上海某数据中心空调系统设计实践

李倩文 储孝忠 李宗超

1.上海有孚智数云创数字科技有限公司

2.上海境喜家居科技有限公司

0 引言

随着5G、云计算、人工智能等新一代信息技术快速发展，信息技术与传统产业加速融合，数据中心作为各个行业信息系统运行的物理载体，已成为经济社会不可或缺的关键基础设施。2021年7月，工业和信息化部印发了《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》，明确用3年时间，基本形成布局合理、技术先进、绿色低碳、算力规模与数字经济增长相适应的新型数据中心发展格局。《上海市数据中心建设导则2021》中提出，新建大型数据中心综合PUE 严格控制不超过1.3。在数据中心中，除IT 第一大能耗外，在非IT 能耗中，空调系统占绝大部分，故空调系统的节能是数据中心节能的核心，是数据中心节能最大潜力所在。空调系统通过最大限度利用自然冷源，提高空调系统的能效，降低能耗，从而实现数据中心的节能，降低PUE 值。

本文以上海某数据中心在浦东新区临港新建的云计算数据中心为例，通过最大限度利用自然冷源、选用高效节能设备，降低了空调系统能耗，实现了上海市数据中心建设导则要求的年均PUE 不超过1.3的要求［1］。

1 项目概况

数据中心位于上海市浦东新区某园区内，分三期建设，每期两栋楼，建筑效果见图1。位于园区西部两栋数据中心楼互为镜像关系，基础设施完全一致，本文以其中一栋楼为例。

图1 建筑效果图

数据中心单栋楼总建筑面积11 529 m2，单层5 740 m2，建筑高度16.85 m，第一层高度9 m，第二层高度7.85 m。第一层功能房间为冷冻站、配电室、冷源配电室、电池间、主机房、ECC、会议室、办公室及备用件等，第二层功能房间为主机房、配电室、电池间等，屋顶主要为冷却塔、补水箱、空调室外机。数据中心后备电源为柴油发电机，置于数据中心楼旁边单独的动力楼内。数据机房共布置1 540个IT机柜，单机柜功率7 kW，同时系数0.9。布置两个运营商机房，共28个机柜，单机柜功率4 kW。中心按照GB 50174-2017《数据中心设计规范》A 级机房的技术规范建设，并遵循规范性、可靠性、安全性等设计原则，设计年均PUE不高于1.3［2］。

2 空调系统设计

2.1 空调室外及室内设计参数

上海地区空调室外设计参数见表1，项目功能区室内空调设计参数见表2。

表1 上海地区空调室外设计参数

表2 空调室内设计参数

2.2 空调冷源系统设计

该项目冷负荷需求高，且又需满足上海市数据中心建设导则PUE 小于1.3 的要求，为此项目冷源系统采用冷冻水系统，系统采用水冷冷水机组+自然冷却形式，每台冷机配置1 台板式热交换器。机房空调末端采用下送风冷冻水精密空调，冷却塔采用开式冷却塔，置于屋面。空调系统运行模式包括冷机冷源模式、预冷混用模式、自然冷源模式。空调冷冻水采用一次泵变流量系统，环网形式布置。当一路系统故障时，通过阀门可以隔离故障区域，保证其他系统不受影响。机房采用精密空调下送风形式，地板为架空地板。机房内为冷通道封闭，使精密空调的冷风最大限度被IT设备使用，避免冷空气与热通道的气流混合，有效减小冷量逸散，降低空调负荷，提高空调利用率［3-4］。

IT机房的不间断运行也要求空调能够365x24 h运行，为此冷冻水泵和末端空调配置了UPS。为保证空调系统电源故障的情况下数据通信设备的安全性和稳定性，项目同时设置了满足系统满载运行情况下供应冷量15 min的蓄冷装置。为延长自然冷却时长，项目提高冷冻水供回水温度至15/21 ℃。数据中心机房专用空调需全年制冷运行，因此需全年提供冷冻水。当室外温度较低时，可利用中央空调冷却水经过板式热交换器，与冷冻水热交换后直接将冷冻水送至空调，从而使离心式冷水机组的压缩机不用开启或减少开启时间，以获得节能效果。

