某大型數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)設計的后評估

＊張賀新 馮紅梅 程磊

（1.中國移動通信集團設計院有限公司安徽分公司 安徽 230000 2.中國移動通信集團有限公司計劃建設部 北京 100000）

引言

隨著5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等大規(guī)模應用，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展愈加迅猛。互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心成為我國的戰(zhàn)略性基礎設施[1]，其規(guī)模也越來越大?？照{系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的重要組成部分，其在數(shù)據(jù)中心全生命周期內發(fā)揮著非常重要的作用?？照{系統(tǒng)建設完畢后，當初的設計效果是否達到？是否存在需要優(yōu)化與改進的地方？針對這些疑問，本文對西南地區(qū)已經運營的某大型數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)進行了后評估工作。

1.項目概況

本工程位于四川地區(qū)，共有2棟機房樓，每棟機房樓的面積約為21000m2，均為四層的多層建筑，規(guī)劃建設5000個機架。數(shù)據(jù)中心空調冷源工程分為兩個階段進行建設。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)采用冷水機組+開式冷卻塔組成的冷凍水系統(tǒng)。制冷機房內設離心式冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵等于一層集中布置，開式橫流冷卻塔均于屋頂布置。

2.后評估的方法及主要結論

本文的后評估方法主要應用的是對比法。從節(jié)能方面、保溫方面、安裝空間方面、冷卻塔、蓄冷罐以及群控方面來進行后評估，重點評估了設計的效果。

通過后評估發(fā)現(xiàn)：該數(shù)據(jù)中心項目建設符合國家信息化發(fā)展規(guī)劃方向，項目建設符合企業(yè)未來戰(zhàn)略發(fā)展的方向；項目勘察設計工作細致到位，開工前準備程序基本完整，為工程順利實施打下了基礎；項目工程管理制度詳實，管理效率優(yōu)良，取得優(yōu)秀建設成果，工程目標基本實現(xiàn)；項目生產管理體系完善，安全管理到位，節(jié)能管理成效顯著，投運以來項目裝機率逐年上升，市場前景穩(wěn)定，創(chuàng)造了良好經濟效益。

本項目空調系統(tǒng)按照國家和企業(yè)相關標準和要求進行設計，室內環(huán)境設計參數(shù)選擇合理，空調系統(tǒng)采用中央空調水系統(tǒng)的方式，系統(tǒng)形式選擇合理。末端空調多采用冷凍水列間空調末端形式，符合企業(yè)的要求和標準。

該工程采用閉式蓄冷罐，能滿足15min的蓄冷要求。

本工程采用膨脹水箱定壓，屋頂冷卻塔采用城市自來水直接供水，同時在室外設置冷卻水補水池。能滿足12h的冷卻水補水要求。符合國家及企業(yè)的要求和標準。

但通過后評估，我們也發(fā)現(xiàn)有些方面也可以考慮的更完善一些，具體論述如下文。

3.空調系統(tǒng)后評估結果

(1)節(jié)能方面

冷卻塔自然冷卻是目前數(shù)據(jù)中心采用最多的自然冷卻技術之一[2]，其原理圖見圖1。冷源系統(tǒng)全年共有3種運行模式，在室外濕球溫度達到一定的條件下，可不開啟冷水機組，從而降低電能消耗。本工程空調設計冷凍水供回水溫度為14℃/19℃，夏季冷卻水供回水溫度為32℃/37℃。根據(jù)冷卻塔的設備選型，出水溫度與濕球溫度的冷幅高為5.5℃，加上板式換熱器的換熱溫差1.5℃。故僅當?shù)貪袂驕囟鹊陀?℃的時，方能完全利用自然冷卻。據(jù)此核算本工程所在地全年逐時濕球溫度，可以利用自然冷源的小時數(shù)較少（僅為23h），故設計時未采用冷卻塔加上板換的自然冷源技術。但不采用自然冷卻技術，冷水機組全年處于運行狀態(tài)，耗能較大，不利于降低整個系統(tǒng)的PUE值。

圖1 冷凍水加板換冷水空調系統(tǒng)原理圖

(2)保溫

由于許多水管干管均布置在走廊里，水管雖然設保溫，但由于施工的工藝差等原因，保溫效果未達到預想要求。另一方面數(shù)據(jù)中心機房樓內的走廊往往很長，通風效果很差。本工程所在地夏季相對濕度達近72%[3]。相對濕度高，溫度又低，會在保溫層外產生冷凝水。許多冷凝水滴在走廊里，造成地面濕滑，對運維工作人員的人身安全構成威脅，有滑倒的風險。

此外數(shù)據(jù)中心機房圍護結構的保溫、隔熱以及防結露等是機房設計的重要考慮因素[4]。由于機房工藝的裝機速度達不到預定的要求，一層機房樓內很長時間只使用一個機房，空調末端系統(tǒng)也只設置在一個裝機的數(shù)據(jù)機房內。兩個機房由于室內溫度不一樣，造成了傳熱溫差。夏季天氣潮濕，露點溫度比較高。就會造成裝機的數(shù)據(jù)機房與未裝機的數(shù)據(jù)機房的隔墻處結露，使機房受潮，造成墻立面受到損壞，而影響機房的潔凈度。因此建議合理規(guī)劃機房的裝機房間，同時給部分長時間不裝機的機房的內墻設保溫。

