黃 璜，馬榮軍，鄭竺凌（上海市建筑科學研究院，上海 200232)

1 數(shù)據(jù)中心概況

1.1 項目介紹

該數(shù)據(jù)機房面積 9 000 m2，是進行數(shù)據(jù)處理和支持關(guān)鍵業(yè)務功能繼續(xù)運行的場所。由于該數(shù)據(jù)中心是 7×24 h 運行的，制冷系統(tǒng)運行工況的穩(wěn)定性與可靠性尤其重要，外加制冷系統(tǒng)的能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的比例僅次于 IT 設(shè)備，因此，通過科學的運行測試與檢測手段合理指導節(jié)能優(yōu)化運行顯得尤為重要。同時在 IT 設(shè)備運營的過程中制冷系統(tǒng)的負荷可能發(fā)生突變，引起設(shè)備工況劇烈波動導致報警或故障，還需通過對制冷系統(tǒng)的監(jiān)測調(diào)整使得運行平穩(wěn)過渡。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)

該數(shù)據(jù)機房設(shè)置了獨立的冷凍水制冷空調(diào)系統(tǒng)。采用活動地板下送風、上回風方式，未采取冷熱通道隔離措施。該數(shù)據(jù)機房采用冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的 A 級數(shù)據(jù)中心設(shè)置蓄冷設(shè)施，蓄冷時間應滿足電子信息設(shè)備的運行要求；控制系統(tǒng)、末端冷凍水泵、空調(diào)末端風機應由不間斷電源系統(tǒng)供電；冷凍水供回水管路采用環(huán)形管網(wǎng)方式。主機房維持正壓，主機房與其他房間、走廊的壓差約 5 Pa，與室外靜壓＜1 Pa。

該空調(diào)系統(tǒng)屬于集中冷源+末端精密空調(diào)水盤管系統(tǒng)，制冷效率較高，具有明顯節(jié)能降耗效果，減小空調(diào)設(shè)備的投資。正是由于這些特點，使此類空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心得到廣泛應用。由于冷凍水空調(diào)系統(tǒng)中安裝的設(shè)備和閥門等部件較多，所以系統(tǒng)故障點就多。為了達到靈活、可靠、易維護和節(jié)能的需求，冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)設(shè)計比較復雜。深入調(diào)研并檢測冷凍水空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的實際應用，對于保障業(yè)務安全穩(wěn)定高效運行意義重大。

該制冷系統(tǒng)采用開利 19 XR 離心式冷水機組（具體設(shè)計參數(shù)見表 1）600 ton 4 臺，2010 年出廠；離心機供水溫度約 8 ℃，2 臺并機工作，單臺負載率長期穩(wěn)定在 55%～60%之間；末端空調(diào)為雙供回冷凍水型與機房平衡閥控制，單個機房 9 臺空調(diào)；冷機需要全年運行；制冷系統(tǒng)設(shè)備定期輪換運行：每半月 2 組冷機輪換，1號、5號一組，2號、6號一組；單 IT 機房末端空調(diào) 9 臺配置，定期輪換。

表1 機房專用空調(diào)單臺設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2 測試儀器及分析依據(jù)

現(xiàn)場工作時間從 2017 年 9 月 19 日至 10 月 30 日。前期準備測試儀器以及實施方案，后期分析處理數(shù)據(jù)并提出修改意見，完善指標體系與監(jiān)測方案。對實際數(shù)據(jù)機房的測試的時間為 15 d。為保證實測數(shù)據(jù)的連貫性和實效性，實際測試中不能中止。對實際測試的數(shù)據(jù)進行理論性分析，并結(jié)合測試中存在的各種影響因素對實測數(shù)據(jù)機房的現(xiàn)狀進行節(jié)能型分析研究。

2.1 冷凍機組監(jiān)測方法

對冷凍機進行性能測試來判斷冷機選型是否合理，要根據(jù)冷機工作效率范圍來判斷是否造成浪費。測試內(nèi)容涉及整個供冷季測試冷機的逐時實際冷量、耗電量，并計算冷機在各種負荷率下的 COP。表 2 為具體需要測試的物理量、測試儀器以及測試位置。

表2 冷凍機組性能測試參數(shù)

2.2 使用儀器設(shè)備

通過利用已有的測試儀器如表 3 所示。

表3 實測數(shù)據(jù)機房使用儀器設(shè)備表

2.3 分析依據(jù)

以GB/T 19412—2003《蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的測試與評估》、GB/T 25858—2010《精密空調(diào)機組性能測試方法》、GB/T 26194—2010《蓄冷系統(tǒng)性能測試方法》等為分析依據(jù)。

3 測試數(shù)據(jù)及其分析

3.1 冷凍機組測試

2017 年 9 月 27 ～10 月 10 日期間對數(shù)據(jù)機房內(nèi)冷水機組的物理參數(shù)進行采集。5-19 XR 離心式冷水機組為1-19 XR 離心式水冷機組的備用設(shè)備，因此選取 1-19 XR 和5-19XR 作為對照進行測試。圖 1 為 1號冷水機組在不同時間下的溫度測試，圖 2 為 5號冷水機組在不同時間下的溫度測試。

圖1 1號冷水機組在不同時間下的溫度測試

圖2 5號冷水機組在不同時間下的溫度測試

由圖 1、2 所示可以看出，冷水進出口溫度、冷卻水進出口溫度、機組蒸發(fā)冷凝溫度以及油溫隨時間變化起伏不大，只有測試初期出現(xiàn)溫度起伏，除此之外溫度變化基本穩(wěn)定。由于冷凍水進出口溫度及冷卻水進出口溫度是在一定合理的范圍內(nèi)變化，因此不會對制冷需求造成影響。

