數(shù)據(jù)中心用空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

曾偉

奧意建筑工程設(shè)計(jì)有限公司

隨著互聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量和處理能力持續(xù)增長，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的發(fā)熱密度越來越大，數(shù)據(jù)中心的能耗也越來越大。關(guān)于國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的能耗占全社會(huì)總能耗的比例尚缺少準(zhǔn)確的調(diào)查數(shù)據(jù)，據(jù)我國工業(yè)和信息化部、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國家能源局《關(guān)于印發(fā)國家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案的通知》指出：近年來，我國數(shù)據(jù)中心年耗電量超過全社會(huì)用電量的1.5%[1]。目前在各類媒體和文獻(xiàn)資料中提到的一種說法是，我國數(shù)據(jù)中心的能耗已占全社會(huì)能耗的2%，占全國建筑能耗的10%。在預(yù)計(jì)未來10年內(nèi)，數(shù)據(jù)中心的能耗無論是在成本方面還是在環(huán)境影響方面都將增加三倍。而數(shù)據(jù)中心的能耗中，空調(diào)設(shè)備的耗電量是僅次于IT設(shè)備的。根據(jù)ASHRAE統(tǒng)計(jì)，在美國，供數(shù)據(jù)中心使用的空調(diào)耗電量占總耗電量的比例最小為20%，最大達(dá)50%。我國數(shù)據(jù)中心的PUE水平比美國的還低，顯然，我國數(shù)據(jù)中心用空調(diào)設(shè)備的耗電量占數(shù)據(jù)中心總耗電量的比例要高于美國的平均水平[2～4]。

1 數(shù)據(jù)中心定義及分級(jí)

目前我國數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的主要依據(jù)為《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017。該規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)中心的定義為：為集中放置的電子信息設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的建筑場(chǎng)所，可以是一棟或幾棟建筑物，也可以是一棟建筑物的一部分，包括主機(jī)房、輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)等。

數(shù)據(jù)中心的分級(jí)直接影響到數(shù)據(jù)中心的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性。我國《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017根據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質(zhì)、數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷在經(jīng)濟(jì)或社會(huì)上造成的損失或影響程度將數(shù)據(jù)中心分為A、B、C三個(gè)等級(jí)，詳見表1。從表1中可以看出，級(jí)別最高的為A級(jí)，B級(jí)次之，C級(jí)級(jí)別最低。不同級(jí)別的數(shù)據(jù)中心，其基礎(chǔ)設(shè)置的配置也不一致：A級(jí)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施宜按容錯(cuò)系統(tǒng)配置，在電子信息系統(tǒng)運(yùn)行期間，基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)在一次意外事故后或單系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)或檢修時(shí)仍能保證電子信息系統(tǒng)的正常運(yùn)行；B級(jí)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)按冗余要求配置，在電子信息系統(tǒng)運(yùn)行期間，基礎(chǔ)設(shè)施在冗余能力范圍內(nèi)，不得因設(shè)備故障而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷；C級(jí)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)按基本需求配置，在基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)行情況下，應(yīng)保證電子信息系統(tǒng)運(yùn)行不中斷。

表1 GB50174-2017數(shù)據(jù)中心的分級(jí)

美國UI協(xié)會(huì)及美國TIA-942-B-2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房的分級(jí)詳見表2和表3。從表2和表3中可以看出，隨著數(shù)據(jù)機(jī)房的等級(jí)越來越高，數(shù)據(jù)機(jī)房的可靠性和安全性也越來越高。對(duì)基礎(chǔ)組件的配置也越高。

表2 UI對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房分級(jí)

表3 TIA-942-B-2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房分級(jí)

2 不同級(jí)別數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的配置

為保障數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的可靠性，數(shù)據(jù)中心用的空調(diào)系統(tǒng)配置十分重要，不同級(jí)別的的數(shù)據(jù)中心，空調(diào)系統(tǒng)的配置也不相同，GB50174-2017、UI 及TIA-942-B-2017對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置的具體要求詳見表4。

表4 GB50174-2017/UI/TIA-942-B-2017對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)要求

