數(shù)據(jù)中心通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

范琛

引言

“互聯(lián)網(wǎng)+”與“大數(shù)據(jù)×”背景下，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，深度融入到國內(nèi)經(jīng)濟(jì)、文化、社會等各個(gè)方面。政府的大力扶植、社會日益增長的需求，促進(jìn)了信息技術(shù)更快的發(fā)展，同時(shí)對承載數(shù)據(jù)集成的數(shù)據(jù)中心的需求量越來越大。

空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基本保證。數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)不同于一般舒適性空調(diào)系統(tǒng)，其主要目的是消除設(shè)備散熱，保證機(jī)房穩(wěn)定運(yùn)行，且需全天24h制冷運(yùn)行。本文將結(jié)合某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目簡要介紹數(shù)據(jù)中心通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

1 室內(nèi)環(huán)境要求

數(shù)據(jù)機(jī)房的負(fù)荷大多來源于設(shè)備散熱[1]，其負(fù)荷特點(diǎn)：顯熱負(fù)荷大、濕負(fù)荷很小。數(shù)據(jù)機(jī)房全年不間斷運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境的溫度、相對濕度、空氣潔凈度均需滿足其安全性與使用要求，機(jī)房內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)需具有很高的可靠性。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 室內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)

2 空調(diào)冷熱源

2.1 空調(diào)冷源

該項(xiàng)目冷源采用水冷離心式冷水機(jī)組，單臺制冷量為：2400USRT（8441kW），冷凍水供回水溫度：17/23℃，冷卻水供回水溫度：30/36℃，冷水機(jī)組采用10kV供電。制冷系統(tǒng)按5+1的備用方式設(shè)置[2]，冷凍水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一次泵變流量系統(tǒng)，板式換熱器與冷水機(jī)組一一對應(yīng)，管路設(shè)計(jì)為環(huán)路設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)可在線維護(hù)，提高可靠性。

為滿足IT機(jī)房全年運(yùn)行要求，系統(tǒng)需滿足連續(xù)供冷。一次泵、精密空調(diào)機(jī)組采用UPS（不間斷電源）供電，蓄冷罐容積保證系統(tǒng)滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行15min，該項(xiàng)目蓄冷罐所需有效容積為1200m3，采用開式蓄冷罐，室外放置。市政供電時(shí)，蓄冷罐處于蓄冷狀態(tài)，充滿17℃的冷凍水。市政斷電時(shí)，轉(zhuǎn)由備用柴油發(fā)電機(jī)供電，一次泵，機(jī)房精密空調(diào)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，在冷水機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前，蓄冷罐處于放冷狀態(tài)，提供系統(tǒng)冷凍水，保證水系統(tǒng)的連續(xù)供冷。

圖1 冷凍水系統(tǒng)原理圖

該項(xiàng)目冷卻水系統(tǒng)按5+1的備用方式設(shè)置，冷卻水系統(tǒng)采用每臺冷水機(jī)組獨(dú)立環(huán)路，冷水機(jī)組與冷卻水泵、冷卻塔均一一對應(yīng)，冷卻塔風(fēng)機(jī)采用變頻設(shè)置，冷卻塔按極端濕球溫度和冬季自然冷卻濕球溫度選取，冷卻塔置于屋頂屋面。

圖2 冷卻水系統(tǒng)原理圖

該項(xiàng)目地下室設(shè)有冷卻水補(bǔ)水池，采用市政兩路進(jìn)水。冷卻水補(bǔ)水池容積為2500m3，當(dāng)市政給水出現(xiàn)故障時(shí)，冷卻水補(bǔ)水池保證系統(tǒng)滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)24h。冷凍水系統(tǒng)的補(bǔ)水定壓采用兩個(gè)定壓罐互為備用的方式，定壓罐采用市政兩路補(bǔ)水。

