全新的數(shù)據(jù)中心空調(diào)解決方案

文｜阿爾西制冷工程技術(shù)（北京）有限公司 朱洪波

隨著整個(gè)社會(huì)信息化程度的不斷提高，對于數(shù)據(jù)中心的需求也越來越大，在有限的空間內(nèi)IT設(shè)備的密度和業(yè)務(wù)都不斷增大，隨之而來的是用電負(fù)荷的逐漸加大，熱流密度的不斷提高，這就要求我們不斷探索新的空調(diào)解決方案。

作為數(shù)據(jù)中心空調(diào)的集中冷源，冷凍水系統(tǒng)與各自獨(dú)立的直接膨脹式空調(diào)系統(tǒng)相比，制冷效率更高，設(shè)備更集中，運(yùn)行更穩(wěn)定，故障率和維護(hù)成本更低，國外眾多大型數(shù)據(jù)中心普遍使用冷凍水空調(diào)系統(tǒng)。

由于數(shù)據(jù)中心熱負(fù)荷較大，常年需要冷水機(jī)組運(yùn)行，即便在室外溫度很低的情況下也能照常工作。這樣，當(dāng)室外溫度較低時(shí)，就可以利用冷空氣冷卻高溫回水，不需要開啟壓縮機(jī)即可為空調(diào)室內(nèi)機(jī)提供冷量，這種方法即為自然冷卻方法。利用自然冷卻效應(yīng)開發(fā)的冷水機(jī)組即為自然冷卻冷水機(jī)組，它與普通冷水機(jī)組最大的區(qū)別在于它在冷凝盤管之前安裝了自然冷卻熱交換盤管，旨在優(yōu)先利用環(huán)境冷空氣冷卻盤管內(nèi)的回水。

阿爾西提出的數(shù)據(jù)中心自然冷卻冷凍水系統(tǒng)，它通過冷凍水循環(huán)管路的精心設(shè)計(jì)以及控制邏輯的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)與機(jī)房內(nèi)部空調(diào)氣流組織的完美匹配，并且可以根據(jù)室內(nèi)熱負(fù)荷以及室外環(huán)境的變化，對冷凍水流量進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)，將自然冷卻的效益發(fā)揮到最大，始終使機(jī)組保持高效運(yùn)行。此套數(shù)據(jù)中心空調(diào)解決方案根據(jù)安裝地區(qū)氣候條件的不同，可以實(shí)現(xiàn)30%～70%的節(jié)能，使得運(yùn)行費(fèi)用大幅縮減，而為此增加的空調(diào)設(shè)備初投資，最多兩年的時(shí)間就可以收回，而整個(gè)機(jī)組的使用壽命至少有10年。

1 普通冷水機(jī)組

冷水機(jī)組一般安裝在建筑物的屋頂外部，它們專為室外安裝設(shè)計(jì)，不需要增加任何針對惡劣天氣的保護(hù)措施。

冷水機(jī)組按照不同冷凝方式可分為風(fēng)冷和水冷兩種，本案采用的是風(fēng)冷冷水機(jī)組。它的工作原理是：攜帶室內(nèi)熱量的高溫回水流入機(jī)組，進(jìn)入殼管式蒸發(fā)器，被制冷劑盤管冷卻，熱量傳遞給制冷劑，由后者帶到風(fēng)冷冷凝器中，由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)境空氣對其進(jìn)行強(qiáng)制散熱。按經(jīng)驗(yàn)來說，一套空調(diào)設(shè)備的平均制冷量為設(shè)計(jì)值的85%，剩下部分作為冷量備份。

2 自然冷卻冷水機(jī)組

為機(jī)房空調(diào)提供集中冷源的冷水機(jī)組需要常年運(yùn)行，即便在室外溫度很低的情況下也能照常工作。這樣，當(dāng)室外溫度較低時(shí)，就可以利用冷空氣冷卻高溫回水，不需要開啟壓縮機(jī)即可為空調(diào)室內(nèi)機(jī)提供冷量，這種方法即為自然冷卻方法。利用自然冷卻效應(yīng)開發(fā)的冷水機(jī)組即為自然冷卻冷水機(jī)組，它與普通冷水機(jī)組最大的區(qū)別在于它在冷凝盤管之前安裝了自然冷卻熱交換盤管，旨在最先利用環(huán)境冷空氣冷卻盤管內(nèi)的回水；另一個(gè)區(qū)別在于內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，自然冷卻循環(huán)利用三通調(diào)節(jié)閥將循環(huán)水路與自然冷卻熱交換盤管連接起來，如圖1所示。