2.3 三态冷源控制系统设计

该项目冷却系统、冷源控制系统分为三态冷源模式自动转换：冷源系统依据室外湿球温度及冷塔出水温度与设定值的关系判断模式。三态模式为冷机冷源模式、预冷混用模式、自然冷源模式［5］。

各模式控制信息及激活条件如下：

1）冷机冷源模式

（1）冷机冷源模式激活，系统完全由冷水机组提供冷源。

（2）激活条件：室外湿球温度≥冷机冷源模式室外湿球温度设定（默认16 ℃，可更改）持续900 s（可更改）。

2）预冷混用模式

（1）该模式多用于春秋季，为冷机冷源模式的初期及末期。冷冻机冷却水进水温度低于开启要求，此时通过阀门的切换使冷却水先经过板式换热器一次侧，冷冻水则经过板式换热器二次侧。板换一次侧的冷却水与二次侧的冷冻水进行能量交换，使一次侧冷却水出水温度升高至冷冻机开机要求，充分利用自然冷源中的能量使冷冻机达到开机要求。

（2）激活条件：自然冷源模式湿球温度设定（默认8 ℃，可更改）＜室外湿球温度≤预冷混用模式湿球温度设定（默认16 ℃，可更改）持续900 s（可更改）。

3）自然冷源模式

（1）此时通过阀门的切换使冷却水经过板式换热器一次侧，冷冻水则经过板式换热器二次侧。一次侧的冷却水与二次侧的冷冻水进行能量交换，使板换二次侧的冷冻水出水温度保持在15 ℃，完全利用自然冷源中的能量为系统提供冷源。

（2）激活条件：室外湿球温度≤自然冷源模式湿球温度设定（默认8 ℃，可更改）持续900 s（可更改）。

为最大限度地利用室外自然冷源，减少过渡季自然冷却方式与机械制冷方式频繁切换，项目配置了4 台板式热交换器分别与4 台冷水机组串接，室外低温冷却水先进入板换进行换热，然后再进入冷水机组换热。当室外湿球温度达到8 ℃时，板式换热器能提供全部制冷，此时冷水机组可停机。当主机突发故障或市电故障造成制冷主机停机时，重新开启主机（或备用的主机）并达到满负荷运行状态需要等待时间，故设置蓄冷罐储冷解决制冷主机重启时间内的供冷。该项目制冷系统连接8台立式闭式承压蓄冷罐，每台容积65 m3，蓄冷容量按照系统满载15 min蓄冷时间设计。

2.4 项目PUE测算

经计算，该项目单栋楼总冷负荷为11 580 kW，冷源系统选用N+1 配置，末端精密空调选用N+2（N＞5）配置。项目选用高效节能的空调设备，冷水机组单台容量为4 255 kW，在冷冻水供回水温度15～21 ℃、冷却水供回水温度32～39 ℃的设计工况下，满载时冷水机组的能效COP可达8.172。表3是某品牌变频离心式冷水机组在不同运行工况下的能效值COP，根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》典型气象年逐时气象资料，参照上海地区气象参数的统计，测算数据中心运行全年逐时PUE，测算数据见表4［6-7］。

表3 某品牌变频离心式冷水机组不同运行工况下的能效值

表4 全年逐时PUE测算

3 结语

本文以上海某数据中心设计实践为例介绍了空调系统的整体设计，利用冷水机组+板式换热器形式，在过渡季和冬季开启，最大限度地利用室外自然冷源，减少冷水机组的耗能，实现上海市新建数据中心PUE不高于1.3的要求。通过选用高效节能设备，达到满载情况下年均设计PUE值1.296，符合上海市数据中心建设要求。该项目已于2022年交付使用，在实际运行过程中，受数据中心机柜上架情况、机房运维水平等影响，实际运行PUE 有所不同。