寒冷地區(qū)某銀行數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)分析與設(shè)計

顏曉光 王 波 吳雙云

（1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司 北京 100041；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 唐山 063000）

0 前言

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗約占整個數(shù)據(jù)中心能耗的30～45%，降低制冷系統(tǒng)能耗是提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率的必然途徑。據(jù)統(tǒng)計，國外數(shù)據(jù)中心的PUE 值約為2.0[3]，國際上先進(jìn)數(shù)據(jù)中心的PUE值可達(dá)到1.7 以下。而我國數(shù)據(jù)中心的PUE 值普遍高于2.0，特別是中小規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，PUE 測量值在2.5 左右。國內(nèi)數(shù)據(jù)中心在前期規(guī)劃設(shè)計時對節(jié)能問題考慮不足，在影響數(shù)據(jù)中心能源消耗的重要環(huán)節(jié)—空調(diào)制冷環(huán)節(jié)上設(shè)計深度不足、方案選擇不合理是導(dǎo)致PUE 值偏高的重要原因。

數(shù)據(jù)中心全年運(yùn)行，根據(jù)國內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗，根據(jù)所在地的氣候條件，充分利用自然冷源進(jìn)行冷卻，是降低制冷系統(tǒng)能耗的最直接、有效手段。因此，數(shù)據(jù)中心在規(guī)劃設(shè)計階段能因地制宜的正確選擇空調(diào)制冷方案極為關(guān)鍵。

1 數(shù)據(jù)中心制冷與空調(diào)設(shè)計要求

本數(shù)據(jù)中心位于內(nèi)蒙古包頭市，為某銀行數(shù)據(jù)中心，設(shè)置在銀行辦公樓內(nèi)，按A 級數(shù)據(jù)中心進(jìn)行設(shè)計。數(shù)據(jù)中心主機(jī)房區(qū)分為網(wǎng)絡(luò)區(qū)、PC 服務(wù)器區(qū)和存儲/小機(jī)區(qū)，網(wǎng)絡(luò)區(qū)布置在單獨(dú)的房間內(nèi)，共設(shè)置部署網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜38 臺；PC 服務(wù)器區(qū)和存儲/小機(jī)區(qū)布置在同一房間內(nèi)，部署服務(wù)器機(jī)柜96 臺，部署存儲機(jī)柜和小型機(jī)共32 臺。布置如圖1 所示。

本數(shù)據(jù)機(jī)房為A 級數(shù)據(jù)機(jī)房，可靠性和可用性等級要求較高，依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》的要求，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的溫度應(yīng)為18℃～27℃，相對濕度度≤60%，制冷與空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)滿足最大散熱量的需求，且應(yīng)設(shè)置冗余，任一組件故障或維護(hù)時，不應(yīng)影響電子信息設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 數(shù)據(jù)機(jī)房冷負(fù)荷分析

根據(jù)本項目數(shù)據(jù)中心所處位置及內(nèi)部設(shè)施情況，其空調(diào)冷負(fù)荷主要包含：機(jī)房內(nèi)設(shè)備散熱、照明散熱、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱（包含通過外窗進(jìn)入的太陽輻射熱）、人員散熱、新風(fēng)負(fù)荷及新風(fēng)和人體散濕的潛熱?？照{(diào)冷負(fù)荷計算值如表1 所示。

根據(jù)表1 分析，數(shù)據(jù)機(jī)房冷負(fù)荷主要由設(shè)備散熱、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新風(fēng)負(fù)荷產(chǎn)生，設(shè)備散熱占比在75%以上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱和新風(fēng)負(fù)荷占15%～20%，顯熱冷負(fù)荷和潛熱冷負(fù)荷分別占總負(fù)荷的93.2%和95.4%。說明數(shù)據(jù)機(jī)房的負(fù)荷變化主要受設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的影響，室外環(huán)境對其影響有限。

3 氣流組織方案的分析與設(shè)計

數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流組織是保證數(shù)據(jù)中心可靠運(yùn)行、節(jié)能降耗的關(guān)鍵點(diǎn)?，F(xiàn)代化的數(shù)據(jù)中心已普遍采用機(jī)柜面對面或背對背的冷熱通道分離的布置方式，可以提高冷風(fēng)的利用率，是簡單易行的節(jié)能手段。如將冷通道或熱通道封閉，可以避免冷、熱氣流的短路，將有效提升送回風(fēng)溫差，進(jìn)一步提升冷風(fēng)的利用率和制冷機(jī)的效率。

數(shù)據(jù)中心常用氣流組織形式主要有下送風(fēng)+冷（熱）通道、上送風(fēng)+風(fēng)管+冷池、行間空調(diào)+冷池的方式，詳見圖2～圖5。其特點(diǎn)及適用條件如表2 所示。