其實(shí)，自然冷卻冷水機(jī)組的工作原理并不復(fù)雜：當(dāng)三通調(diào)節(jié)閥中旁通B完全關(guān)閉，A與C連通時(shí)，即自然冷卻熱交換盤管關(guān)閉，全部冷量由壓縮機(jī)制冷提供；當(dāng)室外溫度低于回水溫度時(shí)，A關(guān)閉，B與C連通，回水通過自然冷卻熱交換盤管預(yù)冷，然后再進(jìn)入蒸發(fā)器，這樣一來，壓縮機(jī)只需部分工作就可以滿足空調(diào)冷量的要求，從而節(jié)省了大部分能耗；而當(dāng)室外溫度足夠低時(shí)，A關(guān)閉，B與C連通，通過自然冷卻就可以完全滿足空調(diào)冷量要求，壓縮機(jī)停機(jī)，這時(shí)機(jī)組總能耗明顯降低，只包含自然冷卻系統(tǒng)的能耗，總之，室外溫度越低，節(jié)能效果越明顯。如果采用自然冷卻冷水機(jī)組比普通冷水機(jī)組每年大約節(jié)能22%～31%，具體效果如何會(huì)因安裝地區(qū)的氣候條件而不同。

圖1 自然冷卻冷水機(jī)組工作原理圖

3 全新的數(shù)據(jù)中心空調(diào)解決方案

采用自然冷卻冷水機(jī)組作為集中冷源為機(jī)房空調(diào)提供冷量，已經(jīng)取得了非常好的節(jié)能效果，是否還可以將能耗降到更低？雖然室外溫度由氣候環(huán)境而定，無法人為改變，但是冷凍水系統(tǒng)的回水溫度可以進(jìn)一步優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)能。

冷凍水系統(tǒng)的回水溫度越高，室外自然冷卻功能開啟的溫度就越高，所以通過提高回水溫度可以繼續(xù)優(yōu)化節(jié)能效果。具體實(shí)現(xiàn)方法是通過合理設(shè)計(jì)室內(nèi)機(jī)的氣流組織提高回風(fēng)溫度，而且可以通過優(yōu)化室內(nèi)機(jī)雙向閥開度的控制邏輯，使冷水機(jī)組變流量運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)能。

當(dāng)實(shí)際熱負(fù)荷小于設(shè)計(jì)值時(shí)，如果冷水機(jī)組以恒定流量運(yùn)行，則回水溫度會(huì)降低，而如果變流量運(yùn)行，則回水溫度會(huì)明顯升高。比如，當(dāng)以75%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，恒定流量回水溫度為12℃，而變流量回水溫度為18℃。置換送風(fēng)空調(diào)與其他空調(diào)最大的區(qū)別就在于，它的回水溫度會(huì)隨著負(fù)荷的降低而升高。在數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行負(fù)荷范圍內(nèi)，這種回水溫度的溫差大概在6℃～7℃之間。

只能定流量運(yùn)行的普通自然冷卻冷水機(jī)組的節(jié)能效果與新方案中的節(jié)能效果根本無法相比，因?yàn)樗痪邆渥兞髁窟\(yùn)行的功能，為了彌補(bǔ)這一缺陷，對冷凍水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在普通冷水機(jī)給水和回水之間加入旁通，這樣流入室內(nèi)空調(diào)機(jī)的流量可以根據(jù)室內(nèi)熱負(fù)荷而變化，而回水與部分給水混合后再進(jìn)入冷水機(jī)，回水溫度也相應(yīng)降低，這樣對于室內(nèi)空調(diào)機(jī)組起到了節(jié)能效果，提高了回水溫度，但另一方面旁通卻會(huì)對冷量造成極大的浪費(fèi)。

全新解決方案中的冷水機(jī)組，通過冷凍水循環(huán)管路的精心設(shè)計(jì)以及控制邏輯的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)與室內(nèi)機(jī)的完美匹配，將自然冷卻的效益發(fā)揮到最大，將能耗降到最低，并且可以根據(jù)室內(nèi)熱負(fù)荷以及室外環(huán)境的變化進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)，始終使機(jī)組保持高效運(yùn)行。

新的冷水機(jī)組在給回水之間并沒有加旁通，而是通過與室內(nèi)機(jī)的雙向調(diào)節(jié)閥相匹配，實(shí)現(xiàn)對冷凍水流量的控制，從而使節(jié)能效果最大化。以1MW的熱負(fù)荷為例，與傳統(tǒng)冷水機(jī)組相比，普通定流量自然冷卻冷水機(jī)組根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂虿町惪梢怨?jié)能20%～30%，而全新ICT機(jī)房空調(diào)解決方案可以實(shí)現(xiàn)50%～70%的節(jié)能，使得運(yùn)行費(fèi)用大幅縮減，而為此增加的費(fèi)用，兩年內(nèi)就可以收回，而整個(gè)機(jī)組的使用壽命至少有10年。

綜上所述，此套全新的數(shù)據(jù)中心空調(diào)解決方案，集合了集中冷源、變流量調(diào)節(jié)以及自然冷卻等諸多先進(jìn)技術(shù)，今后必將在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中廣泛應(yīng)用。