某数据中心空调系统冷源系统设计与优化研究

摘 要：数据中心基于系统运行稳定的考虑，每年需要耗费大量能源维持室内温度，为了降低空调能耗，需要针对数据中心设计更加节能、经济的冷源系统。本文以某数据中心工程项目为例，结合冷源系统的选型及运行模式分析了系统的节能效果，为数据中心等高耗能项目冷源方案比对提供参考。

关键词：数据中心;经济性;节能设计;冷源系统

中图分类号：TU831.3 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2022）02-0092-04

0 引言

统计结果表明，暖通空调系统在数据中心的能耗能够达到建筑整体能耗的40%左右，而冷源系统则能够占据70%的暖通空调能耗。数据中心设计阶段，相关单位需要充分考虑冷源系统能耗过高引发的经济性问题，积极采取节能、可靠的冷源系统设计方法，满足数据中心可靠运行的同时降低运行成本。

1 工程概况

本文以某数据中心项目为例，该项目为一幢独立建筑。三層、四层网络核心机房、核心及存储机房、标准服务器机房、一、二层标准服务器机房均采用冷冻水型机房专用精密空调机组，采用2N设置，精密空调机组置于服务器机房两侧的空调机房内，单侧送风。两侧机房分别为A、B两路，A路精密空调冷源接自水冷冷水机组，B路精密空调冷源接自风冷冷水机组，A、B两路精密空调机组互为备用。机房内效果图如图1所示。

冷源系统水冷及风冷系统如图2、图3所示。

2 室内外气象参数

2.1 室外设计参数（见表1）

2.2 室内设计参数（见表2）

3 空调冷源系统

3.1 冷源系统选择

系统设置AB两路独立冷源，A路为水冷冷源系统，B路为风冷源系统。

其中，水冷冷源系统中，冷冻站设置在建筑二层的冷冻机房内。设计2台500冷冻的水冷离心式变频冷水机组和3台1 000冷冻的水冷离心式冷水机组，2台7 500 kW板式换热器。冷水机组与水泵1对1连接，与板式换热器通过阀门切换可实现正常制冷、预冷、免费制冷三种工况。开式冷却塔置于四层屋顶。根据室外湿球温度和冷却水供水温度大小调整冷冻水系统的运行模式。夏季运行参数为：冷冻水供回水温度12/18 ℃，选型工况10/16 ℃，冷却水供回水温度32/37 ℃;冬季运行参数为：冷冻水供回水温度12/18 ℃，选型工况10/16 ℃，冷却水供回水温度10.5/16.5 ℃。

风冷冷源系统中，冷冻站位于建筑屋面，设计了12台340冷吨风冷螺杆式冷水机组和12台冷冻水泵，冷水机组与水泵1对1连接。运行参数为：冷冻水供回水温度12/18 ℃，选型工况10/16 ℃，室外温度40 ℃，可在45工况下运行。

水冷冷源系统设计5个70 m³水蓄冷闭式储罐，风冷冷源系统设计4个70 m³水蓄冷闭式储罐置于地下室。紧急情况下与冷冻水泵串联，可满足系统15 min冷量需求。

3.2 冷源系统运行制冷模式

3.2.1 水蓄冷系统运行策略

（1）运行模式。水冷系统具有三种制冷运行模式，分别为正常制冷、预冷，完全自由冷却（免费制冷模式）[1]。

正常制冷模式：当室外湿球温度t>12 ℃（可调），并且冷却水供水温度高于冷冻水回水温度时，冷机工作，板式换热器不工作，系统为正常制冷模式。冷却水供回水总管之间装设电动调节阀M3，用于调节冷却水供水温度，可保证冬季冷机运行时冷却水温度不低于18 ℃。冷却塔风机运行频率与台数根据出水温度与室外湿球温度的逼近度控制，当低于设定值（通常为3 ℃，可调），增加风机频率， 当频率达到45 Hz时开启下一台风机，直至风机全部打开;当低于设定值，减小风机频率，当频率低于25 Hz时关闭一台风机，直至风机全部关闭。冷却水泵根据冷却水供回水温度及冷机负荷控制变频，变频上下限需保证冷机冷凝器流量在最大和最小流量范围内，且不低于25 Hz，变化速率不超过30%/min。

预冷模式：过渡季及冬季，当室外湿球温度6～12 ℃（可调），冷却塔出水温度低于冷冻水回水温度（18 ℃）1.5 ℃时，此时可以采用预冷模式。此模式中，冷冻机与板式换热器同运行，但前者承担的负荷范围在30%～70%，能够有效降低电能消耗。冷却水泵根据板换出口冷却水温度控制变频，使进入冷机的冷却水温度不低于15.5%（可调），变频上下限需保证冷机冷凝器流量在最大和最小流量范围内，且不低于25 Hz，变化速率不超过30%/min。

完全自由冷却模式：冬季，当室外湿球温度低于6 ℃，冷却塔出水温度低于冷冻水供水温度（12 ℃）1.5 ℃时， 可以采用完全自由冷却模式。在此模式下，板式换热器代替冷冻机与冷却塔进行热交换制备冷冻水，冷冻机完全停止运行。

