某数据中心空调系统设计及节能分析

李永飞

卓展工程顾问（北京）有限公司上海分公司

0 引言

近年来，随着云技术的井喷式发展，数据中心已成为像交通、能源一样的基础设施，更被形象的成为“新基建”。2010-2019 年，全球数据中心增长率接近20%[1]，从2012 年至2020 年，国内数据中心始终保持着以30%左右的高速增长[2]。连续八年国内数据中心的耗电量以超过12%的速度增长，其中2018 年数据中心总耗电量高达1608.89 亿kWh，占全国社会用电量的2.35%，为上海市2018 年全市用电量之和[3]。据有关数据显示，国内每年用于数据服务器的电能和冷却的投资超过20 亿美元[4]，而空调系统耗电量占据数据中心耗电量的40%左右[5-6]。

如何解决数据中心高能耗，将成为推动数据中心市场发展的主要动力。而数据中心的组成应根据系统运行特点及设备具体要求确定，宜由主机房、辅助区、支持区、行政管理区等功能区组成[7]。作为一个完整的业态系统，如何协调好各区域之间的能源相互利用以及如何进行节能降耗，为本次设计的一个突出特点，利用主机房区余热为其他区域冬季采暖使用，实现可持续的良性循环。

1 项目概况

本项目用地性质为一类工业用地，规划用地面积78238.10 m2，总建筑面积98836.10 m2，包括1 号楼—运营管控楼及综合楼，2 号楼—数据机房，冷冻站及ECC 和3 号楼—柴发动力楼及110 kV 用户站。其中2号楼数据机房拟根据业务扩展情况分四期投入使用。

2 设计参数

室外气象参数，以及室内相关设计参数详见表1～4。

表1 室外气象参数[8]

表2 室外极端设计参数[9]

表3 辅助、支持区室内设计参数

表4 机房区室内设计参数

3 冷热源系统设计

3.1 运营管控楼及综合楼

运营管控楼及综合楼的空调系统冷热源采用电动压缩式水源热泵机组，选用3 台制冷量为1160 kW，制热量为1460 kW 的螺杆式水源热泵机组，设置在地下一层冷冻机房。制冷时，水源热泵机组通过冷却塔散热，选用3 台处理水量为330 m3/h 的闭式冷却水塔，冷却塔设置在运营管控楼屋面。制热时，水源热泵机组通过回收数据机房的余热制备空调热水。

消防控制室、变电所、运营商机房、值班室等采用分体空调系统。门厅、员工餐厅、二层大空间厂区管控室等场所采用全空气低速风管空调系统，送风方式根据不同空间条件及使用需要采用顶送的送风方式，回风采用集中回风。公寓宿舍、小会议室等采用风机盘管加新风系统。

3.2 数据机房

D1 楼一期工程与二期工程的冷源分别独立设置。D2 楼的冷源独立设置，预留土建条件。

D1 楼一期工程、二期工程的冷源系统均采用2N设计。A 路冷源采用水冷式冷冻水系统，并设置冷却塔自然冷却。D1 楼一期工程及二期工程的A 路冷源均选用3 台制冷量为3868 kW 的变频离心式冷水机组。机组的冷冻水进/出水温按18/12 ℃设计，冷却塔按夏季极端最高湿球温度30.1 ℃、进/ 出水温度39.0/33.0 ℃选型。B 路冷源采用风冷式冷冻水系统。D1 楼一期及二期的B 路冷源均选用8 台制冷量为1290 kW/台的螺杆式自然冷却风冷冷水机组。机组的冷冻水进/出水温按18/12 ℃设计，按夏季极端最高干球温度39.4 ℃选型，并能在冬季极端温度下正常运行。

连续制冷设计：为了防止因制冷中断，导致机房温度快速上升，而引起IT 设备故障。A、B 路冷冻水系统中均设置了水蓄冷装置，蓄冷量均按不小于不间断电源的供电时间15 分钟设计。D1 楼一期工程及二期工程的A、B 路冷冻水系统各选用2 台225 m3的闭式蓄冷罐，系统正常运行时，维持蓄冷罐温度，在断电等紧急情况下可快速切换至蓄冷装置供冷。

数据机房的新风空调机组设置两级冷冻水盘管，一级盘管接A 路冷源，二级盘管接独立的风冷模块机组进一步除湿。D1 楼一期工程选用5 台制冷量为120 kW/台的涡旋式风冷模块机组，二期工程选用4台制冷量为120 kW/台的涡旋式风冷模块机组。

模块机房采用下送风型机房专用精密空调机组，下送风上回风，机组配置高效EC 风机和G4 过滤器。模块机房内采用封闭热通道隔离冷热气流，提高送、回风温度和制冷效率。机柜面对面、背对背成组布置，机房精密空调机组和机架的行列成垂直式排布。精密空调机组送风进入活动地板静压箱，通过地板开孔格出风口送至机柜进风面，经机柜带走热量后排至机柜背面的热通道，由机房吊顶回至精密空调间内的精密机组上部回风口。地板开孔格柵采用可调节型。

