某严寒缺水地区大型数据中心暖通设计

王桂坤

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

1 工程概况

甘肃金昌某大型数据中心园区位于丝绸之路经济带甘肃黄金段中部，一期总建筑面积约50 000 m2，包括两栋数据中心、两栋动力中心、一栋集控中心以及一栋维护支撑中心。综合考虑政府、大型互联网企业、中小企业对机房等级的要求，一期可租用机柜有5 086个，单机柜平均功率为4.2 kW。目前，项目已经通过国标A级和Uptime Institute Tier Ⅲ设计认证。

金昌地区属大陆性温带干旱气候，光照充足、降水量少、干燥多风且蒸发量大，海拔高度为1 976.1 m，年平均气温为5 ℃，极端最高气温为35.1 ℃，极端最低气温为-28.3 ℃，年日照率为51%～66%，年降水量为140～350 mm。区域年均蒸发量是降水量的18倍，是全国110个重点缺水城市和13个资源型缺水城市之一。较低的室外温度大大增加了数据中心自然冷源的利用时间，但是复杂多变的室外气象条件给数据中心的暖通设计带来了很大的难度。

2 技术方案

2.1 空调系统

数据中心有着高负荷和需全年供冷的特点，对空调系统运行的安全性、可靠性以及适用性要求较高。充分考虑到建筑平面布局、地域气候特点、绿色节能要求以及工程投资等诸多因素，本数据中心空调冷源采用集中式冷冻水空调系统。

考虑建筑围护结构负荷、照明和人员负荷以及相关专业提供的最终满配置情况下数据设备的装机容量，计算确定整栋数据中心的空调冷负荷。

2.1.1 冷负荷计算

机房内空调计算冷负荷Q=Q1+Q2，其中Q1为设备散热量，Q2为由机房外墙等围护结构、太阳辐射、人员及照明等因素引起的冷负荷。经计算，单栋数据中心空调总冷负荷13 287 kW。

2.1.2 冷源的选择

根据金昌地区气候条件，综合考虑节能、节水、降低投资、便于维护以及安全性等因素，结合工艺需求，本项目空调系统采用50%带自然冷却的蒸发冷凝冷冻水机组+50%带自然冷却的风冷冷冻水机组的冷源形式，冷冻水系统供/回水温度12/18 ℃，屋顶设置空调水泵房。每栋数据中心设置6台（5+1备份）单台制冷量为1 489 kW的带自然冷却风冷冷水机组，对应4台（3+1备份）冷冻水泵，UPS保障；8台（7+1备份）单台制冷量为900 kW的带自然冷却的蒸发冷水机组，对应5台（4+1备份）冷冻水泵，UPS保障。

为保障市电断电时的不间断供冷，设置满足系统15 min供冷要求的蓄冷罐。蓄冷罐采用卧式闭式承压蓄冷罐，每栋数据中心设置4台，单台140 m3，室外埋地安装。设置蒸发冷却补水应急水池，保障市政停水24 h的补水需求，水池容积为200 m3。

为充分利用冬季及过渡季节室外冷源，系统根据室外温度情况分3种工况运行。一是机械制冷；二是部分自然冷却；三是完全自然冷却，三者可根据室外温度自动切换。

空调冷冻水系统温度设置为12/18 ℃冷冻水，可提高机组运行效率及自然冷却技术的使用时间。根据金昌地区室外气象条件，全年可利用室外自然冷源时间达到5 590 h，占全年运行时间的63.8%。

空调系统水路的设计满足无单点故障要求。在空调水泵房侧采用分集水器，在末端干管采用环状管路设计，以满足数据机房区在线维护需求。

2.1.3 空调配置

空调末端低密机房采用冷冻水型房间级精密空调，N+1配置，下送风上回风；高密机房采用冷冻水型行级空调，每个冷通道内N+1配置，前送风背回风；UPS间采用冷冻水型房间级精密空调，N+1配置，上送风前（背）回风；电池间及运营商接入室采用冷冻水型房间级精密空调，N+1配置，上送风前回风。机房均采用冷通道封闭系统，提高制冷效率。低密机房同时配置湿膜加湿机组，高密机房加湿考虑行级空调自带加湿。

