內蒙古某金融數據中心空調系統設計

朱 傲 宋海峰 郭志成 高 景 劉 彬

(1.華信咨詢設計研究院有限公司,杭州;2.中國銀行股份有限公司,北京)

0 引言

近年來,隨著我國數字化經濟的高速發展,金融數據中心作為其信息體系的重要載體也得到快速發展,單機柜功耗和整體建設規模均大幅增加。對于金融數據中心而言,保障其業務系統的連續運行至關重要,這對數據中心的基礎設施安全要求更加嚴苛。此外,我國自2020年首次提出“雙碳”政策以來,各行業先后出臺了節能減排指導性文件。2022年1月,中國人民銀行印發的《金融科技發展規劃(2022—2025年)》中指出,要“建設綠色高可用數據中心”[1]。由此可見,建設安全、綠色、低碳的數據中心,已經成為金融行業發展的必然趨勢。

美國Uptime Institute(全球公認的數據中心標準組織和第三方認證機構)發布的《Data center site infrastructure tier standard： topology》和《Data center site infrastructure tier standard： operational sustainability》中根據數據中心基礎設施可用性、可靠性及運維管理服務能力把數據中心分為TierⅠ、TierⅡ、TierⅢ、TierⅣ 4個級別,這也是目前國際認可度比較高的分級標準。目前國內金融數據中心大多以GB 50174—2017《數據中心設計規范》中的A級數據中心標準為設計依據,也有部分項目為了保障其基礎設施的可靠性和安全性,按Tier Ⅳ標準設計建造。Tier Ⅳ作為Tier等級中的最高等級,要求設備和線路均按可容錯原則配置。對于空調系統而言,系統冷源和空調末端均為2N(N為系統正常運行的基本需求配置,2N為2套系統)架構,且2個系統的線路需錯開布置,滿足物理隔離要求[2]。

數據中心需要全年供冷,且冷負荷相對穩定,降低空調系統能耗是提高數據中心能效、降低PUE(電能利用效率)的關鍵,充分利用自然冷源是降低空調系統能耗的重要舉措[3]。目前,風冷冷水系統(自然冷卻型)廣泛應用于中大型數據中心,該系統冬季利用空氣冷卻盤管實現自然冷卻,其技術成熟,耗水量低,主要應用于我國嚴寒、寒冷及水資源匱乏的地區。近年來,空氣側間接蒸發冷卻技術也逐步應用于中大型數據中心,該技術利用室外干濕球溫度差實現自然冷卻,節能效果明顯,主要應用于具有較低濕球溫度和較大干濕球溫度差的干燥地區[4-5]。本文以內蒙古某金融數據中心空調系統為例,介紹了間接蒸發冷卻空調系統和風冷冷水系統的組合應用,通過設計2N架構的空調系統,為數據中心高效運行提供有效保障,供金融數據中心的空調系統設計參考。

1 工程概述

該項目為內蒙古某金融數據中心工程,位于內蒙古自治區呼和浩特市和林格爾新區云谷片區(見圖1)。整個項目建設分為3期,1期包括7棟辦公樓、4棟數據中心、2棟動力中心、1棟輔助用房,1期總建筑面積為133 760 m2,其中B1數據中心建筑面積為14 885 m2。地上3層,建筑高度20.10 m。1層為水泵房、配電室、電池室、外網核心機房及輔助用房;2、3層主要為數據機房、配電室和電池室。B1數據中心遠期共規劃部署1 142個IT機柜,單機柜功耗以8 kW/機柜為主,滿載容量為6 646 kW,參照Tier Ⅳ等級進行規劃建設。

圖1 園區鳥瞰圖

2 空調系統設計

2.1 室內外設計參數

2.1.1室外設計參數

和林格爾縣屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候,其主要特征是干旱、多風、寒冷、晝夜溫差大。年平均氣溫為6.2 ℃,年降水量為392 mm。根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》提供的氣象參數,呼和浩特市全年干球溫度時長分布如圖2所示,全年濕球溫度時長分布如圖3所示,室外設計計算參數見表1。根據《2021 ASHRAE handbook： fundamentals (SI edition)》統計的氣象資料,呼和浩特市20 a內夏季極端干球溫度為37.2 ℃,極端濕球溫度為24.6 ℃。

