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某数据中心空调系统深化设计的探讨

科技   2025-01-07 12:04   北京  

摘要


本文结合当前某数据中心的实际案例，针对空调系统主要用电设备及空调末端的深化建议，采用水冷磁悬浮制冷主机及热管空调设备形式，对数据中心的 PUE 值有很大提升。采用更为稳妥的补水系统及挡水设计，确保数据中心的安全、稳定运行。对管道进行合理的走向布置，让管网更优、更完美的呈现在实际安装工程中。


一、引言

近几年来，随着我国互联网、云计算和大数据产业的加速发展，数据中心产业也进入了大规模的规划建设阶段。2011年到2013年上半年全国共规划建设数据中心255 个数据中心中近 90%的设计PUE低于2.0，平均PUE为1.73。超大型、大型数据中心设计PUE平均为1.48，中小型数据中心设计PUE平均为1.80。另外，一些老旧数据中心通过采用先进制冷节能技术改造，PUE也降到2.0以下。
鉴于在当今数据中心的日常运维中、所遇到电力供应不足、水资源匮乏、日益增高的水电费开支已成为能否建立绿色数据中心机房的“瓶颈性”制约因素。
在这样的背景下，在当今相当多新建数据中心的技术验收评估工作中，PUE值的高低已成为评估数据中心建设水平高低不可或缺的重要技术指标。降低数据中心 PUE 值推荐技术措施，相比通过提高UPS的效率来降低总PUE值的贡献率非常有限，关键措施是提高空调制冷系统的节能环保特性。

二、原空调系统简述

本工程为某云计算数据中心项目，位于河南省新乡市，本工程建筑面积14300m2，地上三层为制冷站、数据机房、附房及行政办公区，地下一层为消防水池及消防泵房。3kW机柜60架、4kW机柜696架、6kW机柜234架。
机房设备及建筑负荷约为7000kW，按《数据中心设计规范》GB50174-2017规范A级计算机房要求，制冷主机系统选用N+1，主机选用两台3517kW（1000 RT）+2 台1758kW（500RT）水冷变频离心机组。供水温度为12 ℃，回水温度为17 ℃。冷却水进出水温度为32~37 ℃。制冷站房冷冻水供回水系统设计为环路形式，通过两个分水器、两个集水器设置几路环路，末端设备连接在各个环路上，通过切换阀门可以实现不间断供冷的情况下检修局部设备。
冷却塔为常年运行，设计选取开式冷却塔，四组冷却塔与冷却水泵，制冷机组（板式换热器）为一一对应，独立交替运行。冷却塔相关参数要满足夏季工况和冬季工况。冬季冷却塔运行时要采取防冻措施，室外管道加电伴热装置，冷却塔积水盘加电加热装置。冷却塔风机可变频运行。
加湿系统房间级空调自带加热加湿模块，设列间空调的高密机房设置独立湿膜加湿机满足室内湿度要求，每层水处理间内设置一台水处理设备为房间级精密空调及湿膜加湿机提供加湿水源。
主机房低密度（3kW、4kW）模块机房采用房间级空调，封闭冷通道，地板下送风侧回风。高密度（6kW）郭鹏学暖通模块机房采用列间空调平送后回。冷通道送风温度为19~22 ℃，热通道的回风温度设计为35℃。以上空调根据按《数据中心设计规范》GB50174-2017规范A级计算机房要求，空调末端系统选用N+1备用。

 三、对原空调系统改造的可行性分析

用电效用 PUE（PowerUsage Effectiveness）是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与 IT 负载使用的能源之比，是 DCIE（Data Center Infrastructure Efficiency）的反比。PUE= 数据中心总设备能耗 /IT 设备能耗，PUE是一个比率，基准是2，越接近1表明能效水平越好。
3.1选用高效节能的制冷主机
机组绝大部分时间是在部分负荷下运行。采用变频技术的离心机可以通过降低转速，降低压缩机功耗。实际工作中，只有采用磁悬浮变频冷水机组才能根据实际负荷和压力比调节转速，实现最大的技能效果，如表1所示：
表1 三种制冷主机部分负荷时的能效比（COP）
注：冷冻水进出水温度 12/18 ℃，冷却水进出水温度 32/37 ℃。
从表1可知，磁悬浮变频冷水机组在 50%~70%负荷时的能效比技能比较明显。故建议本次的主机建议选择选用三台3517kW（1000RT）磁悬浮变频冷水机组（两用一备）。部分负荷选用两台制冷主机在能效比较大范围运行，满负荷时三台同时开启，单台负荷在66%的负荷区域运行。与普通变频离心机相比节能22%~40%。
3.2 采用热管空调
热管空调利用热管系统原理，通过制冷剂相变及自然重力实现机房内封闭循环，结合室外自然冷源的使用，实现安全、可靠、高效节能的空调系统。利用热管系统原理，通过制冷剂相变及自然重力原理实现机房内封闭循环，冷冻水水管不进入机房内，机房内连接管路与换热管循环介质为低压制冷剂，彻底消除水入机房的安全隐患。图 1 为列间空调原理图。
图 1 列间热管空调原理图
热管空调无需耗能，与原设计相比，6 kW 的列间空调为 145 台，风机功率为：2.2kW×145=319 kW。

