熱器提供冷源。冷水機(jī)組和板換的管道連接方式為串并聯(lián)設(shè)計(jì)，可減少冷凍機(jī)組開(kāi)啟時(shí)間，提高冷水機(jī)組的制冷效率，降低能源消耗。

4.4 系統(tǒng)冷凍水和冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)

冷凍水系統(tǒng)采用二次泵變流量系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)，水泵采用變頻調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的目的。

數(shù)據(jù)中心大樓的管網(wǎng)部分，干線管路采用2N結(jié)構(gòu)，從冷凍站引2 路干管到每個(gè)樓層，保證任意一套干管故障，不影響機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行。數(shù)據(jù)中心的樓層管路（冷凍水），在每層樓的空調(diào)機(jī)房，采用環(huán)網(wǎng)方式，每個(gè)機(jī)房專用空調(diào)的供回水管分別連接到供水環(huán)網(wǎng)和回水環(huán)網(wǎng)上，保證環(huán)網(wǎng)任意一點(diǎn)故障，不影響機(jī)房專用空調(diào)的正常運(yùn)行。為保證系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心冷卻塔風(fēng)機(jī)、水泵等均配套變頻控制。

4.5 連續(xù)制冷系統(tǒng)

本次冷凍水系統(tǒng)按建設(shè)等級(jí)要求，配置應(yīng)急蓄冷罐，蓄冷罐采用開(kāi)式罐。該系統(tǒng)可保障市電中斷后，從油機(jī)啟動(dòng)至冷水機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行這段時(shí)間空調(diào)系統(tǒng)供冷問(wèn)題（用電均由不間斷電源保障），以保證空調(diào)系統(tǒng)與通信設(shè)備不間斷的同步運(yùn)行，蓄冷保障時(shí)間不小于15 min。

4.6 應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)

本次應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)考慮1 路獨(dú)立水源，同時(shí)設(shè)置應(yīng)急補(bǔ)水池，應(yīng)急補(bǔ)水池的蓄水容量按12 h 用水需求考慮。

5 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)民用舒適性空調(diào)不論在安全可靠性，還是綠色節(jié)能方面有很大區(qū)別。對(duì)于區(qū)域氣候不同、建設(shè)規(guī)模不同、建設(shè)要求不同以及設(shè)備負(fù)荷密度不同的數(shù)據(jù)中心，采用何種形式的空調(diào)系統(tǒng)，要結(jié)合各種空調(diào)形式的適應(yīng)場(chǎng)景和當(dāng)?shù)氐臍夂颉h(huán)境條件，充分分析、綜合考慮，經(jīng)充分技術(shù)論證后確定。