某嚴寒缺水地區大型數據中心暖通設計

王桂坤

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 工程概況

甘肅金昌某大型數據中心園區位于絲綢之路經濟帶甘肅黃金段中部，一期總建筑面積約50 000 m2，包括兩棟數據中心、兩棟動力中心、一棟集控中心以及一棟維護支撐中心。綜合考慮政府、大型互聯網企業、中小企業對機房等級的要求，一期可租用機柜有5 086個，單機柜平均功率為4.2 kW。目前，項目已經通過國標A級和Uptime Institute Tier Ⅲ設計認證。

金昌地區屬大陸性溫帶干旱氣候，光照充足、降水量少、干燥多風且蒸發量大，海拔高度為1 976.1 m，年平均氣溫為5 ℃，極端最高氣溫為35.1 ℃，極端最低氣溫為-28.3 ℃，年日照率為51%～66%，年降水量為140～350 mm。區域年均蒸發量是降水量的18倍，是全國110個重點缺水城市和13個資源型缺水城市之一。較低的室外溫度大大增加了數據中心自然冷源的利用時間，但是復雜多變的室外氣象條件給數據中心的暖通設計帶來了很大的難度。

2 技術方案

2.1 空調系統

數據中心有著高負荷和需全年供冷的特點，對空調系統運行的安全性、可靠性以及適用性要求較高。充分考慮到建筑平面布局、地域氣候特點、綠色節能要求以及工程投資等諸多因素，本數據中心空調冷源采用集中式冷凍水空調系統。

考慮建筑圍護結構負荷、照明和人員負荷以及相關專業提供的最終滿配置情況下數據設備的裝機容量，計算確定整棟數據中心的空調冷負荷。

2.1.1 冷負荷計算

機房內空調計算冷負荷Q=Q1+Q2，其中Q1為設備散熱量，Q2為由機房外墻等圍護結構、太陽輻射、人員及照明等因素引起的冷負荷。經計算，單棟數據中心空調總冷負荷13 287 kW。

2.1.2 冷源的選擇

根據金昌地區氣候條件，綜合考慮節能、節水、降低投資、便于維護以及安全性等因素，結合工藝需求，本項目空調系統采用50%帶自然冷卻的蒸發冷凝冷凍水機組+50%帶自然冷卻的風冷冷凍水機組的冷源形式，冷凍水系統供/回水溫度12/18 ℃，屋頂設置空調水泵房。每棟數據中心設置6臺（5+1備份）單臺制冷量為1 489 kW的帶自然冷卻風冷冷水機組，對應4臺（3+1備份）冷凍水泵，UPS保障；8臺（7+1備份）單臺制冷量為900 kW的帶自然冷卻的蒸發冷水機組，對應5臺（4+1備份）冷凍水泵，UPS保障。

為保障市電斷電時的不間斷供冷，設置滿足系統15 min供冷要求的蓄冷罐。蓄冷罐采用臥式閉式承壓蓄冷罐，每棟數據中心設置4臺，單臺140 m3，室外埋地安裝。設置蒸發冷卻補水應急水池，保障市政停水24 h的補水需求，水池容積為200 m3。

為充分利用冬季及過渡季節室外冷源，系統根據室外溫度情況分3種工況運行。一是機械制冷；二是部分自然冷卻；三是完全自然冷卻，三者可根據室外溫度自動切換。

空調冷凍水系統溫度設置為12/18 ℃冷凍水，可提高機組運行效率及自然冷卻技術的使用時間。根據金昌地區室外氣象條件，全年可利用室外自然冷源時間達到5 590 h，占全年運行時間的63.8%。

空調系統水路的設計滿足無單點故障要求。在空調水泵房側采用分集水器，在末端干管采用環狀管路設計，以滿足數據機房區在線維護需求。

2.1.3 空調配置

空調末端低密機房采用冷凍水型房間級精密空調，N+1配置，下送風上回風；高密機房采用冷凍水型行級空調，每個冷通道內N+1配置，前送風背回風；UPS間采用冷凍水型房間級精密空調，N+1配置，上送風前（背）回風；電池間及運營商接入室采用冷凍水型房間級精密空調，N+1配置，上送風前回風。機房均采用冷通道封閉系統，提高制冷效率。低密機房同時配置濕膜加濕機組，高密機房加濕考慮行級空調自帶加濕。

