黃世鵬

摘 要：介紹了某集裝箱式數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括主要室內(nèi)參數(shù)、冷源、冷凍水和冷卻水系統(tǒng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。探討了該系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保措施。

關(guān)鍵詞：模塊化；冷源；水系統(tǒng)；風(fēng)系統(tǒng)；冷熱通道；免費(fèi)制冷；連續(xù)供冷；節(jié)能

引言

為有效利用數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)，適應(yīng)數(shù)據(jù)中心快速靈活發(fā)展、低成本建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的要求，模塊化數(shù)據(jù)中心開始廣為業(yè)界接受。其中，集裝箱式數(shù)據(jù)中心是將機(jī)柜、空調(diào)、配電柜、消防、安防、監(jiān)控、制冷設(shè)備、UPS、發(fā)電機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)施部分或全部集成安裝到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)集裝箱內(nèi)，從而構(gòu)建一個(gè)高度集成、靈活擴(kuò)建、多種功能用途的數(shù)據(jù)中心，具有快速部署、成本低、支持滾動(dòng)式擴(kuò)容、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，得到越來越多的應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。

1 工程概況

該項(xiàng)目地點(diǎn)位于廣東省某市科技園區(qū)，按GB50174-2017分級(jí)為A級(jí)，滿足Uptime Tier Ⅲ級(jí)別設(shè)計(jì)認(rèn)證要求，IT機(jī)柜總數(shù)為1050臺(tái)，平均功率密度為8kw/柜。項(xiàng)目總建筑面積約8200平方米，包括主建筑、制冷站和柴油發(fā)電機(jī)房。主建筑共5層，一層為支持區(qū)，包括變配電室、中壓室、電池室，二～五層為主機(jī)房，每層設(shè)強(qiáng)電間、弱電間和新風(fēng)機(jī)房；制冷站共2層，一層設(shè)置冷源水力模塊、冷凍水力模塊、冷卻水力模塊、蓄冷罐等，二層設(shè)置冷卻塔、動(dòng)力變配電室等。

主建筑層高為4.15m，一～五層均設(shè)置架空地板。一層支持區(qū)的變配電柜、變壓器、UPS、電池等輔助設(shè)施集成安裝為電源動(dòng)力箱，二～五層主機(jī)房的IT機(jī)柜、配電柜、空調(diào)采用雙排密封熱通道微模塊形式進(jìn)行布置，每個(gè)微模塊及其消防、安防、監(jiān)控等設(shè)施集成安裝為雙拼IT箱，集裝箱通過“搭積木”的方式堆疊安裝組成主建筑。

2 空調(diào)冷負(fù)荷及室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

空調(diào)系統(tǒng)夏季冷負(fù)荷主要包括設(shè)備散熱、圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱、外窗進(jìn)入的太陽(yáng)輻射熱、人員散熱、照明散熱、新風(fēng)負(fù)荷、散濕過程產(chǎn)生的潛熱等。數(shù)據(jù)中心的主要特點(diǎn)為：顯熱負(fù)荷大，設(shè)備冷負(fù)荷占比最大，新風(fēng)量小，濕負(fù)荷小等。該項(xiàng)目空調(diào)總冷負(fù)荷為9270kw，設(shè)備冷負(fù)荷為8610kW，占比為93%。

該項(xiàng)目主要室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 空調(diào)冷源

該項(xiàng)目設(shè)置2個(gè)獨(dú)立的制冷站，每個(gè)制冷站包括水冷離心式冷水機(jī)組、板式換熱器、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵各3臺(tái)，配置均為2+1，水泵與冷水機(jī)組、板式換熱器一對(duì)一接管，并配套水處理、定壓補(bǔ)水等設(shè)備，室外地面設(shè)置2個(gè)蓄冷罐。冷水機(jī)組和板式換熱器“1+1”組成3個(gè)冷源水力模塊，3臺(tái)冷凍水泵及其加藥、定壓補(bǔ)水設(shè)備組成1個(gè)冷凍水力模塊，3臺(tái)冷卻水泵及其旁濾、加藥設(shè)備組成1個(gè)冷卻水力模塊，每個(gè)模塊均集成安裝到一個(gè)集裝箱內(nèi)。制冷站的冷源系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 制冷站冷源系統(tǒng)原理圖

為保證供電故障正常冷源臨時(shí)停機(jī)時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)能維持正常運(yùn)行、連續(xù)供冷，每個(gè)制冷站設(shè)置2個(gè)閉式蓄冷罐作為應(yīng)急冷源，蓄冷時(shí)間為10min，冷凍水泵、控制系統(tǒng)、末端空調(diào)風(fēng)機(jī)均由不間斷電源系統(tǒng)供電。

4 空調(diào)水系統(tǒng)

冷凍水系統(tǒng)采用閉式一次泵變流量系統(tǒng)，根據(jù)最不利回路末端壓差調(diào)節(jié)水泵變頻器運(yùn)行頻率，改變負(fù)荷側(cè)流量。為提高系統(tǒng)的可靠性，冷凍水供回水管路采用環(huán)形管網(wǎng)和雙供雙回方式布置，主建筑內(nèi)冷凍水管、冷凝水管均敷設(shè)于架空地板下。

圖2 冷凍水管網(wǎng)示意圖

冷卻水系統(tǒng)采用母管制、環(huán)形管網(wǎng)布置，冷卻塔進(jìn)出水管道采用并聯(lián)方式連接。冷卻塔補(bǔ)水干管也布置成環(huán)路，以提高冷卻塔補(bǔ)水的可靠性。冷卻塔附近設(shè)置2個(gè)補(bǔ)水罐，由2路市政自來水保證水源供應(yīng)，當(dāng)市政自來水出現(xiàn)故障時(shí)，水罐容積能保證系統(tǒng)滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)12小時(shí)。

