全新的數據中心空調解決方案

文｜阿爾西制冷工程技術（北京）有限公司 朱洪波

隨著整個社會信息化程度的不斷提高，對于數據中心的需求也越來越大，在有限的空間內IT設備的密度和業務都不斷增大，隨之而來的是用電負荷的逐漸加大，熱流密度的不斷提高，這就要求我們不斷探索新的空調解決方案。

作為數據中心空調的集中冷源，冷凍水系統與各自獨立的直接膨脹式空調系統相比，制冷效率更高，設備更集中，運行更穩定，故障率和維護成本更低，國外眾多大型數據中心普遍使用冷凍水空調系統。

由于數據中心熱負荷較大，常年需要冷水機組運行，即便在室外溫度很低的情況下也能照常工作。這樣，當室外溫度較低時，就可以利用冷空氣冷卻高溫回水，不需要開啟壓縮機即可為空調室內機提供冷量，這種方法即為自然冷卻方法。利用自然冷卻效應開發的冷水機組即為自然冷卻冷水機組，它與普通冷水機組最大的區別在于它在冷凝盤管之前安裝了自然冷卻熱交換盤管，旨在優先利用環境冷空氣冷卻盤管內的回水。

阿爾西提出的數據中心自然冷卻冷凍水系統，它通過冷凍水循環管路的精心設計以及控制邏輯的優化，實現與機房內部空調氣流組織的完美匹配，并且可以根據室內熱負荷以及室外環境的變化，對冷凍水流量進行靈活的調節，將自然冷卻的效益發揮到最大，始終使機組保持高效運行。此套數據中心空調解決方案根據安裝地區氣候條件的不同，可以實現30%～70%的節能，使得運行費用大幅縮減，而為此增加的空調設備初投資，最多兩年的時間就可以收回，而整個機組的使用壽命至少有10年。

1 普通冷水機組

冷水機組一般安裝在建筑物的屋頂外部，它們專為室外安裝設計，不需要增加任何針對惡劣天氣的保護措施。

冷水機組按照不同冷凝方式可分為風冷和水冷兩種，本案采用的是風冷冷水機組。它的工作原理是：攜帶室內熱量的高溫回水流入機組，進入殼管式蒸發器，被制冷劑盤管冷卻，熱量傳遞給制冷劑，由后者帶到風冷冷凝器中，由風機驅動環境空氣對其進行強制散熱。按經驗來說，一套空調設備的平均制冷量為設計值的85%，剩下部分作為冷量備份。

2 自然冷卻冷水機組

為機房空調提供集中冷源的冷水機組需要常年運行，即便在室外溫度很低的情況下也能照常工作。這樣，當室外溫度較低時，就可以利用冷空氣冷卻高溫回水，不需要開啟壓縮機即可為空調室內機提供冷量，這種方法即為自然冷卻方法。利用自然冷卻效應開發的冷水機組即為自然冷卻冷水機組，它與普通冷水機組最大的區別在于它在冷凝盤管之前安裝了自然冷卻熱交換盤管，旨在最先利用環境冷空氣冷卻盤管內的回水；另一個區別在于內部水循環系統的設計上，自然冷卻循環利用三通調節閥將循環水路與自然冷卻熱交換盤管連接起來，如圖1所示。

其實，自然冷卻冷水機組的工作原理并不復雜：當三通調節閥中旁通B完全關閉，A與C連通時，即自然冷卻熱交換盤管關閉，全部冷量由壓縮機制冷提供；當室外溫度低于回水溫度時，A關閉，B與C連通，回水通過自然冷卻熱交換盤管預冷，然后再進入蒸發器，這樣一來，壓縮機只需部分工作就可以滿足空調冷量的要求，從而節省了大部分能耗；而當室外溫度足夠低時，A關閉，B與C連通，通過自然冷卻就可以完全滿足空調冷量要求，壓縮機停機，這時機組總能耗明顯降低，只包含自然冷卻系統的能耗，總之，室外溫度越低，節能效果越明顯。如果采用自然冷卻冷水機組比普通冷水機組每年大約節能22%～31%，具體效果如何會因安裝地區的氣候條件而不同。

圖1 自然冷卻冷水機組工作原理圖

3 全新的數據中心空調解決方案

采用自然冷卻冷水機組作為集中冷源為機房空調提供冷量，已經取得了非常好的節能效果，是否還可以將能耗降到更低？雖然室外溫度由氣候環境而定，無法人為改變，但是冷凍水系統的回水溫度可以進一步優化，從而實現進一步的節能。

冷凍水系統的回水溫度越高，室外自然冷卻功能開啟的溫度就越高，所以通過提高回水溫度可以繼續優化節能效果。具體實現方法是通過合理設計室內機的氣流組織提高回風溫度，而且可以通過優化室內機雙向閥開度的控制邏輯，使冷水機組變流量運行，實現進一步的節能。

當實際熱負荷小于設計值時，如果冷水機組以恒定流量運行，則回水溫度會降低，而如果變流量運行，則回水溫度會明顯升高。比如，當以75%負荷運行時，恒定流量回水溫度為12℃，而變流量回水溫度為18℃。置換送風空調與其他空調最大的區別就在于，它的回水溫度會隨著負荷的降低而升高。在數據中心的運行負荷范圍內，這種回水溫度的溫差大概在6℃～7℃之間。

只能定流量運行的普通自然冷卻冷水機組的節能效果與新方案中的節能效果根本無法相比，因為它不具備變流量運行的功能，為了彌補這一缺陷，對冷凍水流量進行調節，在普通冷水機給水和回水之間加入旁通，這樣流入室內空調機的流量可以根據室內熱負荷而變化，而回水與部分給水混合后再進入冷水機，回水溫度也相應降低，這樣對于室內空調機組起到了節能效果，提高了回水溫度，但另一方面旁通卻會對冷量造成極大的浪費。

全新解決方案中的冷水機組，通過冷凍水循環管路的精心設計以及控制邏輯的優化，實現與室內機的完美匹配，將自然冷卻的效益發揮到最大，將能耗降到最低，并且可以根據室內熱負荷以及室外環境的變化進行靈活的調節，始終使機組保持高效運行。

新的冷水機組在給回水之間并沒有加旁通，而是通過與室內機的雙向調節閥相匹配，實現對冷凍水流量的控制，從而使節能效果最大化。以1MW的熱負荷為例，與傳統冷水機組相比，普通定流量自然冷卻冷水機組根據當地氣候差異可以節能20%～30%，而全新ICT機房空調解決方案可以實現50%～70%的節能，使得運行費用大幅縮減，而為此增加的費用，兩年內就可以收回，而整個機組的使用壽命至少有10年。

綜上所述，此套全新的數據中心空調解決方案，集合了集中冷源、變流量調節以及自然冷卻等諸多先進技術，今后必將在大規模數據中心中廣泛應用。