3.3 运管楼

ECC 楼24 小时运行，采用独立冷热源的变制冷剂流量多联机空调系统，系统按区域、楼层合理划分，避免冷媒管超长并减少冷量衰减。室外机设置在ECC楼屋面，冷媒管竖向通过管井分配至各个楼层。一层UPS 机房和电池室采用独立冷源的风冷直膨式机房专用精密空调机组。指挥大厅、日常办公、参观展览、门厅、电梯厅等区域采用多联机空调加新风系统。

3.4 柴发动力楼及110 kV 用户站

控制室、值班室、继保室、电容器室、电抗器室等采用独立冷热源的多联机空调系统或分体空调系统。室内机、冷媒管、冷凝水管避开电气设备上方布置，以防止可能的漏水隐患。

4 节能分析

4.1 不同开机策略实现最大节能

正常运行时，A 路冷冻水供水设定为12 ℃，群控系统根据室外湿球温度，实现“完全机械制冷”、“部分自然冷却”、“完全自然冷却”三种运行模式的自动切换。设计理论切换湿球温度：ts＞12 ℃，完全机械制冷模式；6＜ts≤12 ℃，部分自然冷却模式；ts≤6 ℃，完全自然冷却模式。模式转换应根据室外湿球温度及稳定性、冷水机组、冷却塔、板式换热器、水泵等设备运行状况综合确定。

正常运行时，B 路冷冻水供水设定为12 ℃，群控系统根据室外干球温度，实现“完全机械制冷”、“部分自然冷却”、“完全自然冷却”三种运行模式的自动切换。设计理论切换干球温度：tg＞16 ℃，完全机械制冷模式；2＜tg≤16 ℃，部分自然冷却模式；tg≤2 ℃，完全自然冷却模式。模式转换应根据室外干球温度及稳定性、冷水机组、水泵等设备运行状况综合确定。

利用华电源软件导出逐时气象参数，具体详见图1 和图2。通过对于不同温度的统计，得出A 路和B 路冷源的运行策略，详见表5：

图1 室外湿球温度逐时分布图

图2 室外干球温度逐时分布图

表5 主机运行策略

从表5 可知，A 路完全自然冷却的时间占全部时间的18.1%，部分自然冷却的时间占全部时间的21.9%。B 路完全自然冷却的时间占全部时间的4.9%，部分自然冷却的时间占全部时间的40.8%。综合自然冷却时间占全部工作时间的11.5%左右。

4.2 模块机房热回收利用

鉴于数据机房常年有大量机房余热可以利用，常规数据中心都是直接通过自然冷却塔间接排至室外，而本项目运营管控楼及综合楼空调冷、热源均采用水源热泵机组，制冷系统冷却采用常规冷却塔冷却，制热时回收模块机房的余热（中温水），通过水源热泵机组制备高温水供空调系统使用，系统图详见图3。

图3 水源热泵余热回收系统示意图

该设计的主要优点，回收机房余热，节能环保，综合系统效率高，降低运行费用。项目投运初期热回收量受机柜投用数量影响，设备初投资略高。根据负荷计算运营管控和综合楼热负荷需求1700 kW，如按平均发热量6 kW/机柜计算，本项目理论上只需10.9%机柜数量运行即可完全满足运营管控楼及综合楼的冬季供热需求。从而降低了运行费用，提升了项目的节能环保水平。

4.3 自然冷却

本项目其中一路冷源采用螺杆式自然冷却风冷冷水机组，更具室外温度适时开启自然冷却模式，降低运行费用，具体运行策略参考4.1；另冷机房内设置免费板换系统，过渡季节使用。

4.4 蓄冷罐节能措施

采用有蓄冷能力的制冷系统后，有削峰填谷的潜力，即在电价高时少用或不用电，把蓄存的能量释放出来使用，而在电价低时多用电，把制得的冷或热量储存起来。同时考虑本项目供电资源丰富，充分利用蓄冷系统，可最大程度上实现节约运行费用之目的。根据当地峰谷电价政策，峰谷时段的电价比可达3.3:1，此每年节省的运行电费约2.01%左右。

5 结语

鉴于近些近数据机房的新扩建工程越来越多，国家对于数据中心的节能要求越来越高，本文就项目的自身特点，采用自然冷却运用自然冷却系统，减少机械制冷运行时间，降低能耗。

1）根据室外干湿球温度的变化，实现自然冷却、机械冷却的灵活切换，对于A、B 环路，完全自然冷却的时间占全部时间分别达18.1%和4.9%，部分自然冷却的时间占全部时间的21.9%和40.8%。综合自然冷却时间占全部工作时间的11.5%左右。

2）采用热回收技术，充分利用数据机房的余热以满足生活区的热负荷。

3）采用水蓄冷技术，以降低制冷系统运行电费。