四、对项目深化建议内容

1、鉴于《数据中心设计规范》GB50174-2017 规范A 级计算机房要求，A 级数据中心空调系统不应有单点故障，故空调系统设备及路径需要通过冗余来实现以上要求，冷却塔补水采用双环路供水 + 市政停水时备用水源供水（图 2）。
图 2 冷却塔补水采用双环路+备用补水
2、鉴于列间空调 300 mm×1200 mm×2000 mm 模块需要增加加湿模块以满足室内湿度要求，每层水处理间内设置一台水处理设备为房间级精密空调及湿膜加湿机提供加湿水源，考虑机房空间布置的局限性及安装工程的便利性，列间空调改为 600 mm × 1200 mm×2000 mm 模块。
3、设计独立空调机组冷凝水系统（空调机区域另地漏系统为备份），就近排至下水处。冷凝水管采用镀锌钢管，水平段坡度不小于 1.5 %敷设。冷凝水总管至下水接管处设高度不小于 150 mm 的水封弯头。通信机房内，空调机组冷凝水沿线均敷设漏水探测带，条件具备处，空调机组下方投影区域设水挡。
4、管线布置综合平衡技术是应用于建筑机电安装工程的施工管理技术，涉及到建筑机电工程中通风空调、给排水、其他、电气、智能化控制等专业的管线安装。管线布置综合平衡技术的推行与应用，可以缩短施工工期，避免各专业管路(线)交叉重叠、衔接不当而造成的返工浪费，提高工程质量并创造一定的经济效益。本次项目跟进强电桥架需要检修空间、兼顾综合支架的原则，对管道进行了合理的布置，现场安装效果整齐、美观、大方（图 3）。
图 3 局部管线综合示意图

五、本项目在空调节能方面的应用

1、提高制冷主机的能效。采用磁悬浮制冷主机，提高制冷主机蒸发温度，降低冷凝温度：将进出水温度由 7/12 ℃提高至 12/17 ℃，提高制冷主机运行效率，采用以上方案，冷水主机效率约 22%~40%。
2、采用冷冻水侧自然冷却技术，即冷水机组每套设置一台节能板式换热器：结合当地的气候条件，一般当室外湿球温度较低时，冷水机组可部分或完全停止运行，利用室外冷却塔作为冷源，采用自然冷却方式供冷，冷却水作为一次侧冷源，通过板式换热器对空调冷冻水降温后供给空调系统使用。合理的利用自然资源，达到降低空调的用电量的目的。
3、冷热气流隔离：冷 / 热通道封闭系统是一项应用于降低因工作而发热的设备温度的技术。冷空气与空气直接混合，冷量的浪费很大。热回风与冷量完全隔离，提高内部的冷气利用率，带走更多设备产生热量，降低设备温度。
本项目机房 IT 设备总功率为 5436 kW。原设计空调系统合计功率为 2145.2 kW，PUE 值为 1.39。经过空调深化后空调系统合计功率为 1511 kW，PUE 为 1.28。详见表 2。
表 2 深化前后PUE对比

六、结  语

数据中心有着高负荷、需全年供冷的特点，对空调系统运行安全性、可靠性和适用性要求较高。设计的合理性和空调设备的效能将对通信设备安全、建筑节能和运营成本有很大影响。由于空调系统在不同地域不同环境的条件下有很多种可供选择的空调形式，因此要提高整个数据中心的 PUE 值，需要多方考虑、多方论证、不断学习新的空调形式，才能设计出好的绿色数据中心。
参考文献
[1] 数据中心设计规范(GB50174-2017)[S]. 2017
[2] 数据中心制冷与空调设计标准(TCECS487-2017)[S].2017
来源：HVAC空调解决方案，作者：盛文婧  深圳市建筑设计研究总院有限公司，版权属于原作者，转载仅供学习交流。

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