某大型数据中心空调系统设计的后评估

＊张贺新 冯红梅 程磊

（1.中国移动通信集团设计院有限公司安徽分公司 安徽 230000 2.中国移动通信集团有限公司计划建设部 北京 100000）

引言

随着5G、人工智能、大数据、云计算等大规模应用，数据中心的发展愈加迅猛。互联网数据中心成为我国的战略性基础设施[1]，其规模也越来越大。空调系统作为数据中心的重要组成部分，其在数据中心全生命周期内发挥着非常重要的作用。空调系统建设完毕后，当初的设计效果是否达到？是否存在需要优化与改进的地方？针对这些疑问，本文对西南地区已经运营的某大型数据中心空调系统进行了后评估工作。

1.项目概况

本工程位于四川地区，共有2栋机房楼，每栋机房楼的面积约为21000m2，均为四层的多层建筑，规划建设5000个机架。数据中心空调冷源工程分为两个阶段进行建设。数据中心制冷系统采用冷水机组+开式冷却塔组成的冷冻水系统。制冷机房内设离心式冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵等于一层集中布置，开式横流冷却塔均于屋顶布置。

2.后评估的方法及主要结论

本文的后评估方法主要应用的是对比法。从节能方面、保温方面、安装空间方面、冷却塔、蓄冷罐以及群控方面来进行后评估，重点评估了设计的效果。

通过后评估发现：该数据中心项目建设符合国家信息化发展规划方向，项目建设符合企业未来战略发展的方向；项目勘察设计工作细致到位，开工前准备程序基本完整，为工程顺利实施打下了基础；项目工程管理制度详实，管理效率优良，取得优秀建设成果，工程目标基本实现；项目生产管理体系完善，安全管理到位，节能管理成效显著，投运以来项目装机率逐年上升，市场前景稳定，创造了良好经济效益。

本项目空调系统按照国家和企业相关标准和要求进行设计，室内环境设计参数选择合理，空调系统采用中央空调水系统的方式，系统形式选择合理。末端空调多采用冷冻水列间空调末端形式，符合企业的要求和标准。

该工程采用闭式蓄冷罐，能满足15min的蓄冷要求。

本工程采用膨胀水箱定压，屋顶冷却塔采用城市自来水直接供水，同时在室外设置冷却水补水池。能满足12h的冷却水补水要求。符合国家及企业的要求和标准。

但通过后评估，我们也发现有些方面也可以考虑的更完善一些，具体论述如下文。

3.空调系统后评估结果

(1)节能方面

冷却塔自然冷却是目前数据中心采用最多的自然冷却技术之一[2]，其原理图见图1。冷源系统全年共有3种运行模式，在室外湿球温度达到一定的条件下，可不开启冷水机组，从而降低电能消耗。本工程空调设计冷冻水供回水温度为14℃/19℃，夏季冷却水供回水温度为32℃/37℃。根据冷却塔的设备选型，出水温度与湿球温度的冷幅高为5.5℃，加上板式换热器的换热温差1.5℃。故仅当地湿球温度低于7℃的时，方能完全利用自然冷却。据此核算本工程所在地全年逐时湿球温度，可以利用自然冷源的小时数较少（仅为23h），故设计时未采用冷却塔加上板换的自然冷源技术。但不采用自然冷却技术，冷水机组全年处于运行状态，耗能较大，不利于降低整个系统的PUE值。

图1 冷冻水加板换冷水空调系统原理图

(2)保温

由于许多水管干管均布置在走廊里，水管虽然设保温，但由于施工的工艺差等原因，保温效果未达到预想要求。另一方面数据中心机房楼内的走廊往往很长，通风效果很差。本工程所在地夏季相对湿度达近72%[3]。相对湿度高，温度又低，会在保温层外产生冷凝水。许多冷凝水滴在走廊里，造成地面湿滑，对运维工作人员的人身安全构成威胁，有滑倒的风险。

此外数据中心机房围护结构的保温、隔热以及防结露等是机房设计的重要考虑因素[4]。由于机房工艺的装机速度达不到预定的要求，一层机房楼内很长时间只使用一个机房，空调末端系统也只设置在一个装机的数据机房内。两个机房由于室内温度不一样，造成了传热温差。夏季天气潮湿，露点温度比较高。就会造成装机的数据机房与未装机的数据机房的隔墙处结露，使机房受潮，造成墙立面受到损坏，而影响机房的洁净度。因此建议合理规划机房的装机房间，同时给部分长时间不装机的机房的内墙设保温。

