某大型数据中心空调系统设计

杨毅

天津惠普数据中心设计工程有限公司

1 工程概述

本工程位于北京市顺义区，数据中心机房楼面积为51700m2，共6层，标准层层高6m，建筑总高度32.0m，耐火等级为一级，按一类高层电信建筑考虑。

2 设计计算参数

2.1 室外空气计算参数

GB50736[1]明确规定，当室内温湿度必须全年保证时，应另行确定空调室外计算参数。因此，数据中心的空调设计不能采用GB50736推荐的气象参数，而应考虑极端气象参数。北京市极端干球温度按夏季41.9℃，冬季-18.3℃，极端湿球温度31℃考虑。

2.2 室内设计参数

本数据中心各功能房间室内设计参数见表1。

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3 空调系统设计

3.1 冷源系统

根据《电子信息系统机房设计规范》GB50174[2]，电子信息设备耗电量的97%左右都转化为冷负荷，再考虑UPS损耗、PDU散热、围护结构、照明、人员等形成的冷负荷，最终计算得到数据中心机房楼总冷负荷为38.06MW。在机房楼的一层左右两侧设两个冷冻站作为主冷源，冷冻站主要设备见表2。每个冷冻站设计采用1100RT（3868kW）变频离心式冷水机组6台，5用1备。冷冻水采用一、二次泵系统，一次泵定流量运行，与冷水机组一对一单元式配置，即水泵与主机先串联后并联，二次泵变流量运行，通过设置平衡管将整个系统分隔为两个水力工况相对独立的冷水生产回路和冷水输配回路。冷源侧为定流量，保证了冷水机组的水力工况稳定；负荷侧为变流量，根据最不利回路的末端压差调节二次泵电机转速，动态跟踪负荷变化。每套连续制冷系统由冷水机组、冷冻水一、二次泵、开式蓄冷罐、冷却水泵、冷却塔、板式换热器、机房精密空调机组等组成。冷冻水的供水温度为11.5℃，回水温度为18℃。

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数据中心屋面设有一个辅冷源，专为T4机房模块供冷。冷源包括5台800kW风冷螺杆式冷水机组，内置自然冷却用空气冷却器，用以自然冷却和预冷；冷却风机变频，并配备冬季防冻设施；循环水泵及定压装置也置于屋顶。

为保证冷冻水系统的可靠性，主冷源冷冻水系统干管为环状管网，保证单点故障时系统的正常运行。在冷源侧与负荷侧旁通上设置蓄冷罐作为应急冷源，以应对市电停电引发制冷站中断事故时的制冷需求，蓄冷罐有效容积为650m3，可提供数据中心空调系统15min的冷水供应，这一时间主要是考虑目前市场上国际主流品牌柴油发电机组的来电自启动、并机输出、逐级送电以及制冷机启动至稳定运行的时间。开式蓄冷罐液面高度须高于数据中心制冷站冷冻水系统的最高冷水管3m，以防冷水系统运行中负压倒空。蓄冷罐内部上下分设布水器，平时工作状态为蓄冷过程，冷冻水的供水经由罐内下部布水器进入蓄冷罐，保证蓄冷过程完毕后罐内是设计供水温度的冷冻水。做为一级负荷中的特别重要负荷，一次泵、冷却水泵、制冷机等双路供电，二次泵、机房精密空调的风机由市电、UPS双路供电，末端切换，主回路由UPS供电，当市电出现故障、柴油发电机启动之前，二次泵、机房精密空调的风机由UPS供电继续运转，以保证机房连续性制冷的需求。此时蓄水罐处于放冷状态，冷冻水通过罐内下部布水器，经二次泵系统，提供至机房精密空调，控制冷水缓慢地自上往下流动，保持良好的温度分层。蓄冷罐沿罐体高度方向均匀设置温度传感器，监测罐体内斜温层的变化及温度梯度。蓄冷罐的高径比应根据场地、温度分层需求、布水器的结构尺寸以及流速等因素综合考虑确定，本工程室外蓄冷罐直径为6m，高度为28m，高径比约4.67。蓄冷罐发生故障时，供水、回水管与蓄冷罐之间的电动阀将自动隔离发生故障的蓄冷罐，并联锁开启平衡管上的常闭阀门，保证一次侧流量始终大于二次侧流量。

3.2 冷冻水系统

数据中心T4[3]模块的机房空调，考虑2N的配置需求且空间所限，采用双盘管精密空调，其冷冻水分别接自一层冷冻站和屋面冷冻站两个独立的冷源，冷冻水输配管路也为独立的两套，满足系统容错要求。数据中心T3模块的机房空调，采用N+20%配置，其冷冻水接自一层冷冻站，冷冻水管路为环路配置，并设置分段检修阀，满足在线维护要求。数据中心T2模块的机房空调，采用N+20%配置，其冷冻水接自一层冷冻站，冷冻水管路为单路。