5 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

IT機(jī)柜均為前進(jìn)風(fēng)、后出風(fēng)的冷卻方式，面對(duì)面之間的通道為冷通道，背對(duì)背之間的通道為熱通道?？照{(diào)采用冷凍水行級(jí)機(jī)房空調(diào)，安裝于機(jī)柜之間，氣流組織為前送后回，配置為N+1（每個(gè)微模塊冗余1臺(tái)）。行級(jí)空調(diào)采用EC風(fēng)機(jī)，可群控組網(wǎng)、無極調(diào)速，精確匹配機(jī)柜的風(fēng)量要求，且緊靠熱源實(shí)現(xiàn)近端制冷，縮短了送風(fēng)距離，更有利于節(jié)能。

機(jī)列與機(jī)列之間形成密封隔離的冷、熱通道，消除了冷、熱氣流的混合現(xiàn)象，可針對(duì)不同發(fā)熱量的設(shè)備進(jìn)行風(fēng)量匹配和冷量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)、定量輸送冷風(fēng)，大大提高冷風(fēng)的利用率和送回風(fēng)溫差，提高了末端機(jī)房空調(diào)的制冷效率，能耗明顯降低。

圖3 微模塊示意圖

6 節(jié)能與環(huán)保

冷卻能耗在數(shù)據(jù)中心總能耗中占比居高不下，機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)的占比高達(dá)30%～45%，如何降低冷卻能耗已成為當(dāng)今數(shù)據(jù)中心節(jié)能的最重要課題。評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心的能源效率，通常采用電能利用效率PUE來衡量，PUE越接近1，表明能效水平越好，該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)PUE為1.4。

該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：1）采用變速驅(qū)動(dòng)的離心式水冷冷水機(jī)組，并提高冷凍水供水溫度、加大供回水溫差，有效地提高了機(jī)組滿負(fù)荷和部分負(fù)荷下的運(yùn)行效率；2）過渡季節(jié)、冬季采用免費(fèi)制冷技術(shù)；3）IT機(jī)柜采用密封冷、熱通道的冷卻方式，避免冷風(fēng)和熱風(fēng)的混合，提高了末端冷卻的效率；4）主機(jī)房采用溫、濕度獨(dú)立控制的空調(diào)方式；5）根據(jù)負(fù)荷變化情況，采用變頻、自動(dòng)控制等技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

7 免費(fèi)制冷技術(shù)應(yīng)用

機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)中壓縮機(jī)能耗占比高達(dá)50%，因此合理地利用自然冷卻技術(shù)，可以明顯減少數(shù)據(jù)中心的全年能耗，目前已成為國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的節(jié)能重要措施。該項(xiàng)目空調(diào)冷源采用技術(shù)成熟的開式冷卻塔間接自然冷卻系統(tǒng)，冷水機(jī)組和板式換熱器采用串聯(lián)模式。冷凍水供回水溫度為15/22℃，冷卻水夏季供回水溫度為32/38℃，冬季供回水溫度為14/21℃。

根據(jù)室外環(huán)境溫度的變化，系統(tǒng)通過閥門、設(shè)備的控制實(shí)現(xiàn)3種工作模式：完全機(jī)械制冷、部分免費(fèi)制冷、完全免費(fèi)制冷。當(dāng)室外濕球溫度Ts≥17℃，冷卻塔出水溫度Tqg≥21℃時(shí)，系統(tǒng)由冷水機(jī)組單獨(dú)供冷，板式換熱器不工作，冷凍水不經(jīng)過板式換熱器、直接被旁通進(jìn)入冷水機(jī)組。當(dāng)室外濕球溫度10℃≤Ts≤16℃，冷卻塔出水溫度14℃≤Tqg≤20℃時(shí)，系統(tǒng)由冷水機(jī)組和板式換熱器同時(shí)供冷，冷凍水先進(jìn)入板式換熱器預(yù)冷后再進(jìn)入冷水機(jī)組。當(dāng)室外濕球溫度Ts≤9℃，冷卻塔出水溫度Tqg≤13℃時(shí)，系統(tǒng)完全由冷卻塔通過板式換熱器間接向末端空調(diào)供冷，冷水機(jī)組不工作。

8 結(jié)束語

近年來，在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的促進(jìn)下，服務(wù)于各行各業(yè)的數(shù)據(jù)中心越來越多，機(jī)柜功率密度也越來越高，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)迎來了新一輪的建設(shè)高峰，模塊化、綠色節(jié)能和自動(dòng)化是未來的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)工程設(shè)計(jì)各專業(yè)技術(shù)人員都提出了更高要求。空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況采取適宜的節(jié)能措施，直接影響到數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行成本和PUE數(shù)值，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能有著非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院. GB 50174-2017 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2017.

[2] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì). TCECS 487-2017 數(shù)據(jù)中心制冷與空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2017.

[3] 鐘景華，朱利偉，曹播，丁麒鋼，等. 新一代綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與設(shè)計(jì)[M]. 電子工業(yè)出版社，2010.

[4] 殷平. 數(shù)據(jù)中心研究（7）：自然冷卻[J]. 暖通空調(diào)，2017（11）：49-60.

[5] 陳延鈞. 模塊化集裝箱式數(shù)據(jù)中心應(yīng)用淺析[J]. 智能建筑與城市信息，2011（8）：34-38.

[6] 韓武松，鄭坤，徐俊杰，郭然，滿孝新. 上海某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 暖通空調(diào)，2016，46（8）：74-78.