上海某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

李倩文 儲(chǔ)孝忠 李宗超

1.上海有孚智數(shù)云創(chuàng)數(shù)字科技有限公司

2.上海境喜家居科技有限公司

0 引言

隨著5G、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)快速發(fā)展，信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加速融合，數(shù)據(jù)中心作為各個(gè)行業(yè)信息系統(tǒng)運(yùn)行的物理載體，已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。2021年7月，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》，明確用3年時(shí)間，基本形成布局合理、技術(shù)先進(jìn)、綠色低碳、算力規(guī)模與數(shù)字經(jīng)濟(jì)增長相適應(yīng)的新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展格局。《上海市數(shù)據(jù)中心建設(shè)導(dǎo)則2021》中提出，新建大型數(shù)據(jù)中心綜合PUE 嚴(yán)格控制不超過1.3。在數(shù)據(jù)中心中，除IT 第一大能耗外，在非IT 能耗中，空調(diào)系統(tǒng)占絕大部分，故空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的核心，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能最大潛力所在。空調(diào)系統(tǒng)通過最大限度利用自然冷源，提高空調(diào)系統(tǒng)的能效，降低能耗，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能，降低PUE 值。

本文以上海某數(shù)據(jù)中心在浦東新區(qū)臨港新建的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心為例，通過最大限度利用自然冷源、選用高效節(jié)能設(shè)備，降低了空調(diào)系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)了上海市數(shù)據(jù)中心建設(shè)導(dǎo)則要求的年均PUE 不超過1.3的要求［1］。

1 項(xiàng)目概況

數(shù)據(jù)中心位于上海市浦東新區(qū)某園區(qū)內(nèi)，分三期建設(shè)，每期兩棟樓，建筑效果見圖1。位于園區(qū)西部兩棟數(shù)據(jù)中心樓互為鏡像關(guān)系，基礎(chǔ)設(shè)施完全一致，本文以其中一棟樓為例。

圖1 建筑效果圖

數(shù)據(jù)中心單棟樓總建筑面積11 529 m2，單層5 740 m2，建筑高度16.85 m，第一層高度9 m，第二層高度7.85 m。第一層功能房間為冷凍站、配電室、冷源配電室、電池間、主機(jī)房、ECC、會(huì)議室、辦公室及備用件等，第二層功能房間為主機(jī)房、配電室、電池間等，屋頂主要為冷卻塔、補(bǔ)水箱、空調(diào)室外機(jī)。數(shù)據(jù)中心后備電源為柴油發(fā)電機(jī)，置于數(shù)據(jù)中心樓旁邊單獨(dú)的動(dòng)力樓內(nèi)。數(shù)據(jù)機(jī)房共布置1 540個(gè)IT機(jī)柜，單機(jī)柜功率7 kW，同時(shí)系數(shù)0.9。布置兩個(gè)運(yùn)營商機(jī)房，共28個(gè)機(jī)柜，單機(jī)柜功率4 kW。中心按照GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》A 級機(jī)房的技術(shù)規(guī)范建設(shè)，并遵循規(guī)范性、可靠性、安全性等設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)年均PUE不高于1.3［2］。

2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 空調(diào)室外及室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

上海地區(qū)空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，項(xiàng)目功能區(qū)室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表1 上海地區(qū)空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 空調(diào)冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目冷負(fù)荷需求高，且又需滿足上海市數(shù)據(jù)中心建設(shè)導(dǎo)則PUE 小于1.3 的要求，為此項(xiàng)目冷源系統(tǒng)采用冷凍水系統(tǒng)，系統(tǒng)采用水冷冷水機(jī)組+自然冷卻形式，每臺冷機(jī)配置1 臺板式熱交換器。機(jī)房空調(diào)末端采用下送風(fēng)冷凍水精密空調(diào)，冷卻塔采用開式冷卻塔，置于屋面。空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式包括冷機(jī)冷源模式、預(yù)冷混用模式、自然冷源模式。空調(diào)冷凍水采用一次泵變流量系統(tǒng)，環(huán)網(wǎng)形式布置。當(dāng)一路系統(tǒng)故障時(shí)，通過閥門可以隔離故障區(qū)域，保證其他系統(tǒng)不受影響。機(jī)房采用精密空調(diào)下送風(fēng)形式，地板為架空地板。機(jī)房內(nèi)為冷通道封閉，使精密空調(diào)的冷風(fēng)最大限度被IT設(shè)備使用，避免冷空氣與熱通道的氣流混合，有效減小冷量逸散，降低空調(diào)負(fù)荷，提高空調(diào)利用率［3-4］。

IT機(jī)房的不間斷運(yùn)行也要求空調(diào)能夠365x24 h運(yùn)行，為此冷凍水泵和末端空調(diào)配置了UPS。為保證空調(diào)系統(tǒng)電源故障的情況下數(shù)據(jù)通信設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，項(xiàng)目同時(shí)設(shè)置了滿足系統(tǒng)滿載運(yùn)行情況下供應(yīng)冷量15 min的蓄冷裝置。為延長自然冷卻時(shí)長，項(xiàng)目提高冷凍水供回水溫度至15/21 ℃。數(shù)據(jù)中心機(jī)房專用空調(diào)需全年制冷運(yùn)行，因此需全年提供冷凍水。當(dāng)室外溫度較低時(shí)，可利用中央空調(diào)冷卻水經(jīng)過板式熱交換器，與冷凍水熱交換后直接將冷凍水送至空調(diào)，從而使離心式冷水機(jī)組的壓縮機(jī)不用開啟或減少開啟時(shí)間，以獲得節(jié)能效果。