圖2 全年干球溫度時長分布

圖3 全年濕球溫度時長分布

表1 室外設計參數

2.1.2室內設計參數

室內設計參數見表2。GB 50174—2017《數據中心設計規范》中要求冷通道和機柜進風區域的溫度為18.0～27.0 ℃,露點溫度宜為5.5～15.0 ℃,同時相對濕度不宜大于60%。相對于傳統的數據機房,采用間接蒸發冷卻空調機組制冷時,為了進一步延長自然冷卻時間,機房送風溫度有所提升。

表2 室內設計參數

2.2 空調負荷及冷源配置

2.2.1冷負荷計算

根據工藝規劃,B1數據中心數據機房終期可安裝數據設備機柜功耗為6 736 kW(含運營商接入室內的IT設備功耗),變配電室及電池室發熱量為836 kW,數據中心夏季最大冷負荷為8 029 kW(含建筑負荷),計算結果見表3。考慮1.10的冷量冗余系數,風冷冷水系統配置總冷量為8 832 kW。

2.2.2冷源設計

表3 B1數據中心冷負荷計算

根據呼和浩特的氣候特點,結合該數據中心的設計冷負荷,該項目數據機房采用風冷冷水系統+間接蒸發冷卻空調機組,組成2套獨立冷源,風冷冷水系統空調末端采用冷水型下送風房間級機房專用空調機組,間接蒸發冷卻空調機組作為數據機房的主用冷源。

配電室和電池室采用風冷冷水系統+單元式風冷變頻機房專用空調,組成2套獨立冷源,風冷冷水系統空調末端采用冷水型上送風房間級機房專用空調機組,風冷冷水系統作為配電室和電池室的主用冷源。空調冷源按2N架構設計,滿足Tier Ⅳ等級標準。空調冷源主要配置見表4。

表4 B1數據中心冷源配置

2.2.2.1風冷冷水系統

集中式風冷冷水系統共配置了7臺單臺制冷量為1 500 kW的自然冷卻型風冷螺桿式冷水機組,六用一備,安裝于屋頂架構層。此外,系統還配置了7臺變頻冷水泵、2臺自動定壓補水排氣裝置、2臺微晶旁流水處理器、2臺全自動軟化水裝置、3臺閉式蓄冷罐等,分別安裝于1層水泵房和1層蓄冷罐房,主要設備參數見表5。

表5 風冷冷水系統主要設備參數

系統冷水供/回水溫度為15 ℃/21 ℃,采用一級泵變流量環網系統,各機房管路設計考慮互用互通,提高安全性,同時在每個分支點兩端設置隔離閥,保證單點維護時不影響整體系統的運行,風冷冷水系統流程圖見圖4。

蓄冷罐儲水容量按保障空調持續運行15 min設計,以解決市電中斷、柴油發電機啟動至冷水機組恢復運行這段時間的空調系統供冷,保證空調系統與通信設備不間斷運行。系統補水采用獨立水源+補水池的方式,按12 h的系統補水量配置補水池。

數據機房室內空調末端采用冷水型下送風房間級機房專用空調機組,按單個機房總冷負荷配置,不設冗余。配電室、電池室采用冷水型上送風房間級機房專用空調機組,按N+X(X為備用的空調數量)冗余布置(當N≤5時,X=1;當N>5時,X=2)。

2.2.2.2間接蒸發冷卻空調機組

間接蒸發冷卻空調機組是可作為獨立冷源的空氣處理機組,利用空氣-空氣換熱器將數據中心內機柜產生的熱量轉移至室外,實現機房內外空氣的非接觸換熱[6]。機組主要由空氣-空氣換熱器、噴淋組件、風機組件、機械補冷組件及控制系統組成,結構示意圖見圖5。

圖4 風冷冷水系統流程圖

圖5 間接蒸發冷卻空調機組結構示意圖

根據室外氣象工況,機組共有3種運行模式,分別為干工況模式、濕工況模式、混合工況模式。

1) 干工況模式。

噴淋組件和機械補冷組件不運行,室內空氣與室外空氣在空氣-空氣換熱器處進行顯熱交換,用低干球溫度的室外空氣直接冷卻機房內空氣。被冷卻的數據機房室內空氣由風道直接送入機房。

2) 濕工況模式。

噴淋組件運行,機械補冷組件不運行,室外空氣利用噴淋水實現等焓降溫,機組將室外空氣處理至接近濕球溫度后,與室內空氣進行顯熱交換。

3) 混合工況模式。

噴淋組件正常運行,室外空氣經過等焓降溫后與室內空氣進行換熱,室內側送風溫度仍無法滿足設計要求,此時機械補冷組件運行,對室內側送風溫度進行降溫除濕,保證數據中心送風溫度滿足服務器設計要求。

