數據中心雙冷源列間空調系統設計與實測分析

田振武 張金輝 黃 翔 褚俊杰 王 麗 呂申龍 陸曉宇

（1.中通服咨詢設計研究院有限公司 南京 210019；2.西安工程大學 西安 710048）

0 引言

列間空調是專門為數據中心和通信機房設計的一種空調末端，主要適用于單機柜耗電6-10kW之間的中高熱密度數據中心，與房間級空調冷卻系統相比，更貼近熱源不易產生局部過熱問題，且風系統阻力小，是一種節能高效的空調冷卻形式[1]。近年來，隨著數據中心機柜功率日益上升以及國家對數據中心等重點能耗領域的節能要求，不同形式的列間空調方案也應運而生[2,3]。目前行級列間空調應用的三種主要類型是冷水式、直接膨脹式以及熱管式[4]。水氟換熱和氟氟換熱雙冷源列間空調系統是冷水式與直接膨脹式相結合的列間空調冷卻方案，可使用15℃的中溫冷水，熱量交由冷水機組集中處理可達到日常運行節能的目的，而且水氟主機與末端列間空調通過氟泵或熱管系統連接，機房內部沒有進水風險。近年來，列間空調冷卻方案逐漸被推廣應用，但是針對列間空調方案以軟件模擬分析為主，實際應用測試分析并不多見[5-8]，本文以實際工程測試的基礎上對一種雙冷源列間空調方案進行測試分析。

1 制冷方案

1.1 工程概況

本工程位于蘇州，地上建筑面積40938m2，地上8 層，1 層為制冷機房，2～8 層為數據機房及其配套電力室。項目整體規劃3724 個機柜，計算總冷負荷27358kW，其中3 層某機房為客戶核心機房，共90 個機柜，單機柜功率8.8kW，采用雙冷源列間空調系統制冷方案。

制冷機房配置10kV 高壓變頻離心式冷水機組，末端供回水溫度為15/21℃，冷卻水供回水溫度為32/37℃。當冷卻塔能提供小于14℃冷卻水時，冷水機組停機，采用冷卻塔+板換采用完全自然冷卻運行；當冷卻塔能提供14℃～20℃的冷卻水時，采用板換+冷水機組部分自然冷卻；當冷卻塔出水溫度大于20℃，采用冷水機組供冷。

1.2 制冷系統

核心機房制冷系統采用水冷水氟換熱主機+水氟列間空調、風冷氟氟換熱主機+氟氟列間空調雙制冷系統的形式，如圖1 所示。該制冷系統日常主用水氟換熱主機+水氟列間空調模式，當水氟換熱主機或水氟列間故障或需要檢修時，開啟氟氟換熱主機+氟氟列間空調模式。

圖1 雙冷源列間空調系統Fig.1 Double-cooling compartment air conditioning system

水氟列間與水氟換熱主機之間用制冷劑銅管連接，在液相管路中利用液泵驅動該制冷循環構成氟泵制冷系統，制冷劑通過循環將水氟列間所吸收的熱量傳遞到水氟換熱主機的板換中，板換再將熱量換熱給另一側的冷凍水系統。氟氟列間與氟氟換熱主機之間用制冷劑銅管連接，并與室外風冷冷凝器構成壓縮制冷循環。

1.3 空調參數配置

如圖2 所示，該機房內采用封閉熱通道的氣流組織形式，每列機柜面對面形成開放冷通道，每列機柜背對背形成封閉熱通道，列間空調送風溫度22℃，回風溫度35℃。每列機柜中設置4～5 組水氟列間和氟氟列間，機柜寬度800mm，深度1200mm，單臺列間空調寬度300mm，深度1200mm。水氟換熱主機與氟氟換熱主機設置于機房一側的空調間內。

圖2 雙冷源列間空調系統平面圖Fig.2 Plan of Double-cooling compartment air conditioning system

水氟換熱主機、氟氟換熱主機參數配置如表1所示，其中氟氟換熱主機內置雙壓縮機構成A、B兩個不同的路由，在沒有柱子的機柜列中A 路由配置3 個末端，B 路由配置2 個末端，水氟列間、氟氟列間空調參數配置如表2 所示。

表1 水氟換熱主機、氟氟換熱主機參數配置Table 1 Parameter configuration of Water-Freon and Freon-Freon heat exchanger

表2 水氟列間、氟氟列間空調參數配置Table 2 Parameter configuration of Water-Freon and Freon-Freon air conditioner

