數據中心空調系統設計

陶紅濤

（安徽電信規劃設計有限責任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

數據中心具有設備發熱量大、單位面積冷負荷大以及對空調系統的依賴性強等特點，空調系統的運行穩定性和可靠性對保證數據中心核心設備的正常工作至關重要。為了保證通信設備和服務器的安全穩定運行，空調系統需要24 h 不間斷運行。因此，在確保系統安全運行的前提下，合理的空調系統設計對均衡初始投資、降低生產能耗極其重要。數據中心的空調系統設計應根據數據中心整體設備制冷要求、建設標準等級要求及能耗指標要求等，結合空調系統建設的初始投資和后期運行費用，設計最佳的空調形式，實現數據中心空調系統安全可靠、綠色節能。總體上，空調系統按使用場景分為2 類。第一類為工藝型，其目的是保證數據中心設備機房的制冷需求和濕度要求，如互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）主機房、電力電池室等；第二類為舒適型，其目的是保證室內環境的舒適度，提高工作效率，如監控室、企業總控中心（Enterprise Command Center，ECC）等。由于數據中心中工藝型空調起關鍵性作用，因此對于常見3種工藝性空調系統即間接蒸發冷卻空調系統、自然冷卻風冷冷凍水空調系統、水冷冷凍水空調系統設計進行闡述，并對其優劣勢進行對比分析。

1 間接蒸發冷卻空調系統

間接蒸發冷卻空調系統利用直接蒸發冷卻后的空氣（稱為二次空氣）和水，通過換熱器與室外空氣進行熱交換，實現新風（稱為一次空氣）冷卻。

間接蒸發冷卻系統的設備構件包括空氣-空氣熱交換器、室內EC 風機-室外EC 風機、水噴淋系統、補充制冷系統以及電控系統等。數據中心設計中，間接蒸發冷卻機組可以放置在屋頂或者室外，采用彌漫送風方式，直接送至數據中心主機房內；回風通過機柜封閉的熱通道及熱回風夾層直接回至空調設備內。氣流組織為下送風和上回風。間接蒸發冷卻空調有3種運行模式，分別為干模式、濕模式及帶有補充制冷的濕模式。

1.1 3 種運行模式

（1）干模式。室外干球溫度在16 ℃（可調）或以下時，空調系統在此模式下運行。

（2）濕模式。室外干球溫度在16 ℃（可調）以上，濕球溫度在19 ℃（可調）以下時，空調系統在此模式下運行。

（3）帶有補充制冷的濕模式。室外濕球溫度在19 ℃（可調）以上時，空調系統在此模式下運行。

1.2 間接蒸發冷卻空調系統溫度控制

空調系統通過機房冷通道內的溫度敏感元件反饋信息，自動調節系統的風機、噴淋水泵、壓縮機等運行狀態，以達到房間溫度要求。

當室外溫度在16 ℃（可調）以上時，室內送風目標溫度達到設定值之上，系統自動開啟噴淋系統進行蒸發冷卻以達到溫度要求。

當室外濕球溫度在19 ℃（可調）以上時，補充制冷直膨冷卻被激活，壓縮機將分階段調整以達到溫度要求。

1.3 間接蒸發冷卻空調系統濕度控制

空調系統通過冷通道送風區內的濕度敏感元件反饋信息，自動調節濕膜加濕器運行狀態，以達到送風濕度要求。當室外溫度低于2 ℃時（可設），水槽排水球閥打開，管路排水球閥打開，清空系統中存水。

間接蒸發冷卻空調系統的進回風量比較大，因此對進回風管道和機房層高都有很高的要求。對于新建數據中心，需要在土建設計階段充分考慮，規劃好進回風路由，同時設置好進回風管道。對于改造類數據中心，間接蒸發冷卻空調系統比較適用于單層建筑物，同時室外需要有足夠空間放置空調機組。

2 自然冷卻風冷冷凍水空調系統

自然冷卻風冷冷凍水空調系統主要由風冷冷水主機、水泵及空調末端等組成。風冷冷水主機通過液態制冷劑在其蒸發器盤管內直接蒸發（膨脹），對盤管外的冷凍水吸熱而制冷，制冷系統中氣態制冷劑通過風冷的方式冷卻為液態[1]。自然冷卻風冷冷凍水空調系統的3 種運行模式如下文所述，見圖1。

圖1 3 種運行模式

（1）室外環境溫度低至可供所有室內設備需要的冷量時，自然冷卻水泵開始運行。冷凍水回水經過自然冷卻盤管，室內所需冷量全部由室外冷空氣自然冷卻供給。此時，風機開啟，壓縮機停止工作。

（2）室外環境溫度低于冷凍水一定溫度時，部分使用自然冷卻。自然冷卻水泵運行，冷凍水回水經過自然冷卻盤管預冷。壓縮機和風機同時開啟，壓縮機輸出部分能力。

（3）室外環境溫度較高不能使用自然冷卻，自然冷卻水泵停止運行，自然冷卻盤管不工作，壓縮機和風機同時開啟，壓縮機輸出100%能力[2]。

由于冬季自然冷卻時可能會遇到極端低溫天氣，冷凍水有上凍風險，需要冬季對冷凍水加注乙二醇溶液，從而影響室內換熱效率，增加水泵功耗。當室內環境要求不能采用乙二醇溶液循環時，可選擇冷凍水（純水）循環的機組。自然冷卻風冷冷水機組可以應用一體化設計，機組內置自然中間換熱器、冷卻盤管、膨脹罐、乙二醇水泵等自然冷卻功能的配件，并且室外主機內的自然冷卻盤管可在出廠前充注好乙二醇溶液。室內的冷凍水（純水）通過中間換熱器（板換）與室外的乙二醇溶液循環換熱。

