一个数据中心空调系统的在线改造案例

数据中心空调系统的在线改造，远不是估计一下设备负荷，买几台空调装上那么简单。如果规划、实施不当，发生各种棘手问题、不能达到预期目标的工程比比皆是。本文介绍了笔者对某数据中心机房空调系统改造的规划和实施要点，介绍了空调系统在线改造的经验和教训。

1项目概况

1.1背景情况

某单位数据中心机房面积340平方米，临时性租用场地，安装业务测试系统，改造前IT设备额定装机容量近80kw，原配备Isovel空调35kw两台，JOTON空调25kw一台，柜式、吸顶式空调若干，1998年投入使用。因IT设备不断增加，制冷容量饱和，机房局部区域过热，需加配5匹舒适性空调一台对局部降温，几次因环境温度过高使得IT设备强制下电，空调设备老化，故障频发。

1.2 改造目标

依据国家空调系统有关技术规范，满足未来3-5年业务发展需要，按照国标B级机房标准在线改造空调系统，更新设备，提升制冷能力，提高系统可靠性和监控管理水平。

1.3限制条件

主要限制条件有：

1)因业务系统需提供不间断服务，扩容改造工程需要在线完成，同时不影响机房IT设备连续运行;

2)大厦场地资源使用已饱和，设备安装只能使用已有场地。

2.改造规划的思路

改造规划是整个项目的关键。本项目规划主要包括以下几点内容：

1)按照B级机房要求，综合考虑容量需求、场地占用、可维护性和主流产品实现情况，精密空调系统拟采用“3+1”结构，系统设计总制冷能力为250kw。

2)拆除已过报废期限的空调，仅保留JOTON机房空调继续使用;另新购空调设备4台，单机显冷能力83kw以上，送风能力大于17000立方米每小时。

3)新设备拟选用送回冷风效果较好的下送上回型风冷机组。因IT设备功率密度不高（拟按每机架装机设备额定功率不超过5kw/机架进行使用控制），且机房为临时租用，无法新增场地，选用该类型设备可以适应场地限制，安装工作量小，且安全性好，可靠性高，日常维护工作量少。

4)要求5台机组联网控制，其中4台83kw空调自动轮值运行。配备分阶段启动控制系统，将设备启动的峰值电流影响减少到最小。运行状况参数纳入机房环境自动监控系统并与消防控制管理系统联动。

5)主机房紧临北京三环主路，空气质量较差，考虑原有新风机基本不使用，拟从洁净和节能角度取消主机房新风系统。

3.技术要素规划

3.1负荷计算

根据《电子计算机机房设计规范》，机房空调的热湿负荷应包括：

计算机和其它设备的散热、建筑围护结构的传热、太阳辐射热、人体散热和散湿、照明装置散热、新风负荷。

1)经统计设备功率，分析测试中心业务发展需求，预计3-5年后IT设备装机容量为现有容量的2.5倍（约200kw）。根据测试中心系统运行规律，取样设备同时工作系数0.8，发热系数0.95，IT设备散热为152kw。

2)主机房位于一楼，为无人工作区，外窗封闭，一面为参观走廊，维护结构传热、辐射散热采用北京市一般标准，按照120w/㎡计算，热负荷在39.6kw。

3)机房照明散热按照70套40w*3的节能灯具计算，照明散热为40w*3*70=8.4kw。

根据以上条件计算得出总热负荷为200kw，预留25%容量后设计制冷能力为250kw。

3.2风量计算

分析业务特点，预测业务发展情况，未来IT设备安装应以中低密度为主，刀片机等高密度设备很少。故按照中等功率密度散热，机房每小时换气50次的水平规划风量需求。根据机房面积和机房工作空间高度等参数，计算得到设备需要的总风量为340*3*50=50000立方米每小时。

3.3 气流组织

气流组织是解决设备散热，保持机房环境条件的关键因素，也是实现节能的有效途径。机房气流组织应包括机房大环境气流组织和IT设备区气流组织。

1)机房大环境气流组织：由于本机房空间较好，建筑层高较高（5.3米），且采用上走线方式，活动地板较高600mm，拟将地板下空间用做空调系统送风静压箱；为节约能源并取得好的制冷效果，采用吊顶方式，内做回风静压箱，满足均匀回风要求；空调安装风帽，连接空调回风口和吊顶内空间，直接从回风静压箱回风，提高回风质量。气流循环模式图如下所示：

2)IT设备区气流组织：按照冷热通道思想组织气流，设备上机架安装，沿送风气流方向成排摆放，形成走廊，布局采用“背对背、面对面布置”，形成冷热通道，设备面对面距离1.2米，背对背距离1.2米，摆放密度约5平方米/机柜，机柜使用高通孔率面板。