2 測試分析

2.1 測試條件

在核心機房綜合測試期間，在所有機柜中裝置假負載測試設備，假負載功率均高出單機柜設計功率4%～7%，每一列機柜假負載功率均勻設置波動不大于3%，即所有機柜中假負載功率均在9.15～9.42kW 之間。各水氟主機的進出水接管處安裝溫度傳感器，所有列間空調出風面、回風面均設置上下兩個溫度傳感器，溫度傳感器讀取數據精度為±0.1℃。所有溫度傳感器以及水氟主機進水閥、列間空調風閥均接入動環監控系統，數據在系統穩定十分鐘后記錄。

2.2 測試結果及分析

在核心機房的9 組水氟系統中抽取4 組做分析，各水氟主機運行參數如圖3 所示，各主機進水溫度基本保持一致，負載一定的情況下水閥開度越大回水溫度越低。從進出水溫度來看，水氟主機進出水溫差均在3-4℃，沒有達到設計值6℃。設計過程中，考慮水氟換熱主機水側壓降40kPa，水冷空調末端水側壓降62.2kPa，但是兩者同時并聯在同一供回水主管上，為了平衡兩者之間的阻力，水系統在水氟換熱主機處設有靜態平衡閥。但是，實際運行過程中靜態平衡閥未調試是全開啟狀態，根據公式（1）水氟換熱主機阻力較小，其流量偏大導致回水溫度底，從圖3 中也可以看出，調節水流量大小影響回水溫度，應通過靜態平衡閥平衡支管阻力。

圖3 水氟換熱系統主機運行參數Fig.3 Operation parameters of water-Freon heat exchanger

水系統管段壓力損失與水流量關系如式（1）所示：

式中：ΔP為管段壓力損失，Pa；S為與管段沿程阻力和幾何形狀有關的綜合阻力系數，kg/m7；Q為流量，m3/s。

各水氟系統列間空調運行參數如圖4 所示，整體上看，回風溫度普遍低于設計值35℃，且風閥開度均沒有超過80%，則說明機柜服務器在滿負荷運行時列間空調仍有一定余量。制冷量以列間空調出風量為載體，當送回風溫差一定時，風量越大制冷量越大。在四個水氟系統中都能看到風閥開度大的列間空調不僅風量大且回風溫度大，如公式（2），風閥開度大的列間空調吸收的熱量較多，空調出現“搶風”現象，導致熱量分布過于集中。

圖4 水氟換熱系統列間空調運行參數Fig.4 Operation parameters of Compartment air conditioning of Water-Freon systems

空調制冷量與風量關系如式（2）所示：

式中：Q為列間空調的制冷量，kW；m為列間空調出風量，kg/s；c為空氣的比熱，空氣在20-35℃之間，c取值1.013kJ/(kg·K)；t2為空調回風溫度，℃；t1為空調送風溫度，℃。

在核心機房的9 組氟氟換熱系統中抽取4 組做分析，各氟氟主機運行參數如表3 所示，由于每個氟氟換熱系統A 路由比B 路由多一個列間空調且每列列間空調均勻布置在機柜列間，導致A、B 路由的壓縮機功率不均衡，甚至出現部分壓縮機超載現象，因此不建議氟氟換熱系統的兩臺壓縮機帶載不同數量的列間空調。

表3 氟氟主機運行參數Table 3 Operation parameters of Freon-Freon heat exchanger

各氟氟換熱系統列間空調送風溫度的波動范圍在-4.4～+2.3℃之間（基于設計值），比水氟列間送風溫度波動大，雖然回風溫度基本能控制在設計值，但是氟氟列間的風閥開度整體較小且不相同，各列間空調送風溫差不均衡也是導致表3 中各系統A、B 路由的壓縮機功率差異性的原因。與水氟列間空調相似，如圖5 所示，氟氟列間空調也有風閥開度大吸收熱量多的“搶風”現象，例如一號系統A 路的3 號列間、二號系統A 路的2 號列間、三號系統A 路的2 號列間、四號系統A 路的2 號列間比同路的其他兩個列間的風閥開度大且送回風溫差大，熱量匯聚到同一列間空調的熱量變大，造成同列機柜熱量不均衡，這也是導致局部熱點產生的原因。

圖5 氟氟換熱系統列間運行參數Fig.5 Operation parameters of Compartment air conditioning of Freon-Freon systems

3 結論

（1）要適當通過增加水管平衡閥等設置來平衡阻力較小的水氟換熱主機，提高水氟換熱主機的回水溫度，同時避免水系統在其他部位的流量不夠等現象。

（2）在列間空調實際運行過程中，風閥開度要考慮機柜負荷分布位置，同列之中風閥開度大的列間空調吸收的熱量越多。

（3）為均衡氟氟換熱系統的兩路壓縮機，建議將同一系統的氟氟列間空調負載率調均勻，同時不建議同一系統的兩路壓縮機帶不同的負載。