某數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)設計及節(jié)能分析

李永飛

卓展工程顧問（北京）有限公司上海分公司

0 引言

近年來，隨著云技術的井噴式發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已成為像交通、能源一樣的基礎設施，更被形象的成為“新基建”。2010-2019 年，全球數(shù)據(jù)中心增長率接近20%[1]，從2012 年至2020 年，國內數(shù)據(jù)中心始終保持著以30%左右的高速增長[2]。連續(xù)八年國內數(shù)據(jù)中心的耗電量以超過12%的速度增長，其中2018 年數(shù)據(jù)中心總耗電量高達1608.89 億kWh，占全國社會用電量的2.35%，為上海市2018 年全市用電量之和[3]。據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，國內每年用于數(shù)據(jù)服務器的電能和冷卻的投資超過20 億美元[4]，而空調系統(tǒng)耗電量占據(jù)數(shù)據(jù)中心耗電量的40%左右[5-6]。

如何解決數(shù)據(jù)中心高能耗，將成為推動數(shù)據(jù)中心市場發(fā)展的主要動力。而數(shù)據(jù)中心的組成應根據(jù)系統(tǒng)運行特點及設備具體要求確定，宜由主機房、輔助區(qū)、支持區(qū)、行政管理區(qū)等功能區(qū)組成[7]。作為一個完整的業(yè)態(tài)系統(tǒng)，如何協(xié)調好各區(qū)域之間的能源相互利用以及如何進行節(jié)能降耗，為本次設計的一個突出特點，利用主機房區(qū)余熱為其他區(qū)域冬季采暖使用，實現(xiàn)可持續(xù)的良性循環(huán)。

1 項目概況

本項目用地性質為一類工業(yè)用地，規(guī)劃用地面積78238.10 m2，總建筑面積98836.10 m2，包括1 號樓—運營管控樓及綜合樓，2 號樓—數(shù)據(jù)機房，冷凍站及ECC 和3 號樓—柴發(fā)動力樓及110 kV 用戶站。其中2號樓數(shù)據(jù)機房擬根據(jù)業(yè)務擴展情況分四期投入使用。

2 設計參數(shù)

室外氣象參數(shù)，以及室內相關設計參數(shù)詳見表1～4。

表1 室外氣象參數(shù)[8]

表2 室外極端設計參數(shù)[9]

表3 輔助、支持區(qū)室內設計參數(shù)

表4 機房區(qū)室內設計參數(shù)

3 冷熱源系統(tǒng)設計

3.1 運營管控樓及綜合樓

運營管控樓及綜合樓的空調系統(tǒng)冷熱源采用電動壓縮式水源熱泵機組，選用3 臺制冷量為1160 kW，制熱量為1460 kW 的螺桿式水源熱泵機組，設置在地下一層冷凍機房。制冷時，水源熱泵機組通過冷卻塔散熱，選用3 臺處理水量為330 m3/h 的閉式冷卻水塔，冷卻塔設置在運營管控樓屋面。制熱時，水源熱泵機組通過回收數(shù)據(jù)機房的余熱制備空調熱水。

消防控制室、變電所、運營商機房、值班室等采用分體空調系統(tǒng)。門廳、員工餐廳、二層大空間廠區(qū)管控室等場所采用全空氣低速風管空調系統(tǒng)，送風方式根據(jù)不同空間條件及使用需要采用頂送的送風方式，回風采用集中回風。公寓宿舍、小會議室等采用風機盤管加新風系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)機房