2.3 三態(tài)冷源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目冷卻系統(tǒng)、冷源控制系統(tǒng)分為三態(tài)冷源模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換：冷源系統(tǒng)依據(jù)室外濕球溫度及冷塔出水溫度與設(shè)定值的關(guān)系判斷模式。三態(tài)模式為冷機(jī)冷源模式、預(yù)冷混用模式、自然冷源模式［5］。

各模式控制信息及激活條件如下：

1）冷機(jī)冷源模式

（1）冷機(jī)冷源模式激活，系統(tǒng)完全由冷水機(jī)組提供冷源。

（2）激活條件：室外濕球溫度≥冷機(jī)冷源模式室外濕球溫度設(shè)定（默認(rèn)16 ℃，可更改）持續(xù)900 s（可更改）。

2）預(yù)冷混用模式

（1）該模式多用于春秋季，為冷機(jī)冷源模式的初期及末期。冷凍機(jī)冷卻水進(jìn)水溫度低于開啟要求，此時(shí)通過閥門的切換使冷卻水先經(jīng)過板式換熱器一次側(cè)，冷凍水則經(jīng)過板式換熱器二次側(cè)。板換一次側(cè)的冷卻水與二次側(cè)的冷凍水進(jìn)行能量交換，使一次側(cè)冷卻水出水溫度升高至冷凍機(jī)開機(jī)要求，充分利用自然冷源中的能量使冷凍機(jī)達(dá)到開機(jī)要求。

（2）激活條件：自然冷源模式濕球溫度設(shè)定（默認(rèn)8 ℃，可更改）＜室外濕球溫度≤預(yù)冷混用模式濕球溫度設(shè)定（默認(rèn)16 ℃，可更改）持續(xù)900 s（可更改）。

3）自然冷源模式

（1）此時(shí)通過閥門的切換使冷卻水經(jīng)過板式換熱器一次側(cè)，冷凍水則經(jīng)過板式換熱器二次側(cè)。一次側(cè)的冷卻水與二次側(cè)的冷凍水進(jìn)行能量交換，使板換二次側(cè)的冷凍水出水溫度保持在15 ℃，完全利用自然冷源中的能量為系統(tǒng)提供冷源。

（2）激活條件：室外濕球溫度≤自然冷源模式濕球溫度設(shè)定（默認(rèn)8 ℃，可更改）持續(xù)900 s（可更改）。

為最大限度地利用室外自然冷源，減少過渡季自然冷卻方式與機(jī)械制冷方式頻繁切換，項(xiàng)目配置了4 臺板式熱交換器分別與4 臺冷水機(jī)組串接，室外低溫冷卻水先進(jìn)入板換進(jìn)行換熱，然后再進(jìn)入冷水機(jī)組換熱。當(dāng)室外濕球溫度達(dá)到8 ℃時(shí)，板式換熱器能提供全部制冷，此時(shí)冷水機(jī)組可停機(jī)。當(dāng)主機(jī)突發(fā)故障或市電故障造成制冷主機(jī)停機(jī)時(shí)，重新開啟主機(jī)（或備用的主機(jī)）并達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)需要等待時(shí)間，故設(shè)置蓄冷罐儲(chǔ)冷解決制冷主機(jī)重啟時(shí)間內(nèi)的供冷。該項(xiàng)目制冷系統(tǒng)連接8臺立式閉式承壓蓄冷罐，每臺容積65 m3，蓄冷容量按照系統(tǒng)滿載15 min蓄冷時(shí)間設(shè)計(jì)。

2.4 項(xiàng)目PUE測算

經(jīng)計(jì)算，該項(xiàng)目單棟樓總冷負(fù)荷為11 580 kW，冷源系統(tǒng)選用N+1 配置，末端精密空調(diào)選用N+2（N＞5）配置。項(xiàng)目選用高效節(jié)能的空調(diào)設(shè)備，冷水機(jī)組單臺容量為4 255 kW，在冷凍水供回水溫度15～21 ℃、冷卻水供回水溫度32～39 ℃的設(shè)計(jì)工況下，滿載時(shí)冷水機(jī)組的能效COP可達(dá)8.172。表3是某品牌變頻離心式冷水機(jī)組在不同運(yùn)行工況下的能效值COP，根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》典型氣象年逐時(shí)氣象資料，參照上海地區(qū)氣象參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，測算數(shù)據(jù)中心運(yùn)行全年逐時(shí)PUE，測算數(shù)據(jù)見表4［6-7］。

表3 某品牌變頻離心式冷水機(jī)組不同運(yùn)行工況下的能效值

表4 全年逐時(shí)PUE測算

3 結(jié)語

本文以上海某數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)實(shí)踐為例介紹了空調(diào)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，利用冷水機(jī)組+板式換熱器形式，在過渡季和冬季開啟，最大限度地利用室外自然冷源，減少冷水機(jī)組的耗能，實(shí)現(xiàn)上海市新建數(shù)據(jù)中心PUE不高于1.3的要求。通過選用高效節(jié)能設(shè)備，達(dá)到滿載情況下年均設(shè)計(jì)PUE值1.296，符合上海市數(shù)據(jù)中心建設(shè)要求。該項(xiàng)目已于2022年交付使用，在實(shí)際運(yùn)行過程中，受數(shù)據(jù)中心機(jī)柜上架情況、機(jī)房運(yùn)維水平等影響，實(shí)際運(yùn)行PUE 有所不同。