(3)安裝空間

制冷站面積較小，制冷機組維修空間緊張，預留更換冷凝器銅管的空間不足。現(xiàn)場部分過道的電纜走線架布置在空調管路下方，空調管路夏季易產生冷凝水，就存在安全隱患。且這種布置也給空調管路的檢修帶來不便。后期建議統(tǒng)籌考慮走線架與空調管路的空間關系。建議在設計階段，增加BIM工具，來綜合排布各類管道管線。因為大型數(shù)據(jù)中心體量大，管線復雜，施工難度要求大。僅僅走廊里就有電氣、空調冷凍水、給水排水、通風、消防、綜合布線、樓宇自控、安防監(jiān)控等多個系統(tǒng)，機電管線排布層數(shù)多達6層以上，安裝與檢修十分困難。采用BIM技術能有效解決各類管線碰撞問題及指導施工，如圖2所示。

圖2 利用BIM設計的走廊管線綜合排布圖

(4)冷卻塔

本工程一階段預留的冷卻塔基礎范圍較小，二階段IT負荷因增大不少，導致了二階段的冷卻塔容量增大，原來預留的冷卻塔基礎需要經過改造后才能滿足二階段的需求。此外冷卻塔四周未設置檢修馬道，維護人員清洗維護冷卻塔十分不方便。

兩棟數(shù)據(jù)中心機房樓均采用自來水直接自動補水和補水泵補水，平時只采用自來水補水，補水泵不開。這種方式能節(jié)省補水泵的運行費用。

但當?shù)刂苓吪紶栍型跀嗍姓┧艿赖那闆r發(fā)生，當被挖斷的水管被重新修好供水時，水管中往往混著許多空氣。而本數(shù)據(jù)中心的地勢又處于較高位置，水管中的空氣會流向數(shù)據(jù)中心市政冷卻水補水管，進入冷卻塔的水槽中。部分空氣跟著冷卻水回水管進入冷水機組中，造成冷凝側的冷凝壓力過高，引起冷水機組的高壓告警。

(5)蓄冷罐

本工程建設方從不影響園區(qū)美觀的角度采用了閉式臥式蓄冷罐。蓄冷罐串聯(lián)在冷源系統(tǒng)中，蓄冷罐按15min的用冷需求來實現(xiàn)連續(xù)制冷。室外地下一層共設置11座容積100m3的臥式閉式蓄冷罐。按照數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范要求，蓄冷的時間不應小于不間斷電源設備的供電時間，經核實，本工程滿足數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范要求[5]。相比較開式蓄冷罐而言，閉式蓄冷罐有如下問題：①占用單獨設備用房；如圖3所示。②造價相對于開式蓄冷罐高180%左右；③蓄冷效率低；④閉式蓄冷罐屬于壓力容器，在制作槽體時應滿足壓力容器標準[6]。此外蓄冷罐目前采用市政補水，如遇到停水等問題，難以實現(xiàn)快速補水。因此建議增加單獨的快速補水裝置，便于蓄冷罐檢修排空后需要二次補水的情況下，實現(xiàn)快速補水。

圖3 閉式臥式蓄冷罐圖

對于數(shù)據(jù)中心而言，建議采用開式蓄冷罐，開式蓄冷罐除了沒有如上所述的閉式的缺點外，由于與大氣直接相通，還能在系統(tǒng)中起到定壓補水的作用。一般而言，往往高于系統(tǒng)最高點2-3m。如圖4所示為某數(shù)據(jù)中心的開式蓄冷罐外觀圖。

圖4 開式蓄冷罐圖

(6)空調群控

數(shù)據(jù)中心冷熱源群控系統(tǒng)主要功能是對冷水機組等機電設備進行遠程控制和節(jié)能管理。系統(tǒng)采用動態(tài)規(guī)劃控制策略，采集系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、電流等參數(shù)，動態(tài)計算分析，自動調整運行參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)，可實現(xiàn)設備遠程聯(lián)動控制。同時調度各設備到最佳運行點，最大限度節(jié)約系統(tǒng)能耗。

本工程數(shù)據(jù)中心群控系統(tǒng)采用DDC系統(tǒng)，群控系統(tǒng)終端備份冗余考慮充分。群控系統(tǒng)可根據(jù)計算所需機組開啟臺數(shù)和運行時間累計啟停機組，當任何一臺在運行機組出現(xiàn)綜合故障后，自動啟動備用冷水機組進行。本工程IDC針對冷熱源系統(tǒng)共部署了74個控制點及100個監(jiān)測點，包含了冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、釋冷泵、電動閥門、蓄冷罐、分集水器等冷、熱源配套設備及機房樓風機設備，但只具備設備遠程手動開關功能，不具備自動調節(jié)功能及智能化控制功能。大機電群控系統(tǒng)整體運行良好，但末端的群控系統(tǒng)存在如下問題：①空調末端廠家每家均使用的是自家的私有協(xié)議，質保期到期后，維護存在廠家壟斷等問題；②存在小群控服務器內存過低，存在系統(tǒng)運行緩慢的現(xiàn)象。

4.后評估問題的改進措施

根據(jù)后評估結論，本工程空調系統(tǒng)存在一些亮點，但也有一些問題待改進。僅就這些問題，本文給出了改進措施，如表1。

表1

5.小結

數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心建設中是一項重要且十分龐大復雜的工程。本文針對某大型數(shù)據(jù)中心的空調系統(tǒng)進行了后評估。限于篇幅，本文僅列出了后評估結論的一些問題，給出了改進建議。希望能給后續(xù)其他數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)的建設帶來啟發(fā)和幫助，避免產生類似的問題，提高空調系統(tǒng)的可用性。