2.2 供暖系統

2.2.1 供暖系統概述

園區一期設置集中供暖系統，維護支撐用房辦公、餐廳及公寓等房間采用地面輻射供暖方式，熱媒為45～35 ℃低溫熱水，維護支撐用房其他房間、集控中心、數據中心以及動力中心采用散熱器（鋼管三柱型）供暖方式，熱媒為85～60 ℃熱水。

2.2.2 供暖熱源及管網

園區一期散熱器供暖系統總熱負荷為999 kW，熱源由兩臺電熱真空熱水機組提供，后期采用市政供熱管網，圍墻預留接至市政熱網接口。輻射供暖系統總熱負荷為500 kW，熱源由水源熱泵機組（單臺制熱量590 kW）提供。電熱真空熱水機組及水源熱泵機組均設置在A1數據中心地下室內。

室外供暖管道均呈枝狀布置，接至每棟需供暖建筑物單體。供暖管道采用地溝敷設方式，覆土厚度不小于0.5 m。室外供暖管道應盡量采用自然補償。當自然補償不能滿足要求時，采用波紋補償器補償。

3 節能措施

一是采用蒸發冷凝冷凍水機組，綜合水冷和風冷的優勢，不僅大幅降低耗水量，而且大幅提升制冷效率。二是利用水源熱泵機組回收機房余熱。冬季水源熱泵機組冷凝側制備供暖所需熱水，同時蒸發側產生的冷水可直接為數據中心供冷。一方面利用機房余熱代替傳統供暖能源消耗，另一方面大幅降低數據中心完全自然冷卻階段機組和水泵的運行功耗。三是充分考慮采用水蓄能技術。前期數據中心上架率低的情況下，夜間低谷段進行蓄冷，白天平時段進行放冷，能夠有效降低制冷系統的運行費用。四是利用自然冷卻技術。金昌地區溫度13 ℃以下時長達5 590 h，占全年總時長的63.8%，室外自然冷源較為豐富。在低溫季節和過渡季節，壓縮機將停止工作，充分利用自然冷源，可降低空調系統能耗。五是采用高溫冷凍水，將供回水溫度提高至12/18 ℃。一方面大幅度提高主機效率，冷凍水溫度每提高1 ℃，空調效率約提高3%左右，空調主機能效提高15%～30%，系統節能率約提高5%～10%。另一方面可增加自然冷源利用時長，大幅減少機械制冷時間，降低PUE。六是提高冷凍水供回水溫差（6 ℃），減少水泵流量及輸送管道管徑，還可以減少空調系統用電容量，進而減少投資。七是采用獨立的濕膜加濕。摒棄傳統的電極加濕方法，采用無功耗且獨立的濕膜加濕，通過供水管路或者循環水系統將水送到濕膜頂部，水在重力作用下沿濕膜表面往下流，從而將濕膜表面潤濕。當空氣穿過潮濕的濕膜時，濕度增加，溫度降低，在這個過程中，濕膜上的少量水被蒸發掉，但是不消耗額外的能源。八是提高回風溫度。空調回風溫度提升1 ℃，制冷量將增長6%左右，可有效降低風機功耗。九是采用變頻技術。機組、水泵以及末端風機等選用變頻技術可滿足部分負荷時空調系統的高效性。十是制定合理的群控方案，以保證機房溫度和濕度控制在合理范圍。

4 結 論

本項目根據金昌氣候條件、水資源條件以及工藝需求進行綜合考慮，空調系統采用帶自然冷卻的蒸發冷凝冷凍水系統和風冷冷凍水系統，同時配置水源熱泵進行熱量回收及綜合利用，全年平均PUE值為1.32，平均WUE值為1.15。針對嚴寒缺水地區大型數據中心是一種行之有效的設計方案，可供其他類似項目借鑒參考。