3.3 冷却水系统

冷却水温度随室外环境条件改变而不断变化，根据冷却水的变化情况，冷冻水的制备分三种工况：当冷却水温度高于16℃时，采用电制冷模式，此时湿球温度约10℃；当冷却水温度低于10℃时，采用完全自然冷却模式，此时湿球温度约为1℃；当冷却水温度介于10℃～16℃时，采用部分自然冷却模式。由于数据中心夏季与冬季冷负荷相差不大，为了更好节能，尽量延长自然冷却时间，冷却塔设计按冬季选型，夏季校核，容量可适当加大。板式换热器位于一层冷冻站内，其数量、单机换热能力与制冷机组一致，负荷侧冷冻水供水温度为11.5℃，回水温度为18℃，冷源侧冷却水供水温度为10℃，回水温度为15.4℃。冷却塔出水温度由冷却塔风机转速控制，风机设变频装置，冷却水设最低回水温度控制，低温保护主机。

3.4 机房精密空调

主机房内精密空调采用下出风EC风机，由微电子控制器进行变风量调节，机房空调机组为干工况运行，精密空调承担显热负荷，包括风机段、表冷段和过滤段，不设再热段和加湿段，加湿由独立的湿膜加湿器解决。机房空调机组输送冷空气进入活动地板静压箱空间，保持微小正压10～25Pa，通过开孔地板吹向IT设备。

变配电室、电池室配备上送风式机房精密空调机组，风管上送风，下侧回风。其机房精密空调的冗余配置与相应级别的机房相同，满足数据中心负荷可靠性的要求。

3.5 机房加湿系统

数据中心机房的湿源主要来自新风，在每个模块的空调机房设置4台湿膜加湿器，三用一备，每台加湿能力为15kg/h。根据室内湿度传感器控制供水管上的电磁阀启闭，加湿控制系统由加湿器自带，并接入BAS系统。

3.6 机房气流组织

数据机房内机柜采用冷热通道分离，即“面对面、背对背”的摆放方式，在冷通道布置开孔地板，开孔率视功率密度而定，冷空气冷却机柜后，热量排放到热通道中，通过上方的百叶风口回至空调机组。吊顶与架空地板间净高为3m，架空地板高度为0.9m。机房气流组织可参照图1。

图1 机房气流组织分布图

3.7 机房新风系统

机房保持5～10Pa正压，换气次数按0.6次/h考虑，新风经G4、F7粗中效两级过滤器过滤后颗粒度≥0.5μm的个数≤18000粒/L。机房内部湿度依据露点温度控制，夏季新风以大于室内露点温度送入室内，以保证机房内部湿度控制；冬季切不可将新风直接引入机房，否则会引起机房结露。在屋面集中设置两个新风机房，每个新风机房设三台新风机组，两用一备，单台风量为30000m3/h，新风通过垂直竖井及水平风管送到所需房间，同时在进入每个防火分区处安装电动防火阀，和消防联动。

新风机组由风冷热泵机组提供冷源，单台制冷量850kW，夏季供回水温度7℃/12℃，用于冷却除湿；冬季新风采用园区二次热水加热，单台新风机组热负荷为517kW，二次热水供回水温度60℃/50℃。当园区二次热水故障时，由风冷热泵机组提供热源。

3.8 机房排风系统

本工程机房区域及电气房间采用IG541气体灭火系统，设置灾后排风系统，换气次数按5次/h考虑。由于IG541气体密度比空气重，采用下排风，电动排风口平时常闭，灾后排风时打开。在划分灾后排风系统时，考虑到防护区之间排风量的匹配，将容积相差不大的机房区及电池室划为一个系统，由屋顶风机通过垂直竖井排除；一层的电信接入间、电缆交界室等小容积房间划为一个系统，通过一层侧墙水平排除。

电池室设置排风系统，每个电池室上部设置电动排风口，日常排风按1次/h考虑，事故排风按12次/h考虑。风机平时低速运行提供日常排风；事故排风时高速运行。每个电池室安装氢气泄露探测器，并与相应的事故排风机联锁，检测氢气浓度达到其爆炸下限浓度的20%时，启动事故排风，此电池室排风口打开，其他电池室电动排风口关闭，事故排风机高速运行。

3.9 防排烟系统

不满足自然排烟条件的防烟楼梯间及其前室以及合用前室均采用加压送风，标准层分四个防火分区，排烟系统竖直设置，一个机械排烟系统带竖向多个防火分区，走道内设常闭排烟口，排烟风机设置于屋顶。在排烟风管与排烟管井连接处设置280℃常开防火阀，在屋顶排烟风机入口处设置280℃排烟防火阀，超过280℃时能自动熔断并联锁关闭风机。排烟时采用自然补风。排烟和灾后排风系统合用风管。某机房火灾时切掉机房内所有与消防无关通风、空调设备电源。

4 结语

大量的服务器置于其数据中心内，发热量巨大，本工程使用了高温冷水干工况运行，满足了工艺设备的要求。空调能耗在数据中心能耗中占据30%～45%的比例，在空调设计中采取节能措施对整个数据中心节能有着十分重要的意义设计过程中，提高冷水供水温度，以提高主机制冷能力；采用水侧自然冷却等，达到了节能降耗的目的。

[1] 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB50736-2012)[S].2012

[2] 电子信息系统机房设计规范(GB50174-2008)[S].2008

[3] 数据中心电信基础设施标准(TIA-942)(2010版)[S].2010