2.2 供暖系统

2.2.1 供暖系统概述

园区一期设置集中供暖系统，维护支撑用房办公、餐厅及公寓等房间采用地面辐射供暖方式，热媒为45～35 ℃低温热水，维护支撑用房其他房间、集控中心、数据中心以及动力中心采用散热器（钢管三柱型）供暖方式，热媒为85～60 ℃热水。

2.2.2 供暖热源及管网

园区一期散热器供暖系统总热负荷为999 kW，热源由两台电热真空热水机组提供，后期采用市政供热管网，围墙预留接至市政热网接口。辐射供暖系统总热负荷为500 kW，热源由水源热泵机组（单台制热量590 kW）提供。电热真空热水机组及水源热泵机组均设置在A1数据中心地下室内。

室外供暖管道均呈枝状布置，接至每栋需供暖建筑物单体。供暖管道采用地沟敷设方式，覆土厚度不小于0.5 m。室外供暖管道应尽量采用自然补偿。当自然补偿不能满足要求时，采用波纹补偿器补偿。

3 节能措施

一是采用蒸发冷凝冷冻水机组，综合水冷和风冷的优势，不仅大幅降低耗水量，而且大幅提升制冷效率。二是利用水源热泵机组回收机房余热。冬季水源热泵机组冷凝侧制备供暖所需热水，同时蒸发侧产生的冷水可直接为数据中心供冷。一方面利用机房余热代替传统供暖能源消耗，另一方面大幅降低数据中心完全自然冷却阶段机组和水泵的运行功耗。三是充分考虑采用水蓄能技术。前期数据中心上架率低的情况下，夜间低谷段进行蓄冷，白天平时段进行放冷，能够有效降低制冷系统的运行费用。四是利用自然冷却技术。金昌地区温度13 ℃以下时长达5 590 h，占全年总时长的63.8%，室外自然冷源较为丰富。在低温季节和过渡季节，压缩机将停止工作，充分利用自然冷源，可降低空调系统能耗。五是采用高温冷冻水，将供回水温度提高至12/18 ℃。一方面大幅度提高主机效率，冷冻水温度每提高1 ℃，空调效率约提高3%左右，空调主机能效提高15%～30%，系统节能率约提高5%～10%。另一方面可增加自然冷源利用时长，大幅减少机械制冷时间，降低PUE。六是提高冷冻水供回水温差（6 ℃），减少水泵流量及输送管道管径，还可以减少空调系统用电容量，进而减少投资。七是采用独立的湿膜加湿。摒弃传统的电极加湿方法，采用无功耗且独立的湿膜加湿，通过供水管路或者循环水系统将水送到湿膜顶部，水在重力作用下沿湿膜表面往下流，从而将湿膜表面润湿。当空气穿过潮湿的湿膜时，湿度增加，温度降低，在这个过程中，湿膜上的少量水被蒸发掉，但是不消耗额外的能源。八是提高回风温度。空调回风温度提升1 ℃，制冷量将增长6%左右，可有效降低风机功耗。九是采用变频技术。机组、水泵以及末端风机等选用变频技术可满足部分负荷时空调系统的高效性。十是制定合理的群控方案，以保证机房温度和湿度控制在合理范围。

4 结 论

本项目根据金昌气候条件、水资源条件以及工艺需求进行综合考虑，空调系统采用带自然冷却的蒸发冷凝冷冻水系统和风冷冷冻水系统，同时配置水源热泵进行热量回收及综合利用，全年平均PUE值为1.32，平均WUE值为1.15。针对严寒缺水地区大型数据中心是一种行之有效的设计方案，可供其他类似项目借鉴参考。