大型数据中心空调制冷系统技术

史相茹 万奇 赵永成

摘要：数据中心空调系统需要把机房内的热量转移到机房外。热量向大气散热的方式多种多样，决定了机房专用空调设备制冷形式的多样化。根据北京地区的气象条件，水冷冷水机组配合水侧自然冷却方案能够显著降低运行费用，TCO（总拥有成本）最小，目前大型数据中心基本采用这种方案。

关键词：大型数据；中心空调；制冷系统技术

中图分类号：TU83文献标识码：A文章编号：2095-3178（2018）19-0366-01

1大型数据中心空调制冷系统特点

大型数据中心需安装配置多台大容量冷水机组。大型数据中心

的建筑规模在几万平方米以上，机柜数大于3000个标准机架，各种设备用电量大、发热量大。为了排出所散发的热量，需多台大容量冷水机组同时运行，以提供足够冷量。空调制冷系统是保障数据中心核心设备安全、稳定运行的必要条件，必须连续运行，具备高可用度。GB50174—2017《数据中心设计规范》和DXJS1029—2011《中国电信IDC机房设计规范》将数据中心划分为A、B、C3级，美国UptimeInstitute《数据中心场地设施等级标准》将数据中心划分为4级。不同级别的机房对空调制冷系统的要求不尽相同（表1）。GB50174—2017的A和B级机房、中国电信IDC机房标准，以及美国UptimeIn-stitute的T3、T2级机房主要采用了设备冗余。

数据中心能耗主要集中在IT设备和制冷设备方面，其中制冷系统能耗占机房运行能耗的30%～50%。节能降耗是大型数据中心规划设计的重点之一，而制冷系统是其中的关键。高可维护性和高可管理性有利于机房降低成本，提升可用度，降低能耗。维护包括维修和维保，方便维修可缩短故障设备平均恢复时间，提升可用度。高可维护性有利于设备降低故障率，提升可用度，延长寿命。高可管理性有利于及时准确获得系统状况，以便进行故障排除，提供预测性故障分析，能源使用分析，利于降低不必要的能耗。大型数据中心需具备高可维护性和高可管理性。高可用度、高可维护性、高可管理性和节能性是对空调制冷系统的要求。本文从这4个维度对两种连接方式进行分析。

2两种连接方式的分析2.1两种连接方式的特点

（1）采用多冷源并联方式的系统，其每一台冷水机组必须要在同等的位置上，并且能够单独的进行暂停与开启的操作，同其他的制冷系统不存在互相影响的关系。当某一套制冷系统出现故障问题导致停机时，只需要启动处于冗余的那套系统即可保证IT设备对制冷系统的要求。（2）采用设备群组方式的系统，是一种由不同的逻辑设备串联在一起，在逻辑上表现为一套制冷系统的冷源系统。实际上，一套逻辑设备只是有一组设备所组成的，特点是其具有一台能力更强以及可用度更高的逻辑设备的表现。设备群主要由冷水机组群等组成，并将各种设备群串联在一起，在工作过程中，一个设备群出现故障问题，那么整个系统就会出现故障。从系统的布局上看，多冷源采用并联的连接方式，其最主要的特点是每套独立的系统都有着自己独立的水管路，水管路的数量非常多。设备群组进行串联的连接方式，其最主要的特点是只有一套水管路，在结构上要更加的整齐划一。选用设备群组串联的连接方式时，水管路的管径需要增大，以便于能够降低水管路的阻力，从而使得对制冷系统水管路大流量的要求得到满足。

2.2可用度分析

在多冷源并联连接的方式下，对于其中的单独的一套系统而言，

其中的各个设备的连接形式为串联。一套系统可用度表示公式为：假设存在N+X（X=1～N）套单独系统，其中X套作为冗余，在N套单独系统正常运转时，系统正常运转。由于每套系统都是独立的，相互之间没有影响。系统为N^N+X）表决模型，可用度用S表示，公式为：S=a+R（1—R）N+X1在设备群组串联连接的方式下，其中的设备为先并联连接在串联连接。假设冷却塔、水泵（假设冷却水泵和冷冻水泵可用度一样）和冷水机组组合在一起的设备群组可用度表示为只1、只'2、只'3，可用度用R1.R2.R3.R4表示）表决模型计算，可用度计算公式为：S，=R，1R，2R，3R，4，其中R为单个群组的可用度。在实际中，因为可用度还与产品的质量有关，所以冷却塔的可用度、冷却水泵的可用度以及冷水機组的可用度都与厂家密切相关。在自然的冷却的条件下，设备群组串联连接的方式相对来说可用度要高一些。

2.3可维护性比较

可维护性好坏的参考标准主要是系统在特定的工作环境下以及

一定的时间之内，完成规定的功能的能力高低，以及对设备进行维护的难易。多冷源并联连接的方式，其接管相对较多，而设备群组串联连接的方式，其管道的数量非常少，布置更加的简洁明了，对于操作以及对产生的故障问题进行诊断来说，较为方便。在多冷源并联连接的方式下，一台设备的停止，使得整套系统也要停止，但是在设备群组并联连接的方式下，设备的启动与停止很好的控制在设备群组的内部中。并且在设备采购上，设备群组连接方式中，群组中的设备并行运行，所需要参照的标准指标一致，若要更换或者维修可以采用同种型号的设备，要优于采购受限的多冷源并联连接的方式。

2.4可管理性与节能性的比较

在设备群组串联连接的方式下，维护人员需要通过调节平衡阀

以保证水流量在各设备间分配均衡，不运行的设备还需要关断截止阀，以防止旁通分流。并且处于同一设备群组的设备，还需要保证水的阻力一致，以保证水的流量均衡。因此，采用设备群组串联连接的方式的系统对维护人员要求较高，管理方式较为复杂。在多冷源并行方式下，每一个单独的系统都可以说是独立在运行，所以水流量分配均衡、设备旁通分流等问题不需要考虑，因此可管理性较好。最近的这几年，冷水机组的效率越来越高，以至于水泵的能耗占比越来越高，甚至达到整个系统总能耗的15%～35%，设备群组方式有更多的方法来调节水的流量和扬程，可实现多台水泵同步变频+变频水泵台数控制。在多冷源并联方式下，水泵只能进行水泵变频控制，无法实现台数控制，所以设备群组方式在水泵控制方面有着节能性高的优点。

结论

大型数据中心的设备数量众多，并且能源消耗巨大，需要通过

打胎大型冷水机连续不间断的制冷来满足正常工作的需求。通过，对两种不同连接方式的研究与比较，设备群组串联连接方式在可用度以及可维护性上要略胜一筹，更加的契合大型数据中心对制冷系统的要求，同时还便于多种节能措施的实施。总而言之，设备群组串联连接的方式，不管是在现在还是在未来，都有着更好的发展前景。

参考文献

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