運行模式的氣象工況切換點取決于室內送回風溫度和空氣-空氣換熱器的換熱效率,機械補冷量Q2由機組制冷量Q和夏季設計工況下的間接蒸發制冷量Q1決定。計算公式見式(1)～(4)[7]。

(1)

(2)

(3)

Q2=Q-Q1

(4)

式(1)～(4)中tos為室外空氣干球溫度,℃;tir為室內空調回風溫度,℃,取36 ℃;tis為室內空調送風溫度,℃,取24 ℃;ηd為干工況下空氣-空氣換熱器的換熱效率,一般不大于0.6;t′os為室外空氣濕球溫度,℃;ηw為濕工況下空氣-空氣換熱器的換熱效率,一般不大于0.7;cp為空氣的比定壓熱容,kJ/(kg·K),取1.01 kJ/(kg·K);qv為室內風機送風量,m3/h;ρ為空氣密度,kg/m3,取1.18 kg/m3;t′is為極端濕球溫度工況下間接蒸發段的送風溫度,℃。

由上述計算可得,tos≤16 ℃,t′os≤19 ℃。當極端濕球溫度為24.6 ℃時,t′is=28.02 ℃,Q1=126.8 kW,Q2=73.2 kW。即室外干球溫度≤16 ℃時,機組以干工況模式運行;室外干球溫度>16 ℃,濕球溫度≤19 ℃時,機組以濕工況模式運行;室外濕球溫度>19 ℃時,機組以混合工況模式運行,極端濕球工況下,機組所需機械補冷量為73.2 kW。

該項目數據機房共配置48臺間接蒸發冷卻空調機組,單個數據機房配置6臺機組,五用一備,機組性能參數見表6。間接蒸發冷卻空調機組均采用變頻壓縮機補冷,配置補冷容量為機組制冷量的50%。間接蒸發冷卻機空調組的室內外風機、水泵、壓縮機均采用UPS保障供電,保障時間為15 min,滿足GB 50174—2017《數據中心設計規范》A級要求。單個機房空調設備布置平面圖見圖6,間接蒸發冷卻空調機組與冷水型下送風房間級機房專用空調機組分設2個空調區,實現物理隔離。

表6 間接蒸發冷卻空調機組性能參數

注：AHU為間接蒸發冷卻空調機組;ACU為冷水型下送風房間級機房專用空調機組。圖6 主機房空調布置平面圖

2.3 系統運行模式與節能分析

2.3.1各系統運行模式與時長分布

該項目風冷冷水空調系統和間接蒸發冷卻空調機組運行模式及各模式時長占比分別如表7、8所示。采用風冷冷水系統時,完全自然冷卻時長占全年時長的45%;而采用間接蒸發冷卻空調機組運行時,“干工況”運行模式占全年時長的69%,節能效果顯著。正常運行時,IT機房全年采用間接蒸發冷卻空調機組制冷,配電用房全年采用風冷冷水系統制冷。當IT機房間接蒸發冷卻空調機組故障數量超過其冗余數量時,IT機房切換至風冷冷水系統制冷。

表8 間接蒸發冷卻空調機組運行模式及時長占比

2.3.2PUE和WUE測算

根據《內蒙古自治區“十四五”節能規劃》的要求,新建數據中心須達到綠色數據中心建設標準,PUE值不超過1.3[8]。該項目主機房采用間接蒸發冷卻空調機組制冷時,全年年均PUE計算值見表9,計算得出年均PUE為1.18(<1.30),優于內蒙古政策要求。年均WUE計算值見表10,年均WUE為0.49 L/(kW·h)(<2.00 L/(kW·h))。相較于采用水冷冷水系統,間接蒸發冷卻空調機組和風冷冷水系統的節水優勢也十分明顯。

表9 年均PUE計算

表10 年均WUE計算

3 空調風系統

3.1 氣流組織

該項目主機房采用彌漫送風+封閉熱通道的氣流組織形式,相對于傳統地板下送風+封閉冷通道的氣流組織形式,封閉熱通道能有效提高空調回風溫度,進而提高送風溫度,延長自然冷卻時間。除此之外,除了封閉熱通道及吊頂內,室內能維持一個相對適宜的溫度環境,提高運維人員熱舒適性。目前,封閉熱通道在全國各地應用相對廣泛,尤其是在采用間接蒸發冷卻空調機組制冷的主機房中,其節能優勢已在諸多建設項目中得到驗證[9-10]。

