基于水冷式中央空調(diào)的數(shù)據(jù)機房暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

戴力軍

【摘 要】水冷式中央空調(diào)是建筑工程空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的重要形式，科學(xué)化的進行水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)設(shè)備應(yīng)用性能和經(jīng)濟、生態(tài)效益的全面統(tǒng)籌。以萬國數(shù)據(jù)上海5#唐鎮(zhèn)數(shù)據(jù)中心項目為例，在闡述數(shù)據(jù)機房暖通設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，就水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)工作原理進行系統(tǒng)分析，并在單點故障容錯設(shè)計和節(jié)能自動控制設(shè)計要點把控的基礎(chǔ)上，進行數(shù)據(jù)機房暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計效果分析。期望能提升水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用質(zhì)量，繼而為類似工程建設(shè)提供參考。

【關(guān)鍵詞】水冷式中央空調(diào);設(shè)計思路;容錯設(shè)計;自動控制;節(jié)能化

中圖分類號： TU831文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）17-0252-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.121

0 引言

新經(jīng)濟形態(tài)下，實現(xiàn)經(jīng)濟建設(shè)的生態(tài)化、可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為社會發(fā)展的重要趨勢。生態(tài)化建設(shè)需要注重工程的能耗控制，實現(xiàn)項目的節(jié)能化。當(dāng)前，暖通空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用需要消耗大量的能源。據(jù)統(tǒng)計，暖通項目的能源消耗占到了建筑工程項目總能量的50%以上，故而在當(dāng)前建筑施工中，進行暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計極為關(guān)鍵。本文結(jié)合萬國數(shù)據(jù)上海5#唐鎮(zhèn)數(shù)據(jù)中心項目建設(shè)實際，就基于水冷式中央空調(diào)暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計要點展開分析。

1 項目概況

萬國數(shù)據(jù)上海5#唐鎮(zhèn)數(shù)據(jù)中心項目設(shè)計施工于2017年。主要建設(shè)內(nèi)容為：將一個8300平方米的老廠房改建為一個數(shù)據(jù)中心，改造施工中，施工人員需要安置約1000個4KW至6KW的數(shù)據(jù)機架，同時確保這些機架達到GB50174標準中A級標準及Uptime Tire標準等級中T3標準。

項目施工中，數(shù)據(jù)機房部分暖通工程設(shè)計是項目建設(shè)的難點所在。具體而言，該區(qū)域暖通設(shè)備采用水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)，其主要對機房機柜、UPS電力室變配電室、建筑室內(nèi)環(huán)境的冷負荷進行調(diào)節(jié)。為實現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能化，進行了數(shù)據(jù)機房暖通系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計，并嚴格按照空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計標準，進行負荷計算系數(shù)規(guī)劃，同時做好設(shè)備配置、主管、末端設(shè)備、冷凍水儲備、自動化控制的全面協(xié)調(diào)，有效地提升了數(shù)據(jù)機房部分暖通工程設(shè)計質(zhì)量。

2 數(shù)據(jù)機房暖通設(shè)計思路

2.1 區(qū)域劃分

由于該項目的建設(shè)過程中，數(shù)據(jù)機房各個區(qū)域功能存在著一定的不同，暖通空調(diào)設(shè)備的運行負荷程度不等，故而為提升運作效率、降低能耗，按照區(qū)域功能進行差異化設(shè)計，以達到節(jié)能目的?；谏鲜鏊悸?，按照功能區(qū)別，對該區(qū)域進行了劃分，簡要設(shè)計情況如下：

運營商接入間、電池室、采用了風(fēng)冷型機房專用精密空調(diào);而在冷機配電室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計安裝時，則采用多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)，保證室內(nèi)機形式為風(fēng)管機，避免空調(diào)室內(nèi)機安裝在電氣設(shè)備正上方[1]。此外，在首層大堂、安防監(jiān)控中心、值班室、附屬辦公區(qū)等人員活動較多的場所，采用多聯(lián)機系統(tǒng)進行空調(diào)結(jié)構(gòu)布局，有效地確保了數(shù)據(jù)機房暖通空調(diào)系統(tǒng)運行負荷的穩(wěn)定，提升了空調(diào)設(shè)備運作質(zhì)量，減少能耗。

