论文海南某数据中心空调系统设计

摘要

   

结合项目当地具体气候条件，综合对比多种空调系统方案，从节能效果、初投资、运行费用等各方面计算分析，找到适合本项目的空调系统节能设计。空调设计从系统架构特点出发，利用备用机组的制冷能力，结合磁悬浮机组部分负荷效率高的优点，实际运行时冷水机组全部运行，主机负载率为70%～80%,磁悬浮主机的 COP 可达15以上，配合冷却塔优化选型及新型空调末端可将 PUE 降到1.3以下。

关键词

   

数据中心 节能 电能利用效率 经济性 空调系统 磁悬浮冷水机组

作者

   

中通服咨询设计研究院有限公司  张娴 戴新强 李翔

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引言

近年来，伴随着人工智能、物联网、云计算、5G等新技术的迅速推广和应用，IDC（互联网数据中心）市场持续高涨，截至2018年底，我国在用数据中心机架总规模达到226万个，与2017年底相比，增长36%。超大型数据中心机架规模约83万个，大型数据中心机架规模约84万个，与2017年底相比，大型、超大型数据中心的规模翻了一倍，大型、超大型数据中心占比超过70%。数据中心能耗大幅增加，从国家到各地都相继出台 PUE （电能利用效率）限值要求，降低数据中心 PUE 成为必然方向。空调制冷系统能耗在数据中心中约占40%，是除IT能耗以外占比最大的部分，如何选择合适的空调系统，降低制冷能耗，对降低 PUE 意义重大。

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工程概况

该数据中心位于海口市，地上4层、地下1层，地上建筑面积为19 400 m ² ，地下建筑面积为1 308 m ² 。地上主要为制冷站、数据机房、配电室、电池室及辅助用房，地下主要为水池和泵房。该项目单栋数据中心规划2 730个平均单机架标称功耗6 kW的机柜，综合系数取值0.8， PUE 要求1.3 以下。

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空调系统方案分析       

2.1 自然资源及气象条件分析

海口市地处低纬度热带北缘，属于热带季风气候。年平均气温24.3 ℃，最高平均气温28.0 ℃左右，最低平均气温18.0 ℃左右。全年不同范围湿球温度时长统计见表1。  

从表1可以看出，海口市全年湿球温度低于15 ℃的总时长为648 h，占比仅7.4%，对自然冷源的利用不利，设计水侧自然冷却达不到节约费用的效果。在高温高湿地区，如何降低制冷能耗，任务艰巨。  

2.2 空调系统分析

数据机房有高负荷、全年供冷的特点，对空调系统运行的安全性、可靠性、节能性、经济性、适用性要求较高。该项目地处高温高湿地区，大量利用自然冷源从而降低能耗较为困难，且代价较高，笔者从数据中心系统架构及各设备本身出发，探索不依赖气候条件的节能降耗方法。  

1）冷水主机节能。  

根据数据中心设计规范，A级、B级机房冷源要求有备用机组，该项目配置5台主机（四用一备），单台冷水机组制冷量4 220 kW，冷水供/回水温度15 ℃/21 ℃，冷却水流量820 m ³ /h。实际运行时冷水机组全部工作，约75%负荷运行，由于磁悬浮机组部分负荷效率高，可有效降低主机能耗。  

表2为仅将普通离心冷水机组改为磁悬浮冷水机组后，冷水机组制冷因子（数据中心中制冷设备耗电量与IT设备耗电量的比值）的变化。  

从表2可以看出，将主机改为磁悬浮冷水机组以后，冷水机组能耗下降约34%，主机制冷因子由0.141 8 下降到0.093 7，节能优势非常明显。  

2）冷却塔节能。  

该项目采用高效冷却塔，适当降低冷却塔逼近度，降低冷却水出水温度，提高冷水主机的效率，从而降低能耗。笔者在对冷却塔比选时发现并不是逼近度越小越好，减小到一定程度时继续减小冷却塔逼近度节能效果有限，且会大量增加初投资，表3给出了冷却水流量保持恒定、逼近度分别为2 ℃和3 ℃时，主机和冷却塔总能耗及制冷因子。  

从表3可以看到，冷却塔逼近度由3 ℃降为2 ℃时，虽然同等条件出水温度降低了，冷水主机的效率提高了，冷水主机的能耗降低了，但是受制于现有冷却塔尺寸，单台冷却塔的风机功耗增加了。冷水主机加冷却塔的总能耗逼近度2 ℃只比3 ℃时降低1.85%，但单台冷却塔造价却要增加20万元以上，投资回收期5 a以上，所以该项目最终确定冷却塔逼近度为3 ℃。  

3）空调末端节能。  

目前空调末端方式主要有房间级空调、列间空调、机柜级空调。各空调末端推荐形式及机房气流组织见表4。  

该项目规划平均单机柜功率6 kW，对比了3种不同空调末端的功耗，如表5所示。  

从表5可见，空调末端越靠近机柜越节能，制冷因子分别为0.075、0.066、0.057，但在选择空调末端时，需要综合考虑末端方式的节能性、初投资及不同客户的需求以采用合理的末端形式。该项目根据业主内部的标准化要求，空调末端采用列间空调，能够满足模块化、标准化快速建设要求，同时节能性较好。  

4）其他节能方式。  

循环水泵、冷却塔风机及空调末端风机等均采用变频控制，提升空调的运行系统效率。  

5）不同空调方案对比。  

市面上数据中心空调制冷新技术层出不穷，该方案设计时横向对比各类技术方案，结合项目当地情况，在满足数据中心机房设备正常运行基础上，选择项目最优方案，表6为该项目适用方案汇总。  

各适用方案的关键参数如表7所示。  

从表7可以看出，方案2在满足业主要求   PUE   小于1.3的情况下，相比传统的水冷方案（方案1），投资回收期最短。    

同时，冷源系统建设原则应为分期建设，逐步投入。既能根据机房装机率逐步推进，又可满足冷源系统的高效运行。该方案采用的磁悬浮机组单台制冷量适中，部分负荷效率高，在建设初期，当只启用1个机房模块时也不会出现喘振现象，能够高效应对建设分期问题，降低初投资。  

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结论         

南方数据中心节能过分依赖自然冷源的利用，经济性较差，初投资增加较多。本文从数据中心制冷系统架构上出发，提供了一种思路，充分利用备份机组的制冷能力，在设备本身的节能潜力上找突破点。实际工作时冷机全部运行，充分发挥磁悬浮机组部分负荷效率高的优点，节能效果显著。

1 ）冷却塔的逼近度并不是越小越好，要综合考虑初投资、设备尺寸及冷却塔风机的功耗。

2 ）房间级精密空调、列间空调、热管背板空调制冷因子分别为 0.075 、 0.066 、 0.057 ，空调末端越靠近机柜越节能，但在选择空调末端时仍需综合考虑末端方式的投资及不同客户的需求。

3 ）该项目冷源采用磁悬浮冷水机组，末端采用水冷列间空调，通过优化冷却塔选型可将全年平均 PUE 降低到 1.3 以下，较其他方案，投资回收期最短。

本文引用格式：张娴，戴新强，李翔．海南某数据中心空调系统设计［Ｊ］．暖通空调， 2022 ， 52 （ 1 ）： 117-120 ．       

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