(3)安装空间

制冷站面积较小，制冷机组维修空间紧张，预留更换冷凝器铜管的空间不足。现场部分过道的电缆走线架布置在空调管路下方，空调管路夏季易产生冷凝水，就存在安全隐患。且这种布置也给空调管路的检修带来不便。后期建议统筹考虑走线架与空调管路的空间关系。建议在设计阶段，增加BIM工具，来综合排布各类管道管线。因为大型数据中心体量大，管线复杂，施工难度要求大。仅仅走廊里就有电气、空调冷冻水、给水排水、通风、消防、综合布线、楼宇自控、安防监控等多个系统，机电管线排布层数多达6层以上，安装与检修十分困难。采用BIM技术能有效解决各类管线碰撞问题及指导施工，如图2所示。

图2 利用BIM设计的走廊管线综合排布图

(4)冷却塔

本工程一阶段预留的冷却塔基础范围较小，二阶段IT负荷因增大不少，导致了二阶段的冷却塔容量增大，原来预留的冷却塔基础需要经过改造后才能满足二阶段的需求。此外冷却塔四周未设置检修马道，维护人员清洗维护冷却塔十分不方便。

两栋数据中心机房楼均采用自来水直接自动补水和补水泵补水，平时只采用自来水补水，补水泵不开。这种方式能节省补水泵的运行费用。

但当地周边偶尔有挖断市政供水管道的情况发生，当被挖断的水管被重新修好供水时，水管中往往混着许多空气。而本数据中心的地势又处于较高位置，水管中的空气会流向数据中心市政冷却水补水管，进入冷却塔的水槽中。部分空气跟着冷却水回水管进入冷水机组中，造成冷凝侧的冷凝压力过高，引起冷水机组的高压告警。

(5)蓄冷罐

本工程建设方从不影响园区美观的角度采用了闭式卧式蓄冷罐。蓄冷罐串联在冷源系统中，蓄冷罐按15min的用冷需求来实现连续制冷。室外地下一层共设置11座容积100m3的卧式闭式蓄冷罐。按照数据中心设计规范要求，蓄冷的时间不应小于不间断电源设备的供电时间，经核实，本工程满足数据中心设计规范要求[5]。相比较开式蓄冷罐而言，闭式蓄冷罐有如下问题：①占用单独设备用房；如图3所示。②造价相对于开式蓄冷罐高180%左右；③蓄冷效率低；④闭式蓄冷罐属于压力容器，在制作槽体时应满足压力容器标准[6]。此外蓄冷罐目前采用市政补水，如遇到停水等问题，难以实现快速补水。因此建议增加单独的快速补水装置，便于蓄冷罐检修排空后需要二次补水的情况下，实现快速补水。

图3 闭式卧式蓄冷罐图

对于数据中心而言，建议采用开式蓄冷罐，开式蓄冷罐除了没有如上所述的闭式的缺点外，由于与大气直接相通，还能在系统中起到定压补水的作用。一般而言，往往高于系统最高点2-3m。如图4所示为某数据中心的开式蓄冷罐外观图。

图4 开式蓄冷罐图

(6)空调群控

数据中心冷热源群控系统主要功能是对冷水机组等机电设备进行远程控制和节能管理。系统采用动态规划控制策略，采集系统的温度、压力、流量、电流等参数，动态计算分析，自动调整运行参数和系统状态，可实现设备远程联动控制。同时调度各设备到最佳运行点，最大限度节约系统能耗。

本工程数据中心群控系统采用DDC系统，群控系统终端备份冗余考虑充分。群控系统可根据计算所需机组开启台数和运行时间累计启停机组，当任何一台在运行机组出现综合故障后，自动启动备用冷水机组进行。本工程IDC针对冷热源系统共部署了74个控制点及100个监测点，包含了冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、释冷泵、电动阀门、蓄冷罐、分集水器等冷、热源配套设备及机房楼风机设备，但只具备设备远程手动开关功能，不具备自动调节功能及智能化控制功能。大机电群控系统整体运行良好，但末端的群控系统存在如下问题：①空调末端厂家每家均使用的是自家的私有协议，质保期到期后，维护存在厂家垄断等问题；②存在小群控服务器内存过低，存在系统运行缓慢的现象。

4.后评估问题的改进措施

根据后评估结论，本工程空调系统存在一些亮点，但也有一些问题待改进。仅就这些问题，本文给出了改进措施，如表1。

表1

5.小结

数据中心空调系统在数据中心建设中是一项重要且十分庞大复杂的工程。本文针对某大型数据中心的空调系统进行了后评估。限于篇幅，本文仅列出了后评估结论的一些问题，给出了改进建议。希望能给后续其他数据中心空调系统的建设带来启发和帮助，避免产生类似的问题，提高空调系统的可用性。