3.4 空调室内机布局设计

因机房为长方形，尺寸为21.6米*15.2米，为满足在线施工，不影响场地连续供电（南侧地板下有强电转接箱和入户电缆）和在用设备不间断运行（东侧区域密集大量运行设备）等硬性要求，考虑空调效率、冷气均匀分布等要求（空调室外机在机房东侧窗外平台上），选择机房北侧放置空调设备。

这一布局方案下，送风距离在19米以内，室内外机距离20米内，距离基本满足空调设备运行要求;冷气基本可均匀分布，对进出户电缆没有影响。由于墙面宽度限制，要求室内机宽度限制在2.5米以内。

3.5室外机布局设计

这是本项目碰到的最大难题。由于室外平台已为多家单位用满，可用的机位均为本机房拆除旧空调后所留，尺寸有限，区域非连续，而新购设备功率和室外机尺寸都较大，加之分阶段施工期间新旧设备同时使用，摆放矛盾突出。经反复分析比较，解决方法有：

1)移机安装部分改造期间在用的室外机，使机位连续，尺寸变大，满足过渡期新旧设备同时使用要求；

2)将室外机由卧式横向摆放调整为卧式纵向摆放，缩小了每台室外机需要的空间面宽。横向立式叠拼摆放设备方案虽效率更高，但因噪音扰民及不满足物业景观要求被否决。

3.6通风地板规划规划

通风地板规划是高效气流组织的实现环节，容易被忽略。通风地板规划包括位置和数量计算，其数量影响冷风出风量和造价（同样品牌和规格的防静电活动地板，开有风口的地板要贵很多），其位置则严重影响风速场的均匀、平衡和稳定，从而影响空调系统的最终效果。因此，通风地板位置和数量不仅要设计规划，安装完成后还要进行风量测试。

本项目中按照冷热通道的思想，将通风地板位置设计在位于冷通道上，机柜正面前方，以便冷气有效进入机柜内部。采用的通风地板为600mm*600mm，开孔率30%，风口板处出风速度为小于3米/秒，通风地板的数量计算方法为：

50000m3/h/0.3*0.6*0.6*60*60=127块。实际需要安装的通风地板数量，需要在风速测量的基础上根据IT设备安装情况调整位置和数量。

4.工程实施

做好有关技术规划后，工程实施相对比较简单，主要是工程管理工作。本项目的工程实施要点如下：

4.1 设计与采购分开

空调系统改造不是单纯的设备采购，最终效果取决于系统设计和安装工程质量。因此，有条件的情况下，将设计与采购分开运作，可以使项目技术目标明确，采购运作方便，对保证系统改造结果也比较有利。

4.2交钥匙工程

本项目要求为交钥匙工程。事实证明这是一个正确的选择。工程实施中，冷媒、支架、电缆、管线等配套材料的规格及数量需求在招标、采购过程中并不一定能描述清除。按交钥匙工程对供货方提出要求，可保证工作界面清晰，减少扯皮，控制费用支出。

4.3分阶段施工

考虑在线运行的要求，空调设备分两阶段安装，第一阶段安装设备的制冷能力和支持的机房面积应满足设备过渡运行的要求，且安装过程不应影响现有各类管路和电缆。为保证在线施工安全，施工前要求安装单位特别仔细勘察现场，了解并设计详细的系统管路接线图，注意线路避让。

4.4系统调试与测试

空调工程涉及大量隐蔽工程，调试与测试是工程实施阶段的重环节。需要做的调试和测试工作至少包括：制冷系统吹扫排污检查、制冷系统气密性实验、真空实验，管道水压实验;单体功能测试、控制系统功能检查、监控系统联调测试、风量测试。注意制冷系统的吹扫排污应用浅色布检查。为保证工程质量，应要求监理方或安装方提供隐蔽工程施工记录；管道强度实验记录、管道气密性实验记录、制冷设备运行调试报告、通风空调系统调试报告。

4.5施工管理与监督

吸取其他兄弟单位经验教训，本项目实施特别重视现场监督与管理。施工期间，不仅与大楼物业管理部门及时沟通，还每日召开现场碰头会，检查施工进度，了解施工内容，协调解决有关问题。同时，要求监理单位做好旁站，监督检查所有隐蔽工程和重要测试的现场情况。由于工作细致，措施到位，安装施工过程安全顺利，未发生漏水、断电、中断通信等意外事故，未影响IT系统的正常运行。

由于本项目实施抓住了空调工程的关键环节，比较仔细地考虑了设备与系统安装的各个技术细节，招标采购、分阶段安装施工顺利。设备安装调试完成后，还进行了比较完整的系统技术测试和试运行。试运行期间，设备运行平稳，系统整体情况良好，达到设计各项指标，工程取得较好效果。