自然冷卻風冷冷凍水空調系統的優點如下：空調形式沒有冷卻水系統，消耗水資源極少。與水冷冷凍水系統相比，少一個冷卻水系統，設備種類較少、無共用管路、故障類型明確、機組之間互無影響且維護要求低，因此對維護人員的要求也較低，僅需要少量的維護人員[3]。

自然冷卻風冷冷凍水空調系統的缺點如下：夏季主機較水冷機組能耗較高，風冷主機噪聲較大。外機采用風冷，夏季易出現高壓情況。因此，適合缺水，同時夏季氣溫不高、冬季氣溫低的區域。

3 水冷冷凍水空調系統

水冷冷凍水空調系統包含冷卻水系統和冷凍水系統2 個水系統，主要由水冷冷水機組、冷卻塔、冷凍水泵、定壓補水系統、冷卻水泵、水處理設備、冷凍水空調末端及管路閥門等組成。

水冷冷凍水空調系統的優點如下：空調系統整體能效比高，系統耗電費用低。該系統采用冷卻塔方式散熱，冷卻塔一般設置在樓頂層，因此占地面積小，同時散熱效果較好。系統離心壓縮能效高，冬季可使用板換充分利用自然冷然，實現免費供冷，系統有很高的總體調配能力，同時對建筑外立面造型無影響。

水冷冷凍水空調系統的缺點如下：投資高，尤其是初次投資；設備種類多，系統架構和控制較復雜，維護工作量大，需要專門的維護管理人員。冷凍水供、回水管道存在泄漏隱患，因此在設計時需采用設備備份、環網或者雙系統來解決可靠性問題，同時采取適當的防范措施，避免水患。另外，嚴寒地區需考慮防凍問題[4,5]。

4 案 例

本次數據中心在充分滿足工藝要求的前提下，采用空調系統的新技術、新方法，保障空調系統的利用率高、節能、環保以及生產的順利運行。結合數據中心建設等級要求及當地氣候特點，該數據中心項目空調系統采用集中水冷冷凍水空調系統，冬季和過渡季節采用開式冷卻塔和板式換熱器提供免費冷源。

4.1 系統配置

本項目在數據中心樓一層設置冷凍站。冷凍站設置冷水主機、循環水泵、板式換熱器，冷卻塔設置于樓頂位置，所有設備均按N+1 方式配置。為滿足能效要求，冷水主機、循環水泵和冷卻塔風機等均采用變頻電機，以此提高部分負荷的性能指標。

4.2 空調水系統管路

本次冷凍水系統采用二次泵變流量機械循環系統，制冷機房內冷凍水主系統成環狀布置，冷凍水一次泵和冷卻泵采用一泵對應一主機的系統，各數據中心主機房循環水系統均為環狀供水，空調末端支管均通過閥門分隔，保證單點故障時仍可在線維護。機房樓干線管路采用2N結構，從冷凍站引2 路干線管路到每個樓層，從而保證任意一套干線管路故障，不影響機房空調系統的安全穩定運行。

4.3 自然冷卻系統

本次空調系統每臺水冷離心機組配套一臺板式換熱器（換熱量同空調主機），充分利用過渡季節或冬季較低的室外冷源，通過冷卻塔及板式換熱器提供冷源。冷水機組和板換的管道連接方式為串并聯設計，可減少冷凍機組開啟時間，提高冷水機組的制冷效率，降低能源消耗。

4.4 系統冷凍水和冷卻水系統管網

冷凍水系統采用二次泵變流量系統、冷卻水系統采用一次泵變流量系統，水泵采用變頻調節，達到節能的目的。

數據中心大樓的管網部分，干線管路采用2N結構，從冷凍站引2 路干管到每個樓層，保證任意一套干管故障，不影響機房空調系統的運行。數據中心的樓層管路（冷凍水），在每層樓的空調機房，采用環網方式，每個機房專用空調的供回水管分別連接到供水環網和回水環網上，保證環網任意一點故障，不影響機房專用空調的正常運行。為保證系統節能運行，數據中心冷卻塔風機、水泵等均配套變頻控制。

4.5 連續制冷系統

本次冷凍水系統按建設等級要求，配置應急蓄冷罐，蓄冷罐采用開式罐。該系統可保障市電中斷后，從油機啟動至冷水機組恢復運行這段時間空調系統供冷問題（用電均由不間斷電源保障），以保證空調系統與通信設備不間斷的同步運行，蓄冷保障時間不小于15 min。

4.6 應急補水系統

本次應急補水系統考慮1 路獨立水源，同時設置應急補水池，應急補水池的蓄水容量按12 h 用水需求考慮。

5 結 論

數據中心的空調系統與常規民用舒適性空調不論在安全可靠性，還是綠色節能方面有很大區別。對于區域氣候不同、建設規模不同、建設要求不同以及設備負荷密度不同的數據中心，采用何種形式的空調系統，要結合各種空調形式的適應場景和當地的氣候、環境條件，充分分析、綜合考慮，經充分技術論證后確定。