2.2 設(shè)計標準

嚴格執(zhí)行工程設(shè)計標準，能夠有效地提升數(shù)據(jù)機房空調(diào)設(shè)備的運作質(zhì)量。本項目水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心情況選擇相應(yīng)標準。具體而言，本項目擬建建筑為數(shù)據(jù)中心，在建筑內(nèi)部具有較多的電氣設(shè)備，且電氣設(shè)備應(yīng)用價值較高，這使得在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，必須提升允許單點故障發(fā)生的容錯能力，確保暖通空調(diào)設(shè)備運作的穩(wěn)定性，從而為數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)備的運作提供良好環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上盡可能地減少能耗?；诖耍卷椖繃栏癜凑铡睹裼媒ㄖ┡L(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50736-2012）、《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189-2015）等文件進行個空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計。本項目數(shù)據(jù)機房空調(diào)設(shè)備設(shè)計完成后，機房室內(nèi)空氣需滿足以下標準[2]（見表1）。

2.3 空調(diào)負荷計算系數(shù)

數(shù)據(jù)中心使用過程中，其夏季的干球溫度需達到34.4℃，而濕球溫度需達到27.9℃，此外，相對濕度應(yīng)保持在75%;在冬季，數(shù)據(jù)中心的桿球溫度和相對濕度應(yīng)分別為-2.2℃和69%。在上海地區(qū)，要實現(xiàn)這種穩(wěn)定環(huán)境的持續(xù)性控制，可就不下注重空調(diào)系統(tǒng)負荷量的實際計算。本項目建設(shè)中，空調(diào)負荷計算系數(shù)如表2所示。

3 數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)機房水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計優(yōu)化具有較高的專業(yè)性。實踐過程中，工作人員只有充分認識到水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，并在單點故障容錯設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行自動控制設(shè)計的合理優(yōu)化，才能有效地提升數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用質(zhì)量，進而實現(xiàn)空調(diào)設(shè)備整體的節(jié)能控制。

3.1 水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)工作原理

水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)是當(dāng)前建筑工程空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的重要形式。就應(yīng)用過程來看，水冷中央空調(diào)系統(tǒng)降溫原理如下：根據(jù)“水蒸發(fā)吸收熱量，蒸發(fā)面積影響蒸發(fā)效率”這一自然物理現(xiàn)象進行室內(nèi)溫濕度環(huán)境調(diào)節(jié)[3]。當(dāng)風(fēng)機運行時，冷氣機腔內(nèi)產(chǎn)生負壓，使機外空氣流經(jīng)多孔濕潤的濕簾表面進入腔內(nèi)，空氣與水分充分接觸的同時使?jié)窈熒系乃舭l(fā)，該過程帶走大量熱量，使經(jīng)過濕簾的空氣干球溫度降至接近于機外空氣的濕球溫度，即冷氣機出口的干球溫度比室外干球溫度低5-12℃（干熱地區(qū)可達15℃），空氣愈干熱，其溫差愈大，降溫效果越好。由于該機利用了蒸發(fā)吸熱原理，因此，環(huán)?？照{(diào)具有降溫和增濕雙重功能。

3.2 單點故障容錯設(shè)計

水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中，單點故障容錯設(shè)計是要點所在，具體而言其包含了設(shè)備配置、主管、末端設(shè)備、冷凍水儲備等要素的全面統(tǒng)籌。

空調(diào)設(shè)備配置過程中，為提升水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，要求空調(diào)系統(tǒng)必須實現(xiàn)允許單點故障發(fā)生的容錯能力。就冷水機組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵等冷凍站設(shè)備而言，采用了+1配置方式;即對所有冷凍站設(shè)備均增加一臺備用設(shè)備，從而使得數(shù)據(jù)中心冷凍站設(shè)備實現(xiàn)“兩臺使用，一臺備用”，防止突發(fā)情況發(fā)生。冷凍水冷卻水主管配置過程中，采用環(huán)管對其進行連接控制，并確保水管整體的完整性。同時，在用分段閥的支撐下，將各個故障點進行隔離，確保末端設(shè)備的數(shù)量不超過6個，防止設(shè)備超負荷現(xiàn)象發(fā)生。

為了確保數(shù)據(jù)中心在停電等突發(fā)情況下可以正常運轉(zhuǎn)，需要對其停電轉(zhuǎn)換控制進行相應(yīng)設(shè)計，使水冷式中央空調(diào)設(shè)備的冷凍水存儲量需滿足15分鐘停電轉(zhuǎn)換需求。對此，在冷凍水系統(tǒng)中設(shè)計了兩個80立方米的蓄冷罐，有效滿足了蓄水要求。本項目與民用建筑空調(diào)系統(tǒng)相比，數(shù)據(jù)機房中央關(guān)空調(diào)系統(tǒng)的工作時間明顯較長。數(shù)據(jù)機房往往需要全年供冷，這使得空調(diào)系統(tǒng)的能量損耗尤為巨大[4]。

