某数据中心空调系统设计

宋华超

【摘要】本文介绍数据中心空调系统设计，主要包括空调冷源、空调水系统、空调风系统、控制系统等。阐述数据中心空调系统安全运行的必要条件及减少能耗的主要节能措施。

【关键词】不间断供冷 温湿度独立控制 免费供冷 在线维护 封闭冷通道

0.项目概况

本项目位于浙江省某科技园区，数据中心建筑面积为29991m2，机房按A级[1]标准设计。

1.机房需求及系统简介

1.1数据中对空调系统安全要求

数据中心空调负荷较大，一旦制冷系统出现故障，IT设备散热量无法及时消除，机房温度很快超过IT设备厂商对机房环境温度的要求，可能会导致宕机或者IT設备损坏。因此设计须避免空调制冷系统的单点故障，保证系统7*24h不间断供冷，并且能在线维护。空调采用温湿度独立控制空调系统。制冷机按N+1设置备用，同时蓄冷罐作为应急备用冷源，保证系统断电时不间断供冷。其次管路方面：冷源侧及末端均采用环路设计，保证系统不间断运行。

1.2数据中心节能要求

近年来新建数据中心在逐步降低PUE值。为了评价数据中心的能源效率，行业中采用PUE值进行考核， 规定PUE= 数据中心总设备能耗/IT设备能耗；显然PUE越接近1，表明能效水平越好。本工程空调系统，节能设计体现在以下四个方面：首先冷源方面：提高冷冻水出水温度及采用变速驱动的离心机有效提高其满负荷及部分负荷的性能系数；其次；冬季采用免费供冷（Free Cooling）技术；第三数据机房采用温湿度独立处理的空调系统；第四数据机房服务器采用封闭冷通道的冷却方式、避免冷风和热风的混合，从而提高末端冷却的效率。

2.空调负荷及室内参数

2.1、机房内空调负荷：主要有围护结构、人员、灯光、新风、IT设备负荷等。湿负荷主要为：工作人员进入机房及新风机故障导致新风未经处理而引入机房的偶然性湿负荷。负荷特点：新风量小、显热负荷大、湿负荷很小、空调送风量大、空调系统全年制冷运行，IT设备负荷占比重最大。本项目数据中心IT设备散热量为14400kW，UPS间散热量为1536 kW，空调冷负荷为17506 kW。

2.2、数据中心室内设计参数

数据中心的设计温、湿度详见表1。洁净度要求：室内悬浮颗粒物0.15mg/m3以下或在静态条件下每升空气中大于等于0.5μm的尘粒数应少于18000粒，并保持必要的正压。

3、空调系统

3.1、空调冷源

冷源选用6台离心式冷水机组（5用1备）单台机组制冷量3825kW，冷却水进出制冷机温度32/37℃，冷冻水供回水温度为12/18℃；单台机组的制冷量调节范围15%～100%。主要用来消除机房内的显热负荷。新风机组冷源采用3台制冷量为693kW风冷热泵机组（2用1备）。热泵机组夏季冷冻水供回水温度为7/12℃。主要作为辅助区空调及新风机的冷源。

3.2应急冷源

蓄冷罐作为应急冷源能保证在最大负荷下持续供冷15分钟的蓄冷量。当双路市电断电，柴油发电机启动至冷机正常运行这段时间，蓄冷罐放冷。向末端空调连续供冷（二次泵由UPS供电）。 以上，并设置检修孔和直通大气的通气孔。蓄冷罐储水温度12℃。

3.3空调水系统

空调水系统采用二级泵变流量系统，一级泵与制冷机对应配置，二级泵变流量运行。数据中心空调要保证在线维护的需要，因此冷冻水系统采用环路布置。当系统检测维修空调设备或阀门突发故障时，能及时关断故障设备两侧的阀门，检修或更换故障设备，同时保证除关断阀门管路之外的空调系统设备的正常运行。末端空调每层空调水路设置为同程环路，以便于空调系统水力平衡及在线维护。

3.4温湿度独立控制的空调方式

通常机房内部的湿度主要由新风控制，新风机组采用7℃冷冻水。机房内部湿度是依据露点温度控制。夏季新风以室内露点温度送入室内，冬季新风过滤后处理到不低于室内露点温度送入室内。并设置转轮除湿机作为备用，保证除湿后温度能降低到机房内的温度。精密空调使用冷冻水供回水温度为12/18℃承担机房显热负荷（稳定状态室内露点温度为12℃）。机房每个模块内设置2台湿膜加湿器，当机房内部湿度低于相对湿度40%（对应于18℃状态点）启动加湿器。

3.5免费冷却（Free？Cooling）技术应用

当冷却塔出水温度低于10℃（对应湿球温度约在6℃左右）时可以不开制冷而直接采用冷却塔供冷；而当出水温度高于10℃时且不超过16℃（对应湿球温度12℃左右）时，可以采用部分自然冷却的措施；当出水温度高于16℃时应完全采用制冷机供冷。嘉兴地区日平均温度在5℃左右的时间大约有3个月，其中冷却水出水温度低于10℃以下的时间累计约2个月，最高出水温度大于10℃而小于16℃的时间超过1个月，因此约有2个月时间可以使用完全自然冷却，1个月时间可以部分使用自然冷却。

3.6封闭冷通道

机房采用冷热通道隔离的气流组织；冷通道两端用玻璃双开门封闭，通道上方用顶板封闭，由此形成相对封闭的通道空间，防止冷热风混合，大大提高冷热空气的利用率，提高末端精密空调的制冷效率。

3.7数据机房围护结构设计时除了考虑保温之外还需要考虑隔离、隔汽和密封性能。为了安全和保证机房的恒温恒湿环境，机房设置独立空间有独立的内隔墙，与室外空气隔两道墙体，因此隔汽和密封性能都比较好。

4、空调控制系统

4.1、冷冻站的控制：冷水机组的自动控制除了保证冷冻水的供水温度外，还根据冷负荷变化自动调节冷水机组、冷冻泵、冷却水泵和冷却塔的运行参数、自动显示冷水机组的各种参数及故障报警信号。冷却塔对进出水温度进行控制，冷冻水二次泵根据末端压差信号进行变频控制。

4.2、蓄冷罐的蓄冷、供冷及联合供冷工况下的阀门切换控制。

4.3、冷冻水管路系统控制：环路中某段阀门能及时切断，同时监测冷冻水及冷却水回水温度，压力及流量等数据。

4.4、精密空调机组系统配自诊断功能，具有高温报警、低温报警、高湿报警、低湿报警和机组周期维护提示、过滤器压差报警等功能。

4.5、新风机组根据室内正压值控制以及根据处理露点对冷冻盘管进水两通阀的开度控制。并纳入楼宇控制系统。

5、结语

数据中心的安全和能耗是我们关注的热点问题。在保证系统安全可靠的前提下，低PUE值的绿色数据中心是设计师要实现的目标。因此空调系统设计应侧节能方案、参数设定、设备选型及布置方式等，避免过分繁杂，并关注细节及可行性。

6、参考文献；

[1].中华人民共和国工业和信息化部。GB50174-2008 电子信息系统机房设计规范[M]. 北京 中国计划出版社，2008

[2].ASHRAE TC9.9. Thermal Guidelines for Date Processing Envirements Second Edition.数据处理环境热指南（原著第二版）[M]. 沈添鸿、杨国荣、等译. 北京 中国建筑工业出版社