某嚴(yán)寒缺水地區(qū)大型數(shù)據(jù)中心暖通設(shè)計(jì)

王桂坤

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)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(shù)據(jù)中心園區(qū)位于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶甘肅黃金段中部，一期總建筑面積約50 000 m2，包括兩棟數(shù)據(jù)中心、兩棟動(dòng)力中心、一棟集控中心以及一棟維護(hù)支撐中心。綜合考慮政府、大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、中小企業(yè)對(duì)機(jī)房等級(jí)的要求，一期可租用機(jī)柜有5 086個(gè)，單機(jī)柜平均功率為4.2 kW。目前，項(xiàng)目已經(jīng)通過國(guó)標(biāo)A級(jí)和Uptime Institute Tier Ⅲ設(shè)計(jì)認(rèn)證。

金昌地區(qū)屬大陸性溫帶干旱氣候，光照充足、降水量少、干燥多風(fēng)且蒸發(fā)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(qū)域年均蒸發(fā)量是降水量的18倍，是全國(guó)110個(gè)重點(diǎn)缺水城市和13個(gè)資源型缺水城市之一。較低的室外溫度大大增加了數(shù)據(jù)中心自然冷源的利用時(shí)間，但是復(fù)雜多變的室外氣象條件給數(shù)據(jù)中心的暖通設(shè)計(jì)帶來了很大的難度。

2 技術(shù)方案

2.1 空調(diào)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心有著高負(fù)荷和需全年供冷的特點(diǎn)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)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(diǎn)、綠色節(jié)能要求以及工程投資等諸多因素，本數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷源采用集中式冷凍水空調(diào)系統(tǒng)。

考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、照明和人員負(fù)荷以及相關(guān)專業(yè)提供的最終滿配置情況下數(shù)據(jù)設(shè)備的裝機(jī)容量，計(jì)算確定整棟數(shù)據(jù)中心的空調(diào)冷負(fù)荷。

2.1.1 冷負(fù)荷計(jì)算

機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷Q=Q1+Q2，其中Q1為設(shè)備散熱量，Q2為由機(jī)房外墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)輻射、人員及照明等因素引起的冷負(fù)荷。經(jīng)計(jì)算，單棟數(shù)據(jù)中心空調(diào)總冷負(fù)荷13 287 kW。

2.1.2 冷源的選擇

根據(jù)金昌地區(qū)氣候條件，綜合考慮節(jié)能、節(jié)水、降低投資、便于維護(hù)以及安全性等因素，結(jié)合工藝需求，本項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)采用50%帶自然冷卻的蒸發(fā)冷凝冷凍水機(jī)組+50%帶自然冷卻的風(fēng)冷冷凍水機(jī)組的冷源形式，冷凍水系統(tǒng)供/回水溫度12/18 ℃，屋頂設(shè)置空調(diào)水泵房。每棟數(shù)據(jù)中心設(shè)置6臺(tái)（5+1備份）單臺(tái)制冷量為1 489 kW的帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組，對(duì)應(yīng)4臺(tái)（3+1備份）冷凍水泵，UPS保障；8臺(tái)（7+1備份）單臺(tái)制冷量為900 kW的帶自然冷卻的蒸發(fā)冷水機(jī)組，對(duì)應(yīng)5臺(tái)（4+1備份）冷凍水泵，UPS保障。

為保障市電斷電時(shí)的不間斷供冷，設(shè)置滿足系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心設(shè)置4臺(tái)，單臺(tái)140 m3，室外埋地安裝。設(shè)置蒸發(fā)冷卻補(bǔ)水應(yīng)急水池，保障市政停水24 h的補(bǔ)水需求，水池容積為200 m3。

為充分利用冬季及過渡季節(jié)室外冷源，系統(tǒng)根據(jù)室外溫度情況分3種工況運(yùn)行。一是機(jī)械制冷；二是部分自然冷卻；三是完全自然冷卻，三者可根據(jù)室外溫度自動(dòng)切換。

空調(diào)冷凍水系統(tǒng)溫度設(shè)置為12/18 ℃冷凍水，可提高機(jī)組運(yùn)行效率及自然冷卻技術(shù)的使用時(shí)間。根據(jù)金昌地區(qū)室外氣象條件，全年可利用室外自然冷源時(shí)間達(dá)到5 590 h，占全年運(yùn)行時(shí)間的63.8%。

空調(diào)系統(tǒng)水路的設(shè)計(jì)滿足無(wú)單點(diǎn)故障要求。在空調(diào)水泵房側(cè)采用分集水器，在末端干管采用環(huán)狀管路設(shè)計(jì)，以滿足數(shù)據(jù)機(jī)房區(qū)在線維護(hù)需求。