3.3 中央空調(diào)節(jié)能自動控制設(shè)計

在設(shè)計過程中，為節(jié)約能耗、降低PUE值，采用自然冷卻系統(tǒng)進行水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化。具體而言，在3臺板式換熱器的支撐下，將冷卻塔與水冷式中央空調(diào)機組相互連接，從而實現(xiàn)了水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)冷源的多樣化管理，有效地降低了冷水機組的能量消耗，提升了設(shè)備運作的經(jīng)濟效益和生態(tài)性。需要注意的是，為確保冷源控制的合理化，換熱器和冷卻塔均采用“2+1”應(yīng)用模式，即兩臺設(shè)備為現(xiàn)用設(shè)備，剩余一臺設(shè)備預(yù)留備用，防止高強度運作下設(shè)備損壞現(xiàn)象發(fā)生。

具體而言，在設(shè)備控制過程中，確保了中央空調(diào)節(jié)能自動控制水平的有效提升。譬如就水系統(tǒng)自動控制而言，采用一次泵變流量系統(tǒng)，同時對空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機、電氣水閥采用電氣聯(lián)鎖控制，實際應(yīng)用中，按照水閥-風(fēng)機的順序進行控制管理，有效地確保了機組的智能化程度。此外，在控制風(fēng)溫度和典型房間相對濕度控制中，采用電動二通閥進行送風(fēng)溫度控制管理;而模塊機房的相對濕度則通過控制加濕器實現(xiàn)，實現(xiàn)了對流量的有效控制。

3.4 節(jié)能效果分析

就水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)機械通風(fēng)效果來看，本項目氣體消防瓶間采用低噪音風(fēng)機通風(fēng)換氣，換氣的次數(shù)保持在5次/h，而強電間、弱電間的換其次是不小于6次/h。此外，電池室設(shè)置平時通風(fēng)系統(tǒng)，其正常通風(fēng)量為1次/h，而當(dāng)發(fā)生故障時，設(shè)備的通風(fēng)量為12次/h。實際應(yīng)用中，施工人員對這些裝置進行聯(lián)動控制，其同時設(shè)置氫氣檢測報告裝置，其不僅實現(xiàn)了風(fēng)機日常運作效率的提升，更有效的減少了故障發(fā)生是的功率損耗，有效地實現(xiàn)了機械通風(fēng)風(fēng)機的節(jié)能控制。

自然冷卻系統(tǒng)是本項目空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的重要內(nèi)容。設(shè)計實踐中，工程建設(shè)人員依托自然冷卻系統(tǒng)構(gòu)建了“2+1”應(yīng)用模式，從應(yīng)用過程來看，其使得空調(diào)機組的運作效率更加高效，提升了設(shè)備整體的資源轉(zhuǎn)化效率，從而達到了降低能耗的目的。另一方面，在自然冷卻系統(tǒng)支撐下，換熱器和冷卻塔采用了多臺板式換熱器，防止高強度運作下設(shè)備損壞現(xiàn)象發(fā)生。同時，一次泵變流量系統(tǒng)的應(yīng)用是的空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動控制過程更加高效，有效地提升了空調(diào)設(shè)備整體的運作效率，保證了節(jié)能控制質(zhì)量。

此外，本項目在冷負荷性能系數(shù)調(diào)節(jié)方面取得了突出成效。具體而言，冷負荷的調(diào)節(jié)和空調(diào)設(shè)備分區(qū)設(shè)置具有重大關(guān)系。在其控制下，數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)機房UPS間、電池室、電信接入間、辦公用房的冷負荷適度滿足房間使用要求，避免了傳統(tǒng)超負荷狀態(tài)下的能量損耗，達到了水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)用的效果。

4 結(jié)論

在萬國數(shù)據(jù)上海5#唐鎮(zhèn)數(shù)據(jù)中心項目設(shè)計中，通過區(qū)域劃分、設(shè)計標準、空調(diào)負荷計算系數(shù)確定該暖通設(shè)計基本思路，隨后基于水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)工作原理，對數(shù)據(jù)機房暖通系統(tǒng)建設(shè)進行了單點故障容錯設(shè)計與節(jié)能自動控制系統(tǒng)設(shè)計。通過對設(shè)備配置、主管、末端設(shè)備、冷凍水儲備等要素嚴格控制，提出自然冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案，并運用BIM技術(shù)進行圖紙深化，避免了設(shè)計變現(xiàn)過程中管線碰撞的情況發(fā)生，有效地提升了水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量，有效實現(xiàn)了節(jié)能應(yīng)用。

【參考文獻】

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