以江苏省某数据中心为例，简单介绍了数据中心项目中空调冷热源系统设计、空调通风系统设计、末端水系统设计、气流组织等，希望给相关从业者提供参考价值。
随着5G、人工智能、互联网、大数据、云计算等新一代信息通信技术的快速创新、发展和应用，我国数字经济蓬勃发展。数据中心作为信息技术的载体，数据中心市场得到快速发展，各地针对自身需求大力推动数据中心基础设施建设。随着数据中心的高速发展，数据中心高能耗问题越来越受到社会关注。数据中心空调系统的能耗约占整个数据中心能耗的20%-40%，是能耗最大的非IT辅助设备，因此数据中心节能的核心是降低空调系统的能耗。
本文以江苏省某数据中心为例，对数据中心空调系统进行分析介绍，便于同类型项目进行参考。
1、工程概况
本项目位于江苏省南通市，项目总建筑面积约为10721㎡，建筑高度23.3m，地上4层，生产类别丙类厂房，耐火等级二级。建筑物内共设有18个模块机房，分布在二~四层，动力辅助用房设在建筑物一层。本建筑物内设有1020台机柜，机柜密度为5kW/机柜，机房等级为A级。
2、空调系统负荷
数据中心空调负荷的特点是IT设备热负荷大、湿负荷小、风量大、IT机柜密度高且运行稳定，制冷空调系统需要保证全年365天、每天24h不间断运行。因此数据机房专用空调要求大制冷量、小焓差、大风量、不间断可靠运行。
室外设计参数按GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》附录A南通市的室外空气计算参数取值。数据机房及主要电气设备用房的室内设计参数按照GB50174-2017《数据中心设计规范》及使用方的要求确定，主要房间室内设计参数见表1。数据中心空调负荷组成：设备散热、围护结构传热、新风负荷、照明散热和人体散热等。具体参数详见表2。中大型数据中心一般多采用冷冻水型机房空调系统，冷冻水型空调系统采用集中冷源制冷，具有能效高、结构简单、管道集中布置、安装维护方便、初投资相对较低、使用寿命较长等优点，该方式利用开始冷却塔降温，系统补水量需求较大，水资源丰富的地区可以考虑此种制冷方式。本项目所处地区水资源丰富，故采用冷冻水型空调系统。本项目数据机房集中冷源采用低压变频水冷型离心式冷水机组，冷冻站设在首层。冷源系统选用3套950RT（3341kW）的制冷单元，2用一备，每套制冷单元包括：冷水机组、板式换热器、冷冻水泵、冷却水泵和开式横流冷却塔。冷水机组冷冻水供回水温度为15/21℃，冷却水温度为33/38℃。板式换热器水温：一次侧进出温度为13.5/19℃，二次侧进出水温度15/21℃。开式冷却塔夏季工况运行水温33/38℃，冬季工况运行水温13.5/19℃，冷却塔设置于本建筑屋面。中温冷冻水系统采用一次泵变流量系统，冷冻水一次泵采用供回水末端环路压差控制，可根据冷负荷变化进行流量调节，以达到供水参数的稳定和节能的目的。空调冷冻水系统末端采用环路设计，并用分段阀隔离各故障点，保障单点故障时系统的正常运行。数据中心常年制冷，一年365天不间断供冷。为了保证冷冻水的供冷可靠性，防止突然断电或机器故障引起的制冷中断事故，在供回水环路上设置2台蓄水量有效容积为125m³的闭式蓄冷罐，冷冻水一次泵、末端水冷精密空调配置UPS电源，可以实现突然断电冷水机组再启动时对机房的连续供冷，可提供数据机房空调系统15min的冷水供应。蓄冷罐采用立式，设置于一层室外绿化带内。冷冻水供应系统补水采用软化水，冷冻水系统定压采用自动定压补水排气装置。冷却水系统设置自动加药装置和旁流过滤装置，去除冷却水中的悬浮物颗粒和杂质，达到杀菌、灭藻、防垢、防腐的效果。制冷系统原理图见图1。冷却水系统采用双补水系统，确保在市政停水时，空调系统仍可以正常运行，提高了空调系统的可靠性。冷却塔全年运行，在冬季要考虑防冻要求，本项目冷却塔集水盘和室外管线设置了电加热，防止冷却塔结冻。本项目制冷系统的节能点在于充分利用自然冷源。空调制冷系统的运行模式分为：制冷模式、预冷模式、自由冷却模式。纯制冷模式下冷水机组和冷却塔投入运行，板式换热器不工作，保证冷水温度恒定。当室外湿球温度低于设定值14.5℃（可调）时，板式换热器投入运行，冷水机组、冷却塔仍正常运行，系统进入预冷模式。