某數據中心空調系統冷源系統設計與優化研究

摘 要：數據中心基于系統運行穩定的考慮，每年需要耗費大量能源維持室內溫度，為了降低空調能耗，需要針對數據中心設計更加節能、經濟的冷源系統。本文以某數據中心工程項目為例，結合冷源系統的選型及運行模式分析了系統的節能效果，為數據中心等高耗能項目冷源方案比對提供參考。

關鍵詞：數據中心;經濟性;節能設計;冷源系統

中圖分類號：TU831.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2022）02-0092-04

0 引言

統計結果表明，暖通空調系統在數據中心的能耗能夠達到建筑整體能耗的40%左右，而冷源系統則能夠占據70%的暖通空調能耗。數據中心設計階段，相關單位需要充分考慮冷源系統能耗過高引發的經濟性問題，積極采取節能、可靠的冷源系統設計方法，滿足數據中心可靠運行的同時降低運行成本。

1 工程概況

本文以某數據中心項目為例，該項目為一幢獨立建筑。三層、四層網絡核心機房、核心及存儲機房、標準服務器機房、一、二層標準服務器機房均采用冷凍水型機房專用精密空調機組，采用2N設置，精密空調機組置于服務器機房兩側的空調機房內，單側送風。兩側機房分別為A、B兩路，A路精密空調冷源接自水冷冷水機組，B路精密空調冷源接自風冷冷水機組，A、B兩路精密空調機組互為備用。機房內效果圖如圖1所示。

冷源系統水冷及風冷系統如圖2、圖3所示。

2 室內外氣象參數

2.1 室外設計參數（見表1）

2.2 室內設計參數（見表2）

3 空調冷源系統

3.1 冷源系統選擇

系統設置AB兩路獨立冷源，A路為水冷冷源系統，B路為風冷源系統。

其中，水冷冷源系統中，冷凍站設置在建筑二層的冷凍機房內。設計2臺500冷凍的水冷離心式變頻冷水機組和3臺1 000冷凍的水冷離心式冷水機組，2臺7 500 kW板式換熱器。冷水機組與水泵1對1連接，與板式換熱器通過閥門切換可實現正常制冷、預冷、免費制冷三種工況。開式冷卻塔置于四層屋頂。根據室外濕球溫度和冷卻水供水溫度大小調整冷凍水系統的運行模式。夏季運行參數為：冷凍水供回水溫度12/18 ℃，選型工況10/16 ℃，冷卻水供回水溫度32/37 ℃;冬季運行參數為：冷凍水供回水溫度12/18 ℃，選型工況10/16 ℃，冷卻水供回水溫度10.5/16.5 ℃。

風冷冷源系統中，冷凍站位于建筑屋面，設計了12臺340冷噸風冷螺桿式冷水機組和12臺冷凍水泵，冷水機組與水泵1對1連接。運行參數為：冷凍水供回水溫度12/18 ℃，選型工況10/16 ℃，室外溫度40 ℃，可在45工況下運行。

水冷冷源系統設計5個70 m3水蓄冷閉式儲罐，風冷冷源系統設計4個70 m3水蓄冷閉式儲罐置于地下室。緊急情況下與冷凍水泵串聯，可滿足系統15 min冷量需求。

3.2 冷源系統運行制冷模式

3.2.1 水蓄冷系統運行策略

（1）運行模式。水冷系統具有三種制冷運行模式，分別為正常制冷、預冷，完全自由冷卻（免費制冷模式）[1]。

正常制冷模式：當室外濕球溫度t>12 ℃（可調），并且冷卻水供水溫度高于冷凍水回水溫度時，冷機工作，板式換熱器不工作，系統為正常制冷模式。冷卻水供回水總管之間裝設電動調節閥M3，用于調節冷卻水供水溫度，可保證冬季冷機運行時冷卻水溫度不低于18 ℃。冷卻塔風機運行頻率與臺數根據出水溫度與室外濕球溫度的逼近度控制，當低于設定值（通常為3 ℃，可調），增加風機頻率， 當頻率達到45 Hz時開啟下一臺風機，直至風機全部打開;當低于設定值，減小風機頻率，當頻率低于25 Hz時關閉一臺風機，直至風機全部關閉。冷卻水泵根據冷卻水供回水溫度及冷機負荷控制變頻，變頻上下限需保證冷機冷凝器流量在最大和最小流量范圍內，且不低于25 Hz，變化速率不超過30%/min。

預冷模式：過渡季及冬季，當室外濕球溫度6～12 ℃（可調），冷卻塔出水溫度低于冷凍水回水溫度（18 ℃）1.5 ℃時，此時可以采用預冷模式。此模式中，冷凍機與板式換熱器同運行，但前者承擔的負荷范圍在30%～70%，能夠有效降低電能消耗。冷卻水泵根據板換出口冷卻水溫度控制變頻，使進入冷機的冷卻水溫度不低于15.5%（可調），變頻上下限需保證冷機冷凝器流量在最大和最小流量范圍內，且不低于25 Hz，變化速率不超過30%/min。

完全自由冷卻模式：冬季，當室外濕球溫度低于6 ℃，冷卻塔出水溫度低于冷凍水供水溫度（12 ℃）1.5 ℃時， 可以采用完全自由冷卻模式。在此模式下，板式換熱器代替冷凍機與冷卻塔進行熱交換制備冷凍水，冷凍機完全停止運行。

