西安某数据机房空调制冷系统的节能设计

　　近年来随着社会的发展和人民生活水平的提高，金融、网络、通信、电力等各行各业都开始集中建设数据机房；由于数据容灾机房建设在国内属于新型项目，没有成熟的设计思路，且属于各行业高度机密部门，收资困难。投资大、安全可靠性要求高、能耗大是数据容灾机房的最大特点。在数据机房建设中如何节约投资，提高安全可靠性，减小能耗，降低PUE值至为重要。而在我国数据机房建设中，空调能耗约占总能耗的45%，国内有些机房空调能耗甚至达总能耗的60%。数据机房：为数据存贮设备提供运行环境的场所，可以是一幢建筑物或建筑物的一部分，包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区等。
1 工程概况
本工程规划净用地30.147亩，布置有数据中心机房、地下柴油发电机室，均一次建成。数据机房（地上四层，地下一层）建筑面积为18020.46平方米，地下柴油发电机室为全地下1层，建筑面积为723.68平方米，一期总建筑面积18744.14平方米。机房及地下柴油发电机室已全部建成，且数据机房一、二层（共四个标准模块机房和一个非标准机房）及部分地下室设备用房已投入运行。根据机房建设的定位、使用性质、管理要求和重要性，该机房按《电子信息系统机房设计规范》GB50174—2008中A级机房标准建设，冗余等级达到国际机房建设Tier3，局部达到Tier4的国际最高水平。
2 负荷分析
注：二层405m2的标准数据机房共3个。从上述列表可以看出，数据机房内机柜散热量远远大于冬季维护结构消耗的热量，因此数据机房空调需常年制冷。
3 业主方的要求
本工程属某大型国企同时在北京、上海、西安建设的三个数据机房之一，按照业主方总部要求：数据机房、通信机房、网络机房、测试机房及UPS室采用机房专用精密空调；中控室、应急指挥中心采用组合式空调机组；运维会商室室、软硬件调试室、介质库、各办公室等辅助用房采用风机盘管系统；机房专用精密空调采用冷冻水型，全年7*24h供冷；组合式空调机组、风机盘管夏季供冷，冬季供暖，过渡季节关闭；新风机组全年7*24h运行，夏季及过渡季节制冷，冬季新风系统不做温度处理，仅做过滤处理。制冷设备采用N+1冗余配置，采用双回路供回水系统，末端采用环状供回水管网，正常情况下双路冷冻水系统各承担50%负载的模式运行，如果某一路出现故障或检修维护时，负载自动切换到另一冷冻水系统。
4 制冷系统的优化设计
在数据机房空调制冷中，国内一般均采用水冷冷水机组全年制冷，压缩机能耗很高，为降低空调制冷压缩机能耗，我们对制冷系统进行了优化，使系统可充分利用室外的自然冷源，即冬季室外温度较低，通过换热完全可以达到降低机房内温度时，采用室外冷却塔与室内换热器换热制冷；当夏季室外温度较高，通过换热不可能降低机房温度时，采用制冷压缩机工作制冷；当过渡季节室外温度较低，通过换热可以降低数据机房内的温度，但达不到设定值要求时，先采用室外冷却塔与室内换热器换热制冷，再采用制冷压缩机工作制冷，达到设定之后送入末端。5系统控制说明
自然冷却运行工况点为室外湿球温度≤8℃，即在环境湿球温度低于系统出水温度1～2℃时即可以开启自然冷却功能。系统运行如下：
室外湿球温度≤3℃完全自然冷却时，系统相当于1用3备；室外湿球温度3℃—8℃采用联合供冷时，1号板换与1号主机、2号板换、2号主机，系统相当于1用1备；室外湿球温度>8℃采用冷水主机供冷，系统相当于1用1备。
A）由机械制冷切换到自然冷却的切换说明：
第一、必须同时满足下列三条：
①室外湿球温度低于8℃，时间持续20分钟以上；水温持续下降或水泵流量持续降低；②冷水机组负荷小于单机总负荷的95%（切换后机组为单离心机组运行，故机组负荷需要小于单机负荷，并保留5%裕量）；⑧冷水机组负荷大于单机工作允许的最小负荷，本工程为机组额定容量的15%。
第二、切换与负荷调节：①若负荷低于40%，机组处于单机运行状态；②若负荷为40%-95%，机组在切换之前，关闭热备机器，机组负荷调整为单机运行负荷；③切换后机组泵流量不变，检测出水温度，离心机组可以自动调低负荷至设定的出水温度。以充分利用自然冷却；④若水流量低于水流额定流量的90%，则逐渐增大冷冻水泵流量至额定的100%，以换热器前回水温度控制冷水机组输出，不断调低离心机输出至15%。（机房若有温度上升，EC风机会自动调高风量输出，强化换热，以提高携冷量。规定90%流量是考虑机组切换的回差。）⑤冷水机组负荷低于15%，则关闭离心机，开启2号板换，以低负荷运行或可以让冷水机组热备，以应对过渡季节的温度及负荷变化。
第三、冷水机组关闭或处于热备，若换热器出水温度低于设定值，侧减少冷却塔泵侧水流量。
B）自然冷却到机械制冷的切换说明：
第一、必须同时满足：①机组处于热备；②水泵处于90%以上负荷；⑧板换回水温度高于设定回水温度12+0.5℃，且持续升高；④连续检测到机房控制温度高于设定点2℃，30s立即调整负荷；⑤冷却水回水温度高于13℃：⑥总冷负荷大于单台冷水机组负载的15%，即450kW。
第二、机组处于热备48小时内无运行记录，机组处于冷备；①水泵处于90%以上负荷；②板换回水温度高于设定回水温度12+0.3℃：⑧连续检测到机房控制温度高于设定点2℃，30s：④泵以最大负荷运行，机组240s内启动。⑤1号（主机）系统与2号（主机）系统互为备用，单机运行时，轮流备份。
6 结论
根据2008年西安地区气象参数统计，西安全年可完全利用换热制冷的时间达到3107小时，可利用换热和压缩机工作联合制冷的时间为1167小时，制冷系统切换延误率按15%考虑，利用该全年制冷系统，本工程空调制冷压缩机年节约用电达到34%。本工程采用两套制冷系统并联布置，两套制冷系统互为备用，夏季及过渡季节达一用一备，冬季达一用三备；采用双路供回水系统，末端采用环状供回水管网，避免单点故障，有效增强系统的安全可靠性；正常情况下两个系统各负担50%的负荷运行，当一个系统故障时，另一个系统满负荷运行，有效增加系统冷冻水容量，系统内冷冻水量可满足机房运行半小时不宕机，使机房的安全可靠性得到进一步提高。