由表4中可以看出，A級(jí)數(shù)據(jù)中心要求冷源和空調(diào)末端均采用雙備份的形式，兩路系統(tǒng)互相獨(dú)立，其中某路空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，啟動(dòng)另一路空調(diào)系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行，建議A級(jí)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的配置詳見圖1。B級(jí)數(shù)據(jù)中心要求冷源和空調(diào)末端采用N+1的冗余方式。在空調(diào)系統(tǒng)中，某臺(tái)主機(jī)或空調(diào)末端出現(xiàn)故障時(shí)，啟動(dòng)備用機(jī)組，保證數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行。為保證冷凍水供水的連續(xù)性，避免單點(diǎn)故障影響空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，冷凍水供回水管路建議采用環(huán)形管網(wǎng)的設(shè)置方式，在管路某點(diǎn)出現(xiàn)故障后，仍然能保證空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，水系統(tǒng)干管管路上的閥門采用雙閥門的設(shè)置方式，降低因閥門的檢修而影響空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，B級(jí)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的配置詳見圖2。C級(jí)數(shù)據(jù)中心要求冷源和空調(diào)末端滿足基本需求即可，因C級(jí)數(shù)據(jù)中心的可靠性要求比A級(jí)和B級(jí)均低，為降低空調(diào)系統(tǒng)的初投資，C級(jí)數(shù)據(jù)中心單環(huán)路的設(shè)置方式，其空調(diào)系統(tǒng)的管路設(shè)置詳見圖3。

圖1 A級(jí)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)配置

圖2 B級(jí)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)配置

圖3 C級(jí)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)配置

3 應(yīng)急冷源設(shè)置

由表4可看出，為保證空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，A級(jí)數(shù)據(jù)中心要求設(shè)置應(yīng)急冷源。應(yīng)急冷源是指在制冷主機(jī)不能正常供冷的情況下，提供數(shù)據(jù)中心所需空調(diào)的冷源，主要有兩個(gè)作用：一是在兩路電源切換時(shí)，冷水機(jī)組需重新啟動(dòng)，此時(shí)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)冷源由應(yīng)急冷源提供；二是供電中斷時(shí)，數(shù)據(jù)中心設(shè)備由不間斷電源系統(tǒng)供電時(shí)，此時(shí)空調(diào)冷源也由應(yīng)急冷源提供。數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急冷源一般采用水蓄冷或冰蓄冷的方式，通過設(shè)置蓄冷罐，串聯(lián)或并聯(lián)在冷凍水環(huán)路中，當(dāng)冷水主機(jī)突然中斷時(shí)，通過蓄冷罐放冷，維持?jǐn)?shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行。

《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017要求應(yīng)急冷源的保證冷凍水供應(yīng)的時(shí)間為：不應(yīng)小于不間斷電源設(shè)備的供電時(shí)間。筆者認(rèn)為此規(guī)定有待商榷，需根據(jù)數(shù)據(jù)中心具體供電方式來確定應(yīng)急冷源的保證時(shí)間。分為以下兩種情況：

第一種情況：市政斷電后，數(shù)據(jù)中心用電電源由不間斷電源保證，應(yīng)急冷源保證供冷的時(shí)間應(yīng)不小于不間斷電源設(shè)備的供電時(shí)間與冷水主機(jī)從再次啟動(dòng)到正常運(yùn)行所需要的時(shí)間之和，這樣能保證從不間斷電源供電期間的任何時(shí)間點(diǎn)切換到市電時(shí)都能保證數(shù)據(jù)中心的冷源正常。

第二種情況：若在市政電源斷電后，數(shù)據(jù)中心用電電源由柴油發(fā)電機(jī)提供，不間斷電源只是保證柴油發(fā)電機(jī)從啟動(dòng)到正常供電這段時(shí)間的供電，此時(shí)應(yīng)急冷源保證的時(shí)間以不間斷電源設(shè)備的供電時(shí)間作為參考，是毫無意義的。應(yīng)急冷源保證的時(shí)間應(yīng)不小于柴油發(fā)電機(jī)從開始啟動(dòng)到正常運(yùn)行的時(shí)間與冷水主機(jī)從再次啟動(dòng)到正常運(yùn)行的時(shí)間之和。因柴油發(fā)電機(jī)是不經(jīng)常使用的設(shè)備，為保證系統(tǒng)的可靠性，避免柴油發(fā)電機(jī)第一次啟動(dòng)不能正常開機(jī)，建議柴油發(fā)電機(jī)從開始啟動(dòng)到正常運(yùn)行的時(shí)間按柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)兩次所需要的時(shí)間考慮。