圖2 地板下送風(fēng)+冷通道Fig.2 Under-floor air supply+cold channel

圖3 地板下送風(fēng)+熱通道Fig.3 Under-floor air supply+hot channel

圖4 上送風(fēng)+風(fēng)管+冷通道Fig.4 Upper air supply+cold channel

圖5 行間空調(diào)+冷通道Fig.5 Inter row air conditioning+cold channel

表2 氣流組織形式及特點(diǎn)Table 2 Air distribution form and characteristics

通過對比分析，地板下送風(fēng)+封閉冷通道的形式具有熱損失小、布置美觀，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)高熱密度機(jī)房，得到廣泛應(yīng)用。本工程機(jī)柜的單機(jī)功率密度3～5kW，機(jī)房具備設(shè)置架空地板的條件，采用地板下送風(fēng)+封閉冷通道的氣流組織形式。設(shè)計送、回風(fēng)溫差為10℃，網(wǎng)絡(luò)區(qū)空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量為35700m3/h，服務(wù)器區(qū)空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量為141900m3/h。架空地板采用模塊化高架地板，空間高度600mm。送風(fēng)口采用全鋼通風(fēng)格柵，具備手動調(diào)節(jié)開度的功能，通風(fēng)面積0～80%范圍可調(diào)。

在機(jī)柜前端設(shè)置溫度傳感器，根據(jù)機(jī)柜前端的溫度要求自動調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)空氣流量，匹配機(jī)柜的制冷需求。同時設(shè)置壓力控制平衡系統(tǒng)，在地板下設(shè)置壓力傳感器，將地板下氣壓維持在額定壓力范圍內(nèi)（20～80Pa），優(yōu)化系統(tǒng)的效率，有效避免熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

4 制冷方案的分析與設(shè)計

數(shù)據(jù)中心全年運(yùn)行，利用自然冷卻，降低運(yùn)行能耗是數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢?，F(xiàn)有的自然冷卻技術(shù)可以分為兩大類：空氣側(cè)自然冷卻和水側(cè)自然冷卻。每類自然冷卻方式又可以分成若干不同類型，如表3 所示。

表3 自然冷卻方式分類Table 3 Classification of natural cooling modes

數(shù)據(jù)中心制冷方案的選擇應(yīng)考慮的主要因素：（1）所處地理位置和該地區(qū)的全年氣候條件；（2）數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的要求；（3）不同自然冷卻技術(shù)的適用范圍，能達(dá)到的節(jié)能效益；（4）數(shù)據(jù)中心的規(guī)模及建設(shè)條件。

本項目地處內(nèi)蒙古包頭市，按照我國建筑氣候分區(qū)，屬于嚴(yán)寒地區(qū)，一月平均氣溫≤-10℃，7月平均氣溫≤25℃，7月平均相對濕度≥50%，圖6 為其全年氣溫分布的統(tǒng)計，其中的干球溫度來自DEST 模擬軟件中的氣象參數(shù)（取距離最近的呼和浩特市氣象參數(shù)），濕球溫度為根據(jù)DEST 軟件中的干球溫度、濕度等參數(shù)經(jīng)計算得出。

圖6 當(dāng)?shù)厝隁鉁胤植糉ig.6 Local annual temperature distribution

根據(jù)全年氣溫分布分析，該地區(qū)全年10℃以下的時間約占全年的57%，濕球溫度低于2℃的時間占全年的41%，全年具有較長的時間可采用自然冷卻?？紤]本項目的特點(diǎn)及可靠性要求，可供選擇的制冷方案主要有帶自然冷卻的風(fēng)冷冷水機(jī)組、帶自然冷卻的干式水冷直膨機(jī)組（干冷器+機(jī)組雙盤管）、制冷劑自然冷卻機(jī)組及冷卻塔間接自然冷卻系統(tǒng)，本文主要將這四種方案進(jìn)行闡述。制冷方案的原理如圖7～圖10 所示，各種方案的特點(diǎn)如表4所示。

圖7 帶自然冷卻的風(fēng)冷冷水機(jī)組Fig.7 Air cooled chiller with natural cooling

圖8 帶自然冷卻的干式水冷直膨機(jī)組Fig.8 Dry type water cooled air conditioner with natural cooling

圖9 制冷劑自然冷卻Fig.9 Natural cooling of refrigerant

圖10 冷卻塔間接自然冷卻Fig.10 Indirect natural cooling of cooling tower

表4 各種空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)Table 4 Characteristics of various air conditioning systems