機房氣流組織如圖7所示,間接蒸發冷卻空調機組布置于外側空調區,利用外墻百葉進風,通過風管連接至屋面排風井排風,實現進排風隔離,防止氣流短路。空調區與主機房之間設置送風通道,冷水型機房專用空調布置于內側空調區。左側空調區隔墻和右側送風通道隔墻上設置送風格柵,主機房內機柜采用背對背布置,通過設置封閉熱通道與頂部回風吊頂相通。間接蒸發冷卻空調機組(或冷水型機房專用空調)將低溫空氣送至送風通道內,送風通道整體連通,形成類似靜壓箱的均壓效果。低溫空氣經送風格柵后進入主機房內,進入機柜內帶走服務器熱量后經回風吊頂返回至間接蒸發冷卻空調機組(或冷水型機房專用空調)中,如此循環。

3.2 模擬仿真

圖7 機房氣流組織示意圖

為了驗證氣流組織的合理性,對3層2號主機房進行氣流仿真模擬,對比機房在2種工況下的氣流分布情況。機房設備配置見表11。機房層高為6.30 m,吊頂高為3.65 m,送風格柵有效系數均為0.8,空調制冷量根據送風溫度控制,平均送風溫度為24 ℃。風機轉速根據送回風溫差控制,送回風溫差為12 ℃。

表11 機房設備配置

工況1：夏季設計工況下,間接蒸發冷卻空調機組全部開啟,冷水型機房專用空調全部關閉。

工況2：夏季設計工況下,間接蒸發冷卻空調機組全部關閉,冷水型機房專用空調全部開啟。

機房仿真三維模型如圖8所示,模擬結果見圖9～14。

圖8 機房三維仿真模型

模擬結果顯示,無論是哪種運行工況,房間氣流分布均勻,除熱通道內之外,室內溫度維持在24 ℃左右,封閉通道內溫度維持在36 ℃左右,機柜無熱點,滿足設計要求。

4 機房熱環境評價分析

目前,評價機房熱環境指標常用SHI(供熱指數)、RHI(回熱指數)。SHI是衡量熱空氣進入冷通道后對機柜進風溫度影響程度的指標,SHI值越小,表示冷熱混合程度越低,氣流組織越好。RHI是衡量冷空氣進入熱通道后對空調回風溫度影響程度的指標,RHI值越大,說明冷熱混合程度越低,空調送風效率越高。理想情況下,SHI與RHI之和等于1[11-12]。

圖9 溫度分布云圖(工況1)

圖10 x=12.9 m處速度場(工況1熱通道)

圖11 x=15.5 m處速度場(工況1冷通道)

圖12 溫度分布云圖(工況2)

圖13 x=12.9 m處速度場(工況2熱通道)

(5)

(6)

式(5)、(6)中S為供熱指數;δq為空調送風在進入機柜之前吸收的熱量,kW;q為數據中心全部機柜總發熱量,kW;mi,j為流經第i行第j列機架空氣質量流量,kg/s;tini,j、touti,j為第i行第j列機柜進、排風平均溫度,℃;R為回熱指數。

2種運行工況下機柜SHI和RHI指標見表12。結果表明,機房氣流組織良好,空調送風效率很高。

表12 機房氣流組織評價指標

5 結束語

該項目針對金融數據中心的高保障等級要求,參照Tier Ⅳ標準設計了2N架構的空調系統。采用間接蒸發冷卻空調機組作為數據中心的主要冷源,集中式風冷冷水空調系統作為其備用冷源,這是大型金融數據中心空調設計的一次探索和實踐,也是多層間接蒸發冷卻空調機組在大型國有商業銀行金融數據中心的首次大規模應用,可供同類型項目建設時參考。該系統架構合理,采用間接蒸發冷卻空調機組制冷時,年均PUE為1.18,年均WUE為0.49 L/(kW·h),在內蒙古地區系統節能、節水優勢明顯。通過模擬仿真分析,該項目采用彌漫送風+封閉熱通道的氣流組織形式,無論在哪種運行工況下,房間溫度都分布均勻,機房氣流組織良好,空調送風效率高,機柜無熱點。