4 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)末端

數(shù)據(jù)中心用的空調(diào)系統(tǒng)末端主要分為兩大類：房間級(jí)機(jī)房空調(diào)和行級(jí)機(jī)房空調(diào)，房間級(jí)機(jī)房空調(diào)根據(jù)出風(fēng)方式的不同，可分為上出風(fēng)型房間級(jí)機(jī)房空調(diào)和下出風(fēng)型房間級(jí)機(jī)房空調(diào)。機(jī)房空調(diào)末端形式的選擇需根據(jù)數(shù)據(jù)中心設(shè)備的布置方式、設(shè)備的散熱量及所需要的氣流組織形式確定。數(shù)據(jù)中心常用的氣流組織有下送上回、上送下回及側(cè)送側(cè)回的方式。對(duì)于數(shù)據(jù)中心單臺(tái)機(jī)柜發(fā)熱量大于4 kW的主機(jī)房，建議采用房間級(jí)機(jī)房空調(diào)架空地板下送風(fēng)（上回風(fēng)）方式或行級(jí)空調(diào)前送風(fēng)（后回風(fēng)）方式，并采取冷熱通道隔離措施。對(duì)數(shù)據(jù)中心單臺(tái)機(jī)柜的發(fā)熱量較小（小于4 kW）的主機(jī)房，為降低初投資，可采用房間級(jí)空調(diào)上送風(fēng)（下回風(fēng)）方式。采用房間級(jí)機(jī)房空調(diào)和行級(jí)機(jī)房空調(diào)與數(shù)據(jù)中心機(jī)柜布置的相對(duì)位置關(guān)系詳見圖4、圖5。

圖4 房間級(jí)機(jī)房空調(diào)與服務(wù)器機(jī)柜的相對(duì)位置關(guān)系

圖5 行級(jí)機(jī)房空調(diào)與服務(wù)器機(jī)柜的相對(duì)位置關(guān)系

5 結(jié)語

1）結(jié)合數(shù)據(jù)中心常用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)中心的分級(jí)進(jìn)行了對(duì)比：隨著數(shù)據(jù)中心的等級(jí)越來越高，數(shù)據(jù)中心的可靠性要求越來越高，對(duì)供數(shù)據(jù)中心配套用的基礎(chǔ)組件的要求也越高。

2）根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017對(duì)不同等級(jí)數(shù)據(jù)中心空調(diào)配置的要求，提出了與數(shù)據(jù)中心等級(jí)相吻合的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置方案：A級(jí)數(shù)據(jù)中心冷源和空調(diào)末端均采用雙備份的形式，兩套系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置；B級(jí)數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷源和空調(diào)末端均采用N+1的形式，供回水管路采用環(huán)形管網(wǎng)的設(shè)置方式；C級(jí)數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷源和空調(diào)末端滿足基本需求即可。

3）數(shù)據(jù)中心應(yīng)急冷源保證的時(shí)間需根據(jù)數(shù)據(jù)中心不同的配電方案確定：采用市電和UPS電源保證的數(shù)據(jù)中心，應(yīng)急冷源保證的時(shí)間應(yīng)不小于不間斷電源設(shè)備的供電時(shí)間與冷水主機(jī)從再次啟動(dòng)到正常運(yùn)行所需要的時(shí)間之和；采用市電和柴油發(fā)電機(jī)保證的數(shù)據(jù)中心，應(yīng)急冷源保證的時(shí)間應(yīng)不小于柴油發(fā)電機(jī)從開始啟動(dòng)到正常運(yùn)行的時(shí)間與冷水主機(jī)從再次啟動(dòng)到正常運(yùn)行的時(shí)間之和。

4）數(shù)據(jù)中心單臺(tái)機(jī)柜發(fā)熱量大于4 kW的主機(jī)房，采用房間級(jí)機(jī)房空調(diào)架空地板下送風(fēng)（上回風(fēng)）方式或行級(jí)空調(diào)前送風(fēng)（后回風(fēng)）方式，并采取冷熱通道隔離措施；機(jī)柜發(fā)熱量小于4 kW的主機(jī)房，可采用房間級(jí)空調(diào)上送風(fēng)（下回風(fēng)）方式。