考慮到該項(xiàng)目位于寒冷地區(qū)，冷卻塔接水盤內(nèi)設(shè)電加熱棒，室外管道設(shè)有電伴熱，防止冬季結(jié)凍。

2.2 空調(diào)熱源

本項(xiàng)目不單獨(dú)設(shè)熱源，輔助區(qū)的房間設(shè)水源熱泵機(jī)組（吊頂式），冬季供熱，水源由17℃冷凍水供給。

新風(fēng)機(jī)組設(shè)有水源熱泵模塊，采用17℃的冷凍水預(yù)熱，采用水源模塊再熱，滿足室內(nèi)要求后送入室內(nèi)，電加熱作為水源熱泵模塊的備用。

補(bǔ)風(fēng)加熱采用17℃的冷凍水加熱至5℃送到室內(nèi)。

3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

3.1 服務(wù)器機(jī)房（主機(jī)房）

主機(jī)房內(nèi)所有IT機(jī)柜采用面對面、背對背的冷熱通道形式[3]，機(jī)房空調(diào)機(jī)組與機(jī)柜行列成垂直擺布。機(jī)房空調(diào)采用下送上回的送風(fēng)方式：機(jī)房空調(diào)機(jī)組將處理好的冷空氣送入活動(dòng)地板靜壓箱空間，通過地面開放式格柵地板吹向計(jì)算機(jī)設(shè)備，室內(nèi)熱風(fēng)上升，由封閉的熱通道和吊頂靜壓箱進(jìn)行回風(fēng)。

圖3 機(jī)房氣流組織剖面圖

服務(wù)器機(jī)房采用精密空調(diào)機(jī)組，每個(gè)機(jī)房模塊設(shè)置8臺精密空調(diào)，單側(cè)布置，按7+1模式冗余配置。每個(gè)機(jī)組配有單冷盤管，下出風(fēng)EC風(fēng)機(jī)，變風(fēng)量，微電子控制器，空氣過濾器（0.5μm顆粒）等。

機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組的顯熱：170kW，冷凍水供回水溫度：17/23℃。IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度：23℃；熱通道回風(fēng)溫度：35℃。

空調(diào)通道設(shè)有機(jī)房專用濕膜加濕器，滿足冬季與過渡季節(jié)時(shí)的加濕要求，以保證室內(nèi)空氣濕度。

3.2 UPS室及變配電站

UPS室及變配電站采用精密空調(diào)機(jī)組，按N+1的備用方式配置。風(fēng)機(jī)采用頂送風(fēng)，空調(diào)風(fēng)管貼頂部送至各變配電柜間隙，空調(diào)回風(fēng)采用走道隔墻上側(cè)下回風(fēng)。

3.3 電池室

設(shè)置水源熱泵盤管，按N+1的備用方式配置，置于空調(diào)間內(nèi)，接送風(fēng)管進(jìn)入電池室，回風(fēng)采用墻上開百葉，滿足房間溫度要求。

電池室設(shè)有事故、平常排風(fēng)，電池室補(bǔ)風(fēng)由相鄰UPS間滲漏。

每個(gè)電池室將安裝氫氣泄露檢測系統(tǒng)，與排風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖。

3.4 鋼瓶間

鋼瓶間設(shè)有排風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)室內(nèi)消防氣體濃度超過安全值時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)系統(tǒng)換氣次數(shù)按3次/h[4]設(shè)計(jì)。

3.5 新風(fēng)系統(tǒng)

新風(fēng)量按以下原則確定：①滿足人員最小新風(fēng)量需求：40m3/人·h。②保證機(jī)房內(nèi)正壓要求：5～10Pa。③夏季新風(fēng)處理至等室內(nèi)露點(diǎn)溫度，以控制室內(nèi)濕度。

送入新風(fēng)，使IT和電氣機(jī)房形成正壓，阻止外界灰塵與微粒的滲入，同時(shí)控制室內(nèi)濕度，防止靜電產(chǎn)生、避免凝結(jié)水聚集，保證機(jī)房精密空調(diào)100%顯冷冷卻。該項(xiàng)目機(jī)房新風(fēng)量按1次/h設(shè)計(jì)。