續(xù)表4 各種空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

上述四種方案均能實現(xiàn)全壓縮制冷、壓縮制冷與自然冷卻混合制冷、全自然冷卻，但由于設(shè)計上的差異，每種方案的切換控制存在較大差異。表5為各種系統(tǒng)全年運(yùn)行的分析統(tǒng)計，切換控制根據(jù)目前常用設(shè)備的切換控制方式確定，冷水機(jī)組按照機(jī)組出水溫度10℃，回水溫度15℃考慮。

表5 各空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行分析Table 5 Annual operation analysis of each air conditioning system

根據(jù)上述分析，采用帶自然冷卻的干式水冷直膨機(jī)組的方案全自然冷卻時間最長，制冷劑自然冷卻的方案全壓縮制冷的時間最短，這兩種方案在中小型數(shù)據(jù)中心中使用具有較大的優(yōu)勢，本數(shù)據(jù)中心所在地區(qū)冬季氣候較低，選用具有更高運(yùn)行穩(wěn)定性的帶自然冷卻的干式風(fēng)冷直膨機(jī)組，采用乙二醇溶液作為循環(huán)液，有效解決冬季防凍問題。制冷原理如圖3-7 所示。

本工程空調(diào)按照N+1 的冗余進(jìn)行配置，網(wǎng)絡(luò)區(qū)設(shè)置3 臺精密空調(diào)，服務(wù)器區(qū)設(shè)置7 臺精密空調(diào)。設(shè)備參數(shù)如表6 所示。

表6 精密空調(diào)參數(shù)Table 6 Precision air conditioning parameters

當(dāng)室外溫度tw＞18℃時，機(jī)組純機(jī)械制冷模式運(yùn)行，僅制冷劑回路制冷，乙二醇回路僅冷卻制冷系統(tǒng)的冷凝器。當(dāng)12℃＜tw≤18℃時，機(jī)組采用機(jī)械+自然冷卻的混合模式運(yùn)行，乙二醇在制冷盤管中循環(huán)，制冷劑回路和乙二醇回路同時制冷，減少壓縮機(jī)的功耗。當(dāng)室外溫度tw≤12℃時，機(jī)組純自然冷卻模式運(yùn)行，乙二醇回路全部通過制冷盤管實現(xiàn)制冷，壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)就會完全關(guān)閉，其中8℃＜tw≤12℃時系統(tǒng)可根據(jù)需要自動將備用機(jī)組投入工作。

該工程總冷負(fù)荷約657kW，新風(fēng)由雙冷源新風(fēng)機(jī)組處理（本文不詳細(xì)介紹），預(yù)計空調(diào)全年平均負(fù)荷約600kW。根據(jù)該種空調(diào)在不同室外溫度條件下的能效比及不同工況的運(yùn)行時間，經(jīng)專業(yè)空調(diào)商模擬計算，預(yù)測固定制冷量為600kW 時的全年制冷耗電量為94.4 萬kWh，與采用傳統(tǒng)風(fēng)冷空調(diào)相比每年可節(jié)省41.9%的電耗，全年空調(diào)能耗預(yù)測分布如圖11 所示。

圖11 全年空調(diào)能耗分布預(yù)測Fig.11 Annual air conditioning energy consumption forecast

5 結(jié)語

（1）數(shù)據(jù)機(jī)房冷負(fù)荷主要由設(shè)備散熱產(chǎn)生，占總冷負(fù)荷的75%以上，冷負(fù)荷的變化主要受IT設(shè)備實際運(yùn)行的負(fù)載率影響。冷負(fù)荷幾乎全部為顯熱冷負(fù)荷，占總負(fù)荷的90%以上。

（2）數(shù)據(jù)機(jī)房氣流組織的設(shè)計應(yīng)避免熱氣流和冷氣流的短路，一方面可提高冷氣流的利用率，另一方面可提高空調(diào)回風(fēng)溫度，從而提高空調(diào)制冷效率。對于高熱密度機(jī)房應(yīng)采用封閉冷通道的氣流組織形式。

（3）冷卻方案的確定應(yīng)考慮數(shù)據(jù)中心全年運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)，采取可行的自然冷卻方案，節(jié)省全年運(yùn)行能耗。為延長使用自然冷卻的時間，有條件時應(yīng)提高空調(diào)送風(fēng)溫度及冷凍水供水溫度。

（4）根據(jù)分析，本項目采用帶自然冷卻的干式水冷直膨機(jī)組，全年有57.9%的時間采用完全自然冷卻，與采用傳統(tǒng)風(fēng)冷空調(diào)相比每年可節(jié)省41.9%的電耗。

（5）寒冷地區(qū)，采用帶自然冷卻的干式水冷直膨機(jī)組，具有較好的節(jié)能效益，制冷回路采用乙二醇溶液能夠適應(yīng)冬季的低溫環(huán)境，運(yùn)行穩(wěn)定性高。