2.1.3 空調(diào)配置

空調(diào)末端低密機(jī)房采用冷凍水型房間級(jí)精密空調(diào)，N+1配置，下送風(fēng)上回風(fēng)；高密機(jī)房采用冷凍水型行級(jí)空調(diào)，每個(gè)冷通道內(nèi)N+1配置，前送風(fēng)背回風(fēng)；UPS間采用冷凍水型房間級(jí)精密空調(diào)，N+1配置，上送風(fēng)前（背）回風(fēng)；電池間及運(yùn)營(yíng)商接入室采用冷凍水型房間級(jí)精密空調(diào)，N+1配置，上送風(fēng)前回風(fēng)。機(jī)房均采用冷通道封閉系統(tǒng)，提高制冷效率。低密機(jī)房同時(shí)配置濕膜加濕機(jī)組，高密機(jī)房加濕考慮行級(jí)空調(diào)自帶加濕。

2.2 供暖系統(tǒng)

2.2.1 供暖系統(tǒng)概述

園區(qū)一期設(shè)置集中供暖系統(tǒng)，維護(hù)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?zé)崴S護(hù)支撐用房其他房間、集控中心、數(shù)據(jù)中心以及動(dòng)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(wǎng)

園區(qū)一期散熱器供暖系統(tǒng)總熱負(fù)荷為999 kW，熱源由兩臺(tái)電熱真空熱水機(jī)組提供，后期采用市政供熱管網(wǎng)，圍墻預(yù)留接至市政熱網(wǎng)接口。輻射供暖系統(tǒng)總熱負(fù)荷為500 kW，熱源由水源熱泵機(jī)組（單臺(tái)制熱量590 kW）提供。電熱真空熱水機(jī)組及水源熱泵機(jī)組均設(shè)置在A1數(shù)據(jù)中心地下室內(nèi)。

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(shè)方式，覆土厚度不小于0.5 m。室外供暖管道應(yīng)盡量采用自然補(bǔ)償。當(dāng)自然補(bǔ)償不能滿足要求時(shí)，采用波紋補(bǔ)償器補(bǔ)償。

3 節(jié)能措施

一是采用蒸發(fā)冷凝冷凍水機(jī)組，綜合水冷和風(fēng)冷的優(yōu)勢(shì)，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(jī)組回收機(jī)房余熱。冬季水源熱泵機(jī)組冷凝側(cè)制備供暖所需熱水，同時(shí)蒸發(fā)側(cè)產(chǎn)生的冷水可直接為數(shù)據(jù)中心供冷。一方面利用機(jī)房余熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)供暖能源消耗，另一方面大幅降低數(shù)據(jù)中心完全自然冷卻階段機(jī)組和水泵的運(yùn)行功耗。三是充分考慮采用水蓄能技術(shù)。前期數(shù)據(jù)中心上架率低的情況下，夜間低谷段進(jìn)行蓄冷，白天平時(shí)段進(jìn)行放冷，能夠有效降低制冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。四是利用自然冷卻技術(shù)。金昌地區(qū)溫度13 ℃以下時(shí)長(zhǎng)達(dá)5 590 h，占全年總時(shí)長(zhǎng)的63.8%，室外自然冷源較為豐富。在低溫季節(jié)和過渡季節(jié)，壓縮機(jī)將停止工作，充分利用自然冷源，可降低空調(diào)系統(tǒng)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(jī)效率，冷凍水溫度每提高1 ℃，空調(diào)效率約提高3%左右，空調(diào)主機(jī)能效提高15%～30%，系統(tǒng)節(jié)能率約提高5%～10%。另一方面可增加自然冷源利用時(shí)長(zhǎng)，大幅減少機(jī)械制冷時(shí)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(diào)系統(tǒng)用電容量，進(jìn)而減少投資。七是采用獨(dú)立的濕膜加濕。摒棄傳統(tǒng)的電極加濕方法，采用無(wú)功耗且獨(dú)立的濕膜加濕，通過供水管路或者循環(huán)水系統(tǒng)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(rùn)濕。當(dāng)空氣穿過潮濕的濕膜時(shí)，濕度增加，溫度降低，在這個(gè)過程中，濕膜上的少量水被蒸發(fā)掉，但是不消耗額外的能源。八是提高回風(fēng)溫度。空調(diào)回風(fēng)溫度提升1 ℃，制冷量將增長(zhǎng)6%左右，可有效降低風(fēng)機(jī)功耗。九是采用變頻技術(shù)。機(jī)組、水泵以及末端風(fēng)機(jī)等選用變頻技術(shù)可滿足部分負(fù)荷時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的高效性。十是制定合理的群控方案，以保證機(jī)房溫度和濕度控制在合理范圍。

4 結(jié) 論

本項(xiàng)目根據(jù)金昌氣候條件、水資源條件以及工藝需求進(jìn)行綜合考慮，空調(diào)系統(tǒng)采用帶自然冷卻的蒸發(fā)冷凝冷凍水系統(tǒng)和風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)，同時(shí)配置水源熱泵進(jìn)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(duì)嚴(yán)寒缺水地區(qū)大型數(shù)據(jù)中心是一種行之有效的設(shè)計(jì)方案，可供其他類似項(xiàng)目借鑒參考。