数据中心空调系统设计

陶红涛

（安徽电信规划设计有限责任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

数据中心具有设备发热量大、单位面积冷负荷大以及对空调系统的依赖性强等特点，空调系统的运行稳定性和可靠性对保证数据中心核心设备的正常工作至关重要。为了保证通信设备和服务器的安全稳定运行，空调系统需要24 h 不间断运行。因此，在确保系统安全运行的前提下，合理的空调系统设计对均衡初始投资、降低生产能耗极其重要。数据中心的空调系统设计应根据数据中心整体设备制冷要求、建设标准等级要求及能耗指标要求等，结合空调系统建设的初始投资和后期运行费用，设计最佳的空调形式，实现数据中心空调系统安全可靠、绿色节能。总体上，空调系统按使用场景分为2 类。第一类为工艺型，其目的是保证数据中心设备机房的制冷需求和湿度要求，如互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）主机房、电力电池室等；第二类为舒适型，其目的是保证室内环境的舒适度，提高工作效率，如监控室、企业总控中心（Enterprise Command Center，ECC）等。由于数据中心中工艺型空调起关键性作用，因此对于常见3种工艺性空调系统即间接蒸发冷却空调系统、自然冷却风冷冷冻水空调系统、水冷冷冻水空调系统设计进行阐述，并对其优劣势进行对比分析。

1 间接蒸发冷却空调系统

间接蒸发冷却空调系统利用直接蒸发冷却后的空气（称为二次空气）和水，通过换热器与室外空气进行热交换，实现新风（称为一次空气）冷却。

间接蒸发冷却系统的设备构件包括空气-空气热交换器、室内EC 风机-室外EC 风机、水喷淋系统、补充制冷系统以及电控系统等。数据中心设计中，间接蒸发冷却机组可以放置在屋顶或者室外，采用弥漫送风方式，直接送至数据中心主机房内；回风通过机柜封闭的热通道及热回风夹层直接回至空调设备内。气流组织为下送风和上回风。间接蒸发冷却空调有3种运行模式，分别为干模式、湿模式及带有补充制冷的湿模式。

1.1 3 种运行模式

（1）干模式。室外干球温度在16 ℃（可调）或以下时，空调系统在此模式下运行。

（2）湿模式。室外干球温度在16 ℃（可调）以上，湿球温度在19 ℃（可调）以下时，空调系统在此模式下运行。

（3）带有补充制冷的湿模式。室外湿球温度在19 ℃（可调）以上时，空调系统在此模式下运行。

1.2 间接蒸发冷却空调系统温度控制

空调系统通过机房冷通道内的温度敏感元件反馈信息，自动调节系统的风机、喷淋水泵、压缩机等运行状态，以达到房间温度要求。

当室外温度在16 ℃（可调）以上时，室内送风目标温度达到设定值之上，系统自动开启喷淋系统进行蒸发冷却以达到温度要求。

当室外湿球温度在19 ℃（可调）以上时，补充制冷直膨冷却被激活，压缩机将分阶段调整以达到温度要求。

1.3 间接蒸发冷却空调系统湿度控制

空调系统通过冷通道送风区内的湿度敏感元件反馈信息，自动调节湿膜加湿器运行状态，以达到送风湿度要求。当室外温度低于2 ℃时（可设），水槽排水球阀打开，管路排水球阀打开，清空系统中存水。

间接蒸发冷却空调系统的进回风量比较大，因此对进回风管道和机房层高都有很高的要求。对于新建数据中心，需要在土建设计阶段充分考虑，规划好进回风路由，同时设置好进回风管道。对于改造类数据中心，间接蒸发冷却空调系统比较适用于单层建筑物，同时室外需要有足够空间放置空调机组。

2 自然冷却风冷冷冻水空调系统

自然冷却风冷冷冻水空调系统主要由风冷冷水主机、水泵及空调末端等组成。风冷冷水主机通过液态制冷剂在其蒸发器盘管内直接蒸发（膨胀），对盘管外的冷冻水吸热而制冷，制冷系统中气态制冷剂通过风冷的方式冷却为液态[1]。自然冷却风冷冷冻水空调系统的3 种运行模式如下文所述，见图1。

图1 3 种运行模式

（1）室外环境温度低至可供所有室内设备需要的冷量时，自然冷却水泵开始运行。冷冻水回水经过自然冷却盘管，室内所需冷量全部由室外冷空气自然冷却供给。此时，风机开启，压缩机停止工作。

（2）室外环境温度低于冷冻水一定温度时，部分使用自然冷却。自然冷却水泵运行，冷冻水回水经过自然冷却盘管预冷。压缩机和风机同时开启，压缩机输出部分能力。

（3）室外环境温度较高不能使用自然冷却，自然冷却水泵停止运行，自然冷却盘管不工作，压缩机和风机同时开启，压缩机输出100%能力[2]。

由于冬季自然冷却时可能会遇到极端低温天气，冷冻水有上冻风险，需要冬季对冷冻水加注乙二醇溶液，从而影响室内换热效率，增加水泵功耗。当室内环境要求不能采用乙二醇溶液循环时，可选择冷冻水（纯水）循环的机组。自然冷却风冷冷水机组可以应用一体化设计，机组内置自然中间换热器、冷却盘管、膨胀罐、乙二醇水泵等自然冷却功能的配件，并且室外主机内的自然冷却盘管可在出厂前充注好乙二醇溶液。室内的冷冻水（纯水）通过中间换热器（板换）与室外的乙二醇溶液循环换热。