夏季，新風(fēng)經(jīng)冷水盤管和水源熱泵處理至等室內(nèi)露點(diǎn)溫度，送入室內(nèi)。冬季，新風(fēng)經(jīng)預(yù)熱盤管加熱至5℃，再經(jīng)水源熱泵加熱至高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度后送入室內(nèi)吊頂，與機(jī)房空調(diào)機(jī)組回風(fēng)混合，經(jīng)處理再送入室內(nèi)，濕度由機(jī)房專用濕膜加濕器控制。

送入各房間的新風(fēng)系統(tǒng)末端采用VAV，采用機(jī)房內(nèi)與走道壓差控制，調(diào)節(jié)送風(fēng)量，滿足機(jī)房5～10Pa正壓的要求。

4 空調(diào)水系統(tǒng)

冷凍水經(jīng)由地下室內(nèi)環(huán)路管道送出，豎向由2組雙立管分別送至各樓層，每組冷凍水為環(huán)路，接至各個(gè)空調(diào)末端，包括：機(jī)房精密空調(diào)，新風(fēng)機(jī)組，水源熱泵。

機(jī)房精密空調(diào)設(shè)有單冷盤管，接17/23℃冷凍水，承擔(dān)IT機(jī)房顯熱負(fù)荷。

新風(fēng)機(jī)組設(shè)有單冷盤管，水源熱泵模塊。冷凍水接至機(jī)組單冷盤管和水源熱泵冷卻盤管。

輔助間設(shè)水源熱泵機(jī)組，接17/23℃冷凍水作為水源，夏季制冷，冬季供熱，能量回收。

5 自然冷源

采用水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)[5]，由冷卻塔、板式換熱器、冷卻水泵及所需配件組成，每臺冷水機(jī)組配有一臺板式換熱器，冷卻塔、板式換熱器、冷水機(jī)組一一對應(yīng)。根據(jù)室外季節(jié)變化，冷卻水溫度會不斷變化，冷凍水制備分為三種模式：即電制冷模式、部分自然冷卻模式、完全自然冷卻模式，三種工況切換由自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。自然冷卻設(shè)計(jì)可以充分利用室外天然冷源，以節(jié)省冷水機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用。當(dāng)室外濕球溫度降低，冷卻塔提供的冷卻水供水溫度低于22℃時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入部分自然冷卻狀態(tài)，冷卻水經(jīng)板式換熱器冷卻冷凍水回水，冷凍水回水經(jīng)板式換熱器部分冷卻后進(jìn)入冷水機(jī)組蒸發(fā)器，提供17℃的冷凍水。當(dāng)室外濕球溫度足夠低，冷卻塔可以提供低于15℃的冷卻水時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入完全自然冷卻狀態(tài)，冷凍水經(jīng)板式換熱器與冷卻水進(jìn)行水水交換，直接提供17℃的冷凍水，冷水機(jī)組關(guān)閉。基于該項(xiàng)目的當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)統(tǒng)計(jì)[6]，一年50%的時(shí)間為完全自然冷卻，18%的時(shí)間為部分自然冷卻。

6 結(jié)語

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)客戶不同標(biāo)準(zhǔn)的需求，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，選擇適宜的方案。考慮到很多大型數(shù)據(jù)中心分期建設(shè)的情況，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮周全，以備在后期的實(shí)施中，根據(jù)客戶的實(shí)際需要做出相應(yīng)快速、便利地調(diào)整。

[1]中國電子工程設(shè)計(jì)院.《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-2008）[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

[2]ASHRAE Standard Committlee.ASHRAE TC9.9Thermal guidelinesfor date processing environments[M].2nd ed.ASHRAEStandards Commitee，2008.

[3]鐘志鯤，丁濤.數(shù)據(jù)中心機(jī)房空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)[M].人民郵電出版社，2009.

[4]中國建筑科學(xué)研究院.《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[5]李競.過渡季節(jié)冷卻水的節(jié)能應(yīng)用研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[6]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[7]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊（上下冊）第二版[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.