（2）控制方法。電磁閥控制：上述三種運行模式的具體控制方式如表3所示，表中K1～K8代表電磁閥，可以控制閥門開關，M1～M2代表電動調節閥，能夠對閥門進行調節，在完全自由冷卻模式下根據冷凍水的出水溫度控制開度。

蓄冷罐控制：正常運行及蓄冷罐充冷時，電動調節閥M4開度95%、M5開度5%，實現M4與M5聯動，開度具體可調。斷電時M5開、M4關，使蓄冷罐的冷凍水供至末端應急。

冷凍水循環泵的控制：冷凍水泵為變頻，采用定壓差，變流量方式運行，通過測量供/回水管干管末端上的壓力差平均值決定泵運行頻率。變頻上下限需保證冷機蒸發器流量在額定流量110%～50%，變化速率不超過30%/min。冷凍水供回水主管設有電動旁通閥，保證主管流量不低于單臺運行冷機額定流量50%。

冷機的群控：冷水機組運行臺數控制，根據冷水機組最佳負荷系統（70%～90%）編程進行自動增減冷機運行臺數。系統管理器監測供回水管上的溫度及供水管的流量傳感器并計算末端需冷負荷，同時監測從制冷機組控制器發來的額定產冷量的信號，當計算負荷達到運行的額定容量的90%持續時間5 min（可調），系統管理器將開啟下一組制冷機組。當冷負荷下降到低于設定值，持續時間5 min（可調），系統管理器將逐步 關閉制冷單元組，同時根據啟動順序或者運行時間選擇逐步關閉適當的制冷單元組。不同運行臺數工況下的設定值不同。當一套制冷單元出現故障，啟動備用制冷單元，備用制冷單元按現行模式運行。冷凍機控制盤內所有的數據均引至值班控制室，值班控制室遠程控制冷水機組冷凍水出水溫度。

冷凍站設備的運行狀態及主要工作參數及報警信號均引至控制室集中監控室。每臺冷水機組均自帶控制柜，具有對本機的控制及對相配的冷卻塔，冷卻水泵，冷凍水泵聯鎖起停的功能，和對運行參數的監測功能。起動順序為冷卻水泵—冷卻塔電動蝶閥十風機—冷凍水泵—冷凍機。停機順序與起動順序相反[2]。

3.2.2 風冷系統運行策略

每臺風冷冷水機組均自帶控制柜，具有對本機的控制及水泵聯鎖起停和對運行參數的監測功能。全部風冷冷水機組及配套的冷凍循環泵集中采用群控方式，可根據冷負荷的變化，自動開停機，進行臺數控制和負荷分配，優化系統運行。風冷冷水機組設備的運行狀態及主要工作參數及報警信號均引至控制室集中監控。起動順序為冷凍水泵-電動蝶閥及風冷冷水機組;停機順序與起動順序相反。加藥裝置和定壓裝置具有對運行參數的監測功能[3]。

4 經濟性分析

該數據中心的空調冷源系統在風冷冷源的基礎上應用了水冷冷源，兩者互為備用提升了系統的運行穩定性，兩冷源系統分別配置了5個70 m3的水蓄冷儲罐和4個70 m3的水蓄冷儲罐，能夠滿足系統在緊急情況下的冷量需求。水冷系統設置的三種制冷模式中，免費制冷模式即完全自由冷卻模式能夠結合室外溫度情況對冷凍機進行啟停控制，有效降低系統制冷能耗。同時，系統借助冷凍水變頻泵實現對冷量的快速控制，有效規避了負荷與輸出不匹配等問題，提升了系統的IPLV等系數。此外，系統結合峰谷電價對設備用電情況進行規劃控制，實現了電費的有效節約。

5 結語

企業需要充分考慮數據中心的空調耗能情況，基于經濟、節能的運行目標對空調冷源系統進行優化設計，合理應用水蓄冷系統，通過蓄冷、自由冷卻模式、變頻控制實現對能耗的可靠控制，同時也需要考慮峰谷電價對電費的影響，實現對數據中心空調能耗費用支出的有效控制。

參考文獻

[1] 潘志強，李岑，田志景，等.數據中心空調系統節能措施淺析[J].中國設備工程，2021（23）：263-264.

[2] 鄭竺凌，黃璜，張玉燕，等.南方某水冷數據中心冷卻系統高能效因素分析[J].暖通空調，2021，51（s2）：231-235.

[3] 譚志波，于振峰.深圳某商業項目空調冷源配置方案對比分析[J].暖通空調，2021，51（s1）：270-273.

On Design and Optimization of Cold Source System of Air Conditioning System in a Data Center

WANG Shengxian

（Ningbo Urban Construction Design and Research Institute Co.， Ltd.， Ningbo? Zhejiang? 315000）

Abstract： With view to the stable operation of the system， the data center needs to consume a lot of energy to maintain the indoor temperature every year. A more energy-saving and economical cold source system for the data center is greatly needed to reduce the energy consumption of air conditioning. Taking a data center project as an example， combined with the selection and operation mode of the cold source system， this paper analyzes the energy-saving effect of the system so as to provide a reference for the comparison of cold source schemes of high energy consuming projects.

Keywords： data center; economy; energy saving design; cold source system

收稿日期：2021-12-02

作者簡介：王勝賢（1979—），男，江西瑞昌人，碩士，高級工程師，研究方向：暖通空調。