D1 樓一期工程與二期工程的冷源分別獨立設置。D2 樓的冷源獨立設置，預留土建條件。

D1 樓一期工程、二期工程的冷源系統(tǒng)均采用2N設計。A 路冷源采用水冷式冷凍水系統(tǒng)，并設置冷卻塔自然冷卻。D1 樓一期工程及二期工程的A 路冷源均選用3 臺制冷量為3868 kW 的變頻離心式冷水機組。機組的冷凍水進/出水溫按18/12 ℃設計，冷卻塔按夏季極端最高濕球溫度30.1 ℃、進/ 出水溫度39.0/33.0 ℃選型。B 路冷源采用風冷式冷凍水系統(tǒng)。D1 樓一期及二期的B 路冷源均選用8 臺制冷量為1290 kW/臺的螺桿式自然冷卻風冷冷水機組。機組的冷凍水進/出水溫按18/12 ℃設計，按夏季極端最高干球溫度39.4 ℃選型，并能在冬季極端溫度下正常運行。

連續(xù)制冷設計：為了防止因制冷中斷，導致機房溫度快速上升，而引起IT 設備故障。A、B 路冷凍水系統(tǒng)中均設置了水蓄冷裝置，蓄冷量均按不小于不間斷電源的供電時間15 分鐘設計。D1 樓一期工程及二期工程的A、B 路冷凍水系統(tǒng)各選用2 臺225 m3的閉式蓄冷罐，系統(tǒng)正常運行時，維持蓄冷罐溫度，在斷電等緊急情況下可快速切換至蓄冷裝置供冷。

數(shù)據(jù)機房的新風空調機組設置兩級冷凍水盤管，一級盤管接A 路冷源，二級盤管接獨立的風冷模塊機組進一步除濕。D1 樓一期工程選用5 臺制冷量為120 kW/臺的渦旋式風冷模塊機組，二期工程選用4臺制冷量為120 kW/臺的渦旋式風冷模塊機組。

模塊機房采用下送風型機房專用精密空調機組，下送風上回風，機組配置高效EC 風機和G4 過濾器。模塊機房內采用封閉熱通道隔離冷熱氣流，提高送、回風溫度和制冷效率。機柜面對面、背對背成組布置，機房精密空調機組和機架的行列成垂直式排布。精密空調機組送風進入活動地板靜壓箱，通過地板開孔格出風口送至機柜進風面，經(jīng)機柜帶走熱量后排至機柜背面的熱通道，由機房吊頂回至精密空調間內的精密機組上部回風口。地板開孔格柵采用可調節(jié)型。

3.3 運管樓

ECC 樓24 小時運行，采用獨立冷熱源的變制冷劑流量多聯(lián)機空調系統(tǒng)，系統(tǒng)按區(qū)域、樓層合理劃分，避免冷媒管超長并減少冷量衰減。室外機設置在ECC樓屋面，冷媒管豎向通過管井分配至各個樓層。一層UPS 機房和電池室采用獨立冷源的風冷直膨式機房專用精密空調機組。指揮大廳、日常辦公、參觀展覽、門廳、電梯廳等區(qū)域采用多聯(lián)機空調加新風系統(tǒng)。

3.4 柴發(fā)動力樓及110 kV 用戶站

控制室、值班室、繼保室、電容器室、電抗器室等采用獨立冷熱源的多聯(lián)機空調系統(tǒng)或分體空調系統(tǒng)。室內機、冷媒管、冷凝水管避開電氣設備上方布置，以防止可能的漏水隱患。

4 節(jié)能分析

4.1 不同開機策略實現(xiàn)最大節(jié)能

正常運行時，A 路冷凍水供水設定為12 ℃，群控系統(tǒng)根據(jù)室外濕球溫度，實現(xiàn)“完全機械制冷”、“部分自然冷卻”、“完全自然冷卻”三種運行模式的自動切換。設計理論切換濕球溫度：ts＞12 ℃，完全機械制冷模式；6＜ts≤12 ℃，部分自然冷卻模式；ts≤6 ℃，完全自然冷卻模式。模式轉換應根據(jù)室外濕球溫度及穩(wěn)定性、冷水機組、冷卻塔、板式換熱器、水泵等設備運行狀況綜合確定。