自然冷却风冷冷冻水空调系统的优点如下：空调形式没有冷却水系统，消耗水资源极少。与水冷冷冻水系统相比，少一个冷却水系统，设备种类较少、无共用管路、故障类型明确、机组之间互无影响且维护要求低，因此对维护人员的要求也较低，仅需要少量的维护人员[3]。

自然冷却风冷冷冻水空调系统的缺点如下：夏季主机较水冷机组能耗较高，风冷主机噪声较大。外机采用风冷，夏季易出现高压情况。因此，适合缺水，同时夏季气温不高、冬季气温低的区域。

3 水冷冷冻水空调系统

水冷冷冻水空调系统包含冷却水系统和冷冻水系统2 个水系统，主要由水冷冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、定压补水系统、冷却水泵、水处理设备、冷冻水空调末端及管路阀门等组成。

水冷冷冻水空调系统的优点如下：空调系统整体能效比高，系统耗电费用低。该系统采用冷却塔方式散热，冷却塔一般设置在楼顶层，因此占地面积小，同时散热效果较好。系统离心压缩能效高，冬季可使用板换充分利用自然冷然，实现免费供冷，系统有很高的总体调配能力，同时对建筑外立面造型无影响。

水冷冷冻水空调系统的缺点如下：投资高，尤其是初次投资；设备种类多，系统架构和控制较复杂，维护工作量大，需要专门的维护管理人员。冷冻水供、回水管道存在泄漏隐患，因此在设计时需采用设备备份、环网或者双系统来解决可靠性问题，同时采取适当的防范措施，避免水患。另外，严寒地区需考虑防冻问题[4,5]。

4 案 例

本次数据中心在充分满足工艺要求的前提下，采用空调系统的新技术、新方法，保障空调系统的利用率高、节能、环保以及生产的顺利运行。结合数据中心建设等级要求及当地气候特点，该数据中心项目空调系统采用集中水冷冷冻水空调系统，冬季和过渡季节采用开式冷却塔和板式换热器提供免费冷源。

4.1 系统配置

本项目在数据中心楼一层设置冷冻站。冷冻站设置冷水主机、循环水泵、板式换热器，冷却塔设置于楼顶位置，所有设备均按N+1 方式配置。为满足能效要求，冷水主机、循环水泵和冷却塔风机等均采用变频电机，以此提高部分负荷的性能指标。

4.2 空调水系统管路

本次冷冻水系统采用二次泵变流量机械循环系统，制冷机房内冷冻水主系统成环状布置，冷冻水一次泵和冷却泵采用一泵对应一主机的系统，各数据中心主机房循环水系统均为环状供水，空调末端支管均通过阀门分隔，保证单点故障时仍可在线维护。机房楼干线管路采用2N结构，从冷冻站引2 路干线管路到每个楼层，从而保证任意一套干线管路故障，不影响机房空调系统的安全稳定运行。

4.3 自然冷却系统

本次空调系统每台水冷离心机组配套一台板式换热器（换热量同空调主机），充分利用过渡季节或冬季较低的室外冷源，通过冷却塔及板式换热器提供冷源。冷水机组和板换的管道连接方式为串并联设计，可减少冷冻机组开启时间，提高冷水机组的制冷效率，降低能源消耗。

4.4 系统冷冻水和冷却水系统管网

冷冻水系统采用二次泵变流量系统、冷却水系统采用一次泵变流量系统，水泵采用变频调节，达到节能的目的。

数据中心大楼的管网部分，干线管路采用2N结构，从冷冻站引2 路干管到每个楼层，保证任意一套干管故障，不影响机房空调系统的运行。数据中心的楼层管路（冷冻水），在每层楼的空调机房，采用环网方式，每个机房专用空调的供回水管分别连接到供水环网和回水环网上，保证环网任意一点故障，不影响机房专用空调的正常运行。为保证系统节能运行，数据中心冷却塔风机、水泵等均配套变频控制。

4.5 连续制冷系统

本次冷冻水系统按建设等级要求，配置应急蓄冷罐，蓄冷罐采用开式罐。该系统可保障市电中断后，从油机启动至冷水机组恢复运行这段时间空调系统供冷问题（用电均由不间断电源保障），以保证空调系统与通信设备不间断的同步运行，蓄冷保障时间不小于15 min。

4.6 应急补水系统

本次应急补水系统考虑1 路独立水源，同时设置应急补水池，应急补水池的蓄水容量按12 h 用水需求考虑。

5 结 论

数据中心的空调系统与常规民用舒适性空调不论在安全可靠性，还是绿色节能方面有很大区别。对于区域气候不同、建设规模不同、建设要求不同以及设备负荷密度不同的数据中心，采用何种形式的空调系统，要结合各种空调形式的适应场景和当地的气候、环境条件，充分分析、综合考虑，经充分技术论证后确定。