某集装箱式数据中心空调系统设计

黄世鹏

摘 要：介绍了某集装箱式数据中心的空调系统设计，包括主要室内参数、冷源、冷冻水和冷却水系统、空调风系统、自动控制系统等。探讨了该系统的节能环保措施。

关键词：模块化；冷源；水系统；风系统；冷热通道；免费制冷；连续供冷；节能

引言

为有效利用数据中心基础设施资产，适应数据中心快速灵活发展、低成本建设和运营的要求，模块化数据中心开始广为业界接受。其中，集装箱式数据中心是将机柜、空调、配电柜、消防、安防、监控、制冷设备、UPS、发电机等基础设施部分或全部集成安装到一个标准货运集装箱内，从而构建一个高度集成、灵活扩建、多种功能用途的数据中心，具有快速部署、成本低、支持滚动式扩容、应用范围广等特点，得到越来越多的应用，市场前景广阔。

1 工程概况

该项目地点位于广东省某市科技园区，按GB50174-2017分级为A级，满足Uptime Tier Ⅲ级别设计认证要求，IT机柜总数为1050台，平均功率密度为8kw/柜。项目总建筑面积约8200平方米，包括主建筑、制冷站和柴油发电机房。主建筑共5层，一层为支持区，包括变配电室、中压室、电池室，二～五层为主机房，每层设强电间、弱电间和新风机房；制冷站共2层，一层设置冷源水力模块、冷冻水力模块、冷却水力模块、蓄冷罐等，二层设置冷却塔、动力变配电室等。

主建筑层高为4.15m，一～五层均设置架空地板。一层支持区的变配电柜、变压器、UPS、电池等辅助设施集成安装为电源动力箱，二～五层主机房的IT机柜、配电柜、空调采用双排密封热通道微模块形式进行布置，每个微模块及其消防、安防、监控等设施集成安装为双拼IT箱，集装箱通过“搭积木”的方式堆叠安装组成主建筑。

2 空调冷负荷及室内设计参数

空调系统夏季冷负荷主要包括设备散热、围护结构得热、外窗进入的太阳辐射热、人员散热、照明散热、新风负荷、散湿过程产生的潜热等。数据中心的主要特点为：显热负荷大，设备冷负荷占比最大，新风量小，湿负荷小等。该项目空调总冷负荷为9270kw，设备冷负荷为8610kW，占比为93%。

该项目主要室内设计参数见表1。

表1 室内设计参数

3 空调冷源

该项目设置2个独立的制冷站，每个制冷站包括水冷离心式冷水机组、板式换热器、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵各3台，配置均为2+1，水泵与冷水机组、板式换热器一对一接管，并配套水处理、定压补水等设备，室外地面设置2个蓄冷罐。冷水机组和板式换热器“1+1”组成3个冷源水力模块，3台冷冻水泵及其加药、定压补水设备组成1个冷冻水力模块，3台冷却水泵及其旁滤、加药设备组成1个冷却水力模块，每个模块均集成安装到一个集装箱内。制冷站的冷源系统原理如图1所示。

图1 制冷站冷源系统原理图

为保证供电故障正常冷源臨时停机时，空调系统能维持正常运行、连续供冷，每个制冷站设置2个闭式蓄冷罐作为应急冷源，蓄冷时间为10min，冷冻水泵、控制系统、末端空调风机均由不间断电源系统供电。

4 空调水系统

冷冻水系统采用闭式一次泵变流量系统，根据最不利回路末端压差调节水泵变频器运行频率，改变负荷侧流量。为提高系统的可靠性，冷冻水供回水管路采用环形管网和双供双回方式布置，主建筑内冷冻水管、冷凝水管均敷设于架空地板下。

图2 冷冻水管网示意图

冷却水系统采用母管制、环形管网布置，冷却塔进出水管道采用并联方式连接。冷却塔补水干管也布置成环路，以提高冷却塔补水的可靠性。冷却塔附近设置2个补水罐，由2路市政自来水保证水源供应，当市政自来水出现故障时，水罐容积能保证系统满负荷连续运转12小时。

5 空调风系统

IT机柜均为前进风、后出风的冷却方式，面对面之间的通道为冷通道，背对背之间的通道为热通道。空调采用冷冻水行级机房空调，安装于机柜之间，气流组织为前送后回，配置为N+1（每个微模块冗余1台）。行级空调采用EC风机，可群控组网、无极调速，精确匹配机柜的风量要求，且紧靠热源实现近端制冷，缩短了送风距离，更有利于节能。

机列与机列之间形成密封隔离的冷、热通道，消除了冷、热气流的混合现象，可针对不同发热量的设备进行风量匹配和冷量调节，实现了定点、定量输送冷风，大大提高冷风的利用率和送回风温差，提高了末端机房空调的制冷效率，能耗明显降低。

图3 微模块示意图

6 节能与环保

冷却能耗在数据中心总能耗中占比居高不下，机械空调系统的占比高达30%～45%，如何降低冷却能耗已成为当今数据中心节能的最重要课题。评价数据中心的能源效率，通常采用电能利用效率PUE来衡量，PUE越接近1，表明能效水平越好，该项目的设计PUE为1.4。

该项目空调系统的节能设计主要体现在以下5个方面：1）采用变速驱动的离心式水冷冷水机组，并提高冷冻水供水温度、加大供回水温差，有效地提高了机组满负荷和部分负荷下的运行效率；2）过渡季节、冬季采用免费制冷技术；3）IT机柜采用密封冷、热通道的冷却方式，避免冷风和热风的混合，提高了末端冷却的效率；4）主机房采用温、湿度独立控制的空调方式；5）根据负荷变化情况，采用变频、自动控制等技术进行调节。

7 免费制冷技术应用

机械空调系统中压缩机能耗占比高达50%，因此合理地利用自然冷却技术，可以明显减少数据中心的全年能耗，目前已成为国内外公认的节能重要措施。该项目空调冷源采用技术成熟的开式冷却塔间接自然冷却系统，冷水机组和板式换热器采用串联模式。冷冻水供回水温度为15/22℃，冷却水夏季供回水温度为32/38℃，冬季供回水温度为14/21℃。

根据室外环境温度的变化，系统通过阀门、设备的控制实现3种工作模式：完全机械制冷、部分免费制冷、完全免费制冷。当室外湿球温度Ts≥17℃，冷却塔出水温度Tqg≥21℃时，系统由冷水机组单独供冷，板式换热器不工作，冷冻水不经过板式换热器、直接被旁通进入冷水机组。当室外湿球温度10℃≤Ts≤16℃，冷却塔出水温度14℃≤Tqg≤20℃时，系统由冷水机组和板式换热器同时供冷，冷冻水先进入板式换热器预冷后再进入冷水机组。当室外湿球温度Ts≤9℃，冷却塔出水温度Tqg≤13℃时，系统完全由冷却塔通过板式换热器间接向末端空调供冷，冷水机组不工作。

8 结束语

近年来，在云计算和大数据应用的促进下，服务于各行各业的数据中心越来越多，机柜功率密度也越来越高，数据中心产业迎来了新一轮的建设高峰，模块化、绿色节能和自动化是未来的发展趋势，对工程设计各专业技术人员都提出了更高要求。空调系统根据项目具体情况采取适宜的节能措施，直接影响到数据中心的运行成本和PUE数值，对整个数据中心的节能有着非常重要的意义。

参考文献

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