正常運行時，B 路冷凍水供水設定為12 ℃，群控系統(tǒng)根據(jù)室外干球溫度，實現(xiàn)“完全機械制冷”、“部分自然冷卻”、“完全自然冷卻”三種運行模式的自動切換。設計理論切換干球溫度：tg＞16 ℃，完全機械制冷模式；2＜tg≤16 ℃，部分自然冷卻模式；tg≤2 ℃，完全自然冷卻模式。模式轉換應根據(jù)室外干球溫度及穩(wěn)定性、冷水機組、水泵等設備運行狀況綜合確定。

利用華電源軟件導出逐時氣象參數(shù)，具體詳見圖1 和圖2。通過對于不同溫度的統(tǒng)計，得出A 路和B 路冷源的運行策略，詳見表5：

圖1 室外濕球溫度逐時分布圖

圖2 室外干球溫度逐時分布圖

表5 主機運行策略

從表5 可知，A 路完全自然冷卻的時間占全部時間的18.1%，部分自然冷卻的時間占全部時間的21.9%。B 路完全自然冷卻的時間占全部時間的4.9%，部分自然冷卻的時間占全部時間的40.8%。綜合自然冷卻時間占全部工作時間的11.5%左右。

4.2 模塊機房熱回收利用

鑒于數(shù)據(jù)機房常年有大量機房余熱可以利用，常規(guī)數(shù)據(jù)中心都是直接通過自然冷卻塔間接排至室外，而本項目運營管控樓及綜合樓空調冷、熱源均采用水源熱泵機組，制冷系統(tǒng)冷卻采用常規(guī)冷卻塔冷卻，制熱時回收模塊機房的余熱（中溫水），通過水源熱泵機組制備高溫水供空調系統(tǒng)使用，系統(tǒng)圖詳見圖3。

圖3 水源熱泵余熱回收系統(tǒng)示意圖

該設計的主要優(yōu)點，回收機房余熱，節(jié)能環(huán)保，綜合系統(tǒng)效率高，降低運行費用。項目投運初期熱回收量受機柜投用數(shù)量影響，設備初投資略高。根據(jù)負荷計算運營管控和綜合樓熱負荷需求1700 kW，如按平均發(fā)熱量6 kW/機柜計算，本項目理論上只需10.9%機柜數(shù)量運行即可完全滿足運營管控樓及綜合樓的冬季供熱需求。從而降低了運行費用，提升了項目的節(jié)能環(huán)保水平。

4.3 自然冷卻

本項目其中一路冷源采用螺桿式自然冷卻風冷冷水機組，更具室外溫度適時開啟自然冷卻模式，降低運行費用，具體運行策略參考4.1；另冷機房內設置免費板換系統(tǒng)，過渡季節(jié)使用。

4.4 蓄冷罐節(jié)能措施

采用有蓄冷能力的制冷系統(tǒng)后，有削峰填谷的潛力，即在電價高時少用或不用電，把蓄存的能量釋放出來使用，而在電價低時多用電，把制得的冷或熱量儲存起來。同時考慮本項目供電資源豐富，充分利用蓄冷系統(tǒng)，可最大程度上實現(xiàn)節(jié)約運行費用之目的。根據(jù)當?shù)胤骞入妰r政策，峰谷時段的電價比可達3.3:1，此每年節(jié)省的運行電費約2.01%左右。

5 結語

鑒于近些近數(shù)據(jù)機房的新擴建工程越來越多，國家對于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能要求越來越高，本文就項目的自身特點，采用自然冷卻運用自然冷卻系統(tǒng)，減少機械制冷運行時間，降低能耗。

1）根據(jù)室外干濕球溫度的變化，實現(xiàn)自然冷卻、機械冷卻的靈活切換，對于A、B 環(huán)路，完全自然冷卻的時間占全部時間分別達18.1%和4.9%，部分自然冷卻的時間占全部時間的21.9%和40.8%。綜合自然冷卻時間占全部工作時間的11.5%左右。

2）采用熱回收技術，充分利用數(shù)據(jù)機房的余熱以滿足生活區(qū)的熱負荷。

3）采用水蓄冷技術，以降低制冷系統(tǒng)運行電費。