圖 3 為 1號和 5號 2 臺冷水機組的 COP（制冷性能系數(shù)）與額定 COP 之間的對比，額定工況下的 COP 為 5.64，1號和 5號 2 臺冷水機組實際運行工況下的 COP 均略低于額定工況下的 COP。5號冷水機組運行時的 COP 更接近于額定工況下的 COP，但是 1號冷水機組在實際運行過程中比 5號機組更為穩(wěn)定，COP 變化幅度不大。將 COP 換算為制冷設(shè)備運行效率 kW/ton，1號冷水機組的冷凝器進水溫度都在 29 ℃ 左右，制冷設(shè)備運行效率都在 0.7 kW/ton左右。1號冷水機組的單臺冷機負荷率位于 55%～60% 之間，處于正常運行工況。5號冷水機組的冷凝器進水溫度在 29 ℃ 左右，制冷設(shè)備運行效率在 0.64 kW/ton 左右，5號冷水機組的單臺冷機負荷率位于 70%～75% 之間，處于高效運行工況。單臺冷機制冷量無法滿足所有 IT 發(fā)熱量需求，但 2 臺并機運行易造成機組卸載與喘振停機風險，因此采取冷水機組日常開 2 臺并機分組交替運行的運行方法。

圖3 1號、5號COP和額定COP

3.2 空調(diào)末端運行測試

2017 年 10 月 11 日和 12 日期間以一層的 8 個數(shù)據(jù)機房室內(nèi)的逐時溫度、濕度進行實時采集。每個機房內(nèi)配有 9 臺相同配置的精密空調(diào)。數(shù)據(jù)機房內(nèi)溫度分布見表 4，數(shù)據(jù)機房內(nèi)濕度分布見表 5。

表4 數(shù)據(jù)機房內(nèi)溫度分布 ℃

表5 數(shù)據(jù)機房內(nèi)濕度分布 %

數(shù)據(jù)機房內(nèi)部室內(nèi)溫濕度設(shè)定值分別為 22 ℃ 和 50%。由表 4 和表 5 可以看出，數(shù)據(jù)機房內(nèi)溫濕度明顯處于分布不均勻狀態(tài)。數(shù)據(jù)機房 1-3、1-4、1-5和1-6 內(nèi)溫度分布較為均勻，但都低于要求溫度 22 ℃，而數(shù)據(jù)機房 1-1、1-2、1-7和1-8 出現(xiàn)明顯的溫度分布不均勻，最高與最低溫度相差較大，尤其是數(shù)據(jù)機房1-7，室內(nèi)溫度的最高值與最低值相差8.8 K，導致數(shù)據(jù)機房內(nèi)部出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。室內(nèi)濕度的分布與溫度分布類似，數(shù)據(jù)機房 1-3、1-4、1-5 和 1-6的 4 個機房濕度分布較為均勻，其中 1-3 和 1-4 機房較為接近要求濕度，而 1-5 和 1-6 機房雖然濕度分布均勻卻都高于 60%。機房 1-1、1-2、1-7 和 1-8內(nèi)濕度分布嚴重不均，甚至有的測試點濕度高達 95%，濕度過高嚴重降低了數(shù)據(jù)機房電路的可靠性。

4 結(jié) 語

通過對數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫濕度以及冷卻機組的各參數(shù)的測量，對空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力進行了分析，總結(jié)出影響數(shù)據(jù)機房未達到預期設(shè)計效果的原因與改進措施如下：

（1）空調(diào)系統(tǒng)地板送風風口沒有根據(jù) IT 設(shè)備產(chǎn)生的運行負荷進行合理分布，導致部分數(shù)據(jù)機房出現(xiàn)局部溫度較高或較低。在機房設(shè)備實際運行中，由于數(shù)據(jù)機房內(nèi)設(shè)備安裝不平衡，部分區(qū)域大功率設(shè)備安裝集中而目前的空調(diào)系統(tǒng)無法提供足夠的制冷量，導致數(shù)據(jù)機房內(nèi)部局部過熱的現(xiàn)象，IT設(shè)備運行安全性降低，甚至會導致個別設(shè)備因過熱而停機等嚴重后果。同時由于部分區(qū)域濕度過大，降低了 IT 設(shè)備運行和可靠性，嚴重時可以導致個別設(shè)備出現(xiàn)短路現(xiàn)象。因此需要根據(jù)數(shù)據(jù)機房內(nèi) IT 設(shè)備的具體運行負荷對空調(diào)系統(tǒng)分配做出合理調(diào)整。由于空調(diào) BA 自控系統(tǒng)未實現(xiàn)根據(jù)負荷變化情況，所以空調(diào)系統(tǒng)宜采用變頻、自動控制等技術(shù)進行 IT負荷調(diào)節(jié)，以保證溫濕度在合理要求范圍內(nèi)的同時達到節(jié)能的目的。

（2）由于數(shù)據(jù)機房內(nèi)單臺柜體設(shè)備采用前后通風，且該數(shù)據(jù)機房沒有采取冷熱通道隔離措施，熱量堆積在設(shè)備內(nèi)不能及時排除造成熱島效應。因此應在數(shù)據(jù)機房 IT 設(shè)備上方與吊頂之間設(shè)置隔板將冷熱通道分離，防止冷空氣旁通，增強散熱能力。