当室外湿球温度进一步降低到某一设定值8℃（可调）时，冷水机组停止运行，板式换热器和冷却塔正常运行，系统进入完全自由冷却模式。在保证主机正常运转的前提下，尽可能多的延长自然冷却时间，保证最大限度降低PUE值。机柜采用面对面、背对背的方式布置，使面对面一侧形成冷风通道（冷区）、背对背一侧形成热风通道（热区）。本项目采取冷通道封闭的方式，高架地板下送风上回风的方式。经过空调冷却的冷空气经过高架地板进入冷区，流经设备后形成热空气，排放到机柜背面的热区中，然后经过空调隔墙处的回风口回到空调设备中，使整个机房区域冷、热风分离，提高了机房专用空调的冷空气利用率，进一步提高制冷效果。气流组织示意图见图2。本项目各模块机房内采用房间级水冷精密空调（简称机房专用空调），N+20%冗余布置。为了防止水管进入模块机房导致的漏水隐患，机房专用空调放置于单独空调间内。机房专用空调不带加湿功能，各机房采用湿膜恒湿机对房间湿度进行控制，恒湿机放置于单独空调间内。主机房采用地板下送风的方式，机房冷风送到高架地板下方，地板下形成一个大的静压箱，可以减小送风系统的动压、稳定送风气流、减少气流振动。配电室、电池间等电气房间采用风管上送风方式，送风口的布置位置需与电气设备相结合，使整体送风效果良好，注意送风口要考虑防结露措施。为了满足数据机房微正压、洁净度和人员舒适度的要求，需要考虑设置新风系统。本工程新风采用自带冷热源的新风机组集中进行冷却、加热、加湿等处理，新风机组设置于屋面，处理后的新风经过管道井送入主机房。新风机组设置初效段（G4）+中效段（F7）+化学过滤段，达到室内洁净度要求。新风量按房间换气次数1次/h及人员最小新风量40m³/（p.h）的最大值计算。新风管道穿越风井或各防护单元隔墙处安装70℃防火阀，各房间送风口采用电动风口。各模块机房、电池间、配电间等电气房间采用气体消防，设有气体灭火后排风系统，通风量按照换气次数5次/h计算。每个防护区的排风支管上设有电磁密闭阀门，电磁密闭阀平时关闭。当气体灭火时，关闭该房间新风支管上的电动送风口和其他开口，气体灭火结束后打开排风支管上的电磁密闭阀门和电动送风口，联动打开排风机，清空机房内消防气体和废气。根据规范要求，本建筑走廊长度大于40m，开窗面积不能满足自然排烟需求，故采用机械排烟系统。各防烟分区采用固定挡烟垂壁分隔，防烟分区排烟量不大于15000m³/h。本项目设置2套排烟系统，排烟风机设置在屋顶的专用机房内，设计排烟量为36000m³/h。各防烟分区采用常闭远控排烟阀+常开单层百叶风口的方式，当发生4火灾时，仅打开着火防烟分区的常闭远控排烟阀，其他防烟分区的远控排烟阀应保持关闭状态。冷冻站、柴发机房、日用储油间等房间设置平时兼事故排风系统，平时通风量按照6次/h计算，事故时按照12次/h计算，排风机采用双速轴流风机。各房间内设置相应气体泄漏检测系统，与事故排风机联锁，事故排风机分别在室内和靠近外门的外墙上设置电气开关。平时排风机低速运行，当房间内有大量气体泄漏时，风机切换至高速运行，进入事故排风模式。电池间设置平时兼事故排风系统，平时通风量按照1次/h计算，事故时按照12次/h计算，房间内设置氢气泄漏检测系统，与事故排风机联锁，当检测到有大量氢气泄漏时，开启排风机，进入事故排风模式。平时排风由运维人员设置时间间隔，风机开启一段时间后关闭，满足室内氢气浓度要求。本项目数据机房等级为A级，要求空调供回水管双供双回、成环布置。本项目采用冷冻水末端系统每层水平成环的布置方式，并且冷冻水系统环路上间隔阀均采用双阀，以保证系统在线维护的要求，提高系统的可靠性。湿膜恒湿机加湿水源为软化水，由冷冻站提供。机房专用空调和恒湿机的排水汇集到空调间的地漏位置，由给排水专业统一排至室外管网中。本文通过对江苏省某数据中心项目暖通空调系统设计方案进行梳理，为后续数据中心的暖通空调设计提供参考。但是互联网发展日新月异，且南北方环境有所差异，因此设计师不能一概而论，应该根据项目特点因地制宜的选择最合适的空调制冷方案，在保证数据中心可靠性和稳定性的前提下，最大限度的提高数据中心的能源利用效率。