（2）控制方法。电磁阀控制：上述三种运行模式的具体控制方式如表3所示，表中K1～K8代表电磁阀，可以控制阀门开关，M1～M2代表电动调节阀，能够对阀门进行调节，在完全自由冷却模式下根据冷冻水的出水温度控制开度。

蓄冷罐控制：正常运行及蓄冷罐充冷时，电动调节阀M4开度95%、M5开度5%，实现M4与M5联动，开度具体可调。断电时M5开、M4关，使蓄冷罐的冷冻水供至末端应急。

冷冻水循环泵的控制：冷冻水泵为变频，采用定压差，变流量方式运行，通过测量供/回水管干管末端上的压力差平均值决定泵运行频率。变频上下限需保证冷机蒸发器流量在额定流量110%～50%，变化速率不超过30%/min。冷冻水供回水主管设有电动旁通阀，保证主管流量不低于单台运行冷机额定流量50%。

冷机的群控：冷水机组运行台数控制，根据冷水机组最佳负荷系统（70%～90%）编程进行自动增减冷机运行台数。系统管理器监测供回水管上的温度及供水管的流量传感器并计算末端需冷负荷，同时监测从制冷机组控制器发来的额定产冷量的信号，当计算负荷达到运行的额定容量的90%持续时间5 min（可调），系统管理器将开启下一组制冷机组。当冷负荷下降到低于设定值，持续时间5 min（可调），系统管理器将逐步 关闭制冷单元组，同时根据启动顺序或者运行时间选择逐步关闭适当的制冷单元组。不同运行台数工况下的设定值不同。当一套制冷单元出现故障，启动备用制冷单元，备用制冷单元按现行模式运行。冷冻机控制盘内所有的数据均引至值班控制室，值班控制室远程控制冷水机组冷冻水出水温度。

冷冻站设备的运行状态及主要工作参数及报警信号均引至控制室集中监控室。每台冷水机组均自带控制柜，具有对本机的控制及对相配的冷却塔，冷却水泵，冷冻水泵联锁起停的功能，和对运行参数的监测功能。起动顺序为冷却水泵—冷却塔电动蝶阀十风机—冷冻水泵—冷冻机。停机顺序与起动顺序相反[2]。

3.2.2 风冷系统运行策略

每台风冷冷水机组均自带控制柜，具有对本机的控制及水泵联锁起停和对运行参数的监测功能。全部风冷冷水机组及配套的冷冻循环泵集中采用群控方式，可根据冷负荷的变化，自动开停机，进行台数控制和负荷分配，优化系统运行。风冷冷水机组设备的运行状态及主要工作参数及报警信号均引至控制室集中监控。起动顺序为冷冻水泵-电动蝶阀及风冷冷水机组;停机顺序与起动顺序相反。加药装置和定压装置具有对运行参数的监测功能[3]。

4 经济性分析

该数据中心的空调冷源系统在风冷冷源的基础上应用了水冷冷源，两者互为备用提升了系统的运行稳定性，两冷源系统分别配置了5个70 m³的水蓄冷储罐和4个70 m³的水蓄冷储罐，能够满足系统在紧急情况下的冷量需求。水冷系统设置的三种制冷模式中，免费制冷模式即完全自由冷却模式能够结合室外温度情况对冷冻机进行启停控制，有效降低系统制冷能耗。同时，系统借助冷冻水变频泵实现对冷量的快速控制，有效规避了负荷与输出不匹配等问题，提升了系统的IPLV等系数。此外，系统结合峰谷电价对设备用电情况进行规划控制，实现了电费的有效节约。

5 结语

企业需要充分考虑数据中心的空调耗能情况，基于经济、节能的运行目标对空调冷源系统进行优化设计，合理应用水蓄冷系统，通过蓄冷、自由冷却模式、变频控制实现对能耗的可靠控制，同时也需要考虑峰谷电价对电费的影响，实现对数据中心空调能耗费用支出的有效控制。

参考文献

[1] 潘志强，李岑，田志景，等.数据中心空调系统节能措施浅析[J].中国设备工程，2021（23）：263-264.

[2] 郑竺凌，黄璜，张玉燕，等.南方某水冷数据中心冷却系统高能效因素分析[J].暖通空调，2021，51（s2）：231-235.

[3] 谭志波，于振峰.深圳某商业项目空调冷源配置方案对比分析[J].暖通空调，2021，51（s1）：270-273.

On Design and Optimization of Cold Source System of Air Conditioning System in a Data Center

WANG Shengxian

（Ningbo Urban Construction Design and Research Institute Co.， Ltd.， Ningbo  Zhejiang  315000）

Abstract： With view to the stable operation of the system， the data center needs to consume a lot of energy to maintain the indoor temperature every year. A more energy-saving and economical cold source system for the data center is greatly needed to reduce the energy consumption of air conditioning. Taking a data center project as an example， combined with the selection and operation mode of the cold source system， this paper analyzes the energy-saving effect of the system so as to provide a reference for the comparison of cold source schemes of high energy consuming projects.

Keywords： data center; economy; energy saving design; cold source system

收稿日期：2021-12-02

作者簡介：王胜贤（1979—），男，江西瑞昌人，硕士，高级工程师，研究方向：暖通空调。