潘慶瑤

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

從2018年12月至今，中央先后8次重要會(huì)議對(duì)“新基建”進(jìn)行了重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)。隨著2020新冠疫情的發(fā)生，國(guó)家對(duì)“新基建”更是寄予厚望。新基建包括5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)七大領(lǐng)域，以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)和融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系。數(shù)據(jù)中心作為新基建的重要組成部分，是數(shù)字化發(fā)展的基石，注定在新基建浪潮中占據(jù)重要位置。

1 數(shù)據(jù)中心及冷水空調(diào)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心是指為集中放置的電子信息設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的建筑場(chǎng)所，可以是1棟或幾棟建筑物，也可以是1棟建筑物的一部分，主要包括主機(jī)房、輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)等。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施是指在為電子信息設(shè)備提供運(yùn)行保障的設(shè)施，主要包括土建、消防、電力、暖通空調(diào)等。電力和空調(diào)作為基礎(chǔ)設(shè)施兩架馬車在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中尤為重要[1]。

電子信息設(shè)備包括服務(wù)器、交換機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備等，主要功能是對(duì)電子信息進(jìn)行采集、加工、運(yùn)算、存儲(chǔ)、傳輸以及檢索等處理。其工作特點(diǎn)是全年不間斷運(yùn)行，其電力輸入基本完全轉(zhuǎn)化為熱量，在電子信息設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行階段，其發(fā)熱量基本沒有變化，空調(diào)負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定。以1個(gè)中等數(shù)據(jù)中心為例，建筑面積20000 m2，規(guī)劃安裝電子信息設(shè)備機(jī)架共2000架（約3萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器），數(shù)據(jù)中心電力輸入20000 kVA，空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷約17300 kW?？偨Y(jié)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：冷負(fù)荷密度大（建筑面積為400 W/m2～1000 W/m2），且隨著空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)更新，冷負(fù)荷密度向更大的趨勢(shì)發(fā)展；負(fù)荷穩(wěn)定且連續(xù)不斷；自控要求高?？照{(diào)系統(tǒng)能耗大，節(jié)能潛力大。

2 數(shù)據(jù)中心集中冷水空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

某數(shù)據(jù)中心工程位于工業(yè)園區(qū)，該數(shù)據(jù)中心工程包括數(shù)據(jù)機(jī)房、制冷站以及輔助用房，建筑面積約為27000 m2，建筑面積18500 m2，建筑高度12 m，地上兩層，1層為電力電池室、二層為IT機(jī)房。由于工程位于高寒地區(qū)，隸屬于溫帶亞干旱季風(fēng)氣候，年降水量少且干旱嚴(yán)重，無(wú)霜期較短，因此在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際溫度情況進(jìn)行分析，具體的室外參數(shù)見表1。

表1 室外參數(shù)

2.1 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及冷源選擇

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)主要參照《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174，國(guó)外主要參照由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）、美國(guó)電信產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）、TIA技術(shù)工程委員會(huì)（TR42）共同制定的《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》TIA-942標(biāo)準(zhǔn)。前者將數(shù)據(jù)中心劃分為A、B、C 3個(gè)等級(jí)，后者劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個(gè)建設(shè)等級(jí)。國(guó)內(nèi)建設(shè)的數(shù)據(jù)中心絕大多數(shù)按國(guó)標(biāo)A級(jí)（即TIA-Ⅲ）建設(shè)，即空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備按冗余設(shè)計(jì)、空調(diào)管路按在線維護(hù)設(shè)計(jì)、按不間斷供冷設(shè)計(jì)[2]。以前面提到的數(shù)據(jù)中心空調(diào)配置為例：冷源構(gòu)架形式擬采用高效變頻式離心冷水機(jī)組+板換＋冷卻塔自然冷卻形式，同時(shí)考慮采用冷凍水房間級(jí)機(jī)房專用空調(diào)彌漫送風(fēng)、吊頂回風(fēng)，變頻控制等技術(shù)，并選擇合理的氣流組織形式，通過(guò)提高冷凍水溫度（冷凍水系統(tǒng)供/回水溫度18 ℃/24 ℃，打造高溫?cái)?shù)據(jù)中心），增加自然冷卻時(shí)間，使空調(diào)系統(tǒng)最大限度地節(jié)能運(yùn)行。該項(xiàng)目設(shè)置2處冷站單元，每個(gè)冷站單元共選用制冷量為4572 kW（1300RT）的離心式冷水機(jī)組3臺(tái)（2用1備），臺(tái)水冷離心冷水機(jī)組配套1臺(tái)板式換熱器，利用過(guò)渡季節(jié)或冬季較低的室外氣溫，由冷卻塔及板式換熱器自然冷卻，減少冷凍機(jī)組開啟時(shí)間、降低能源消耗[3]。

目前數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)幾個(gè)主流做法之空調(diào)冷源選擇：選擇大溫差高溫冷水機(jī)組。循環(huán)水溫對(duì)制冷機(jī)組和空調(diào)末端的影響：冷凍水出口溫度升高1 ℃，制冷機(jī)組性能系數(shù)的提升了3.5%～5%； 冷凍水溫差增加了1 ℃，制冷機(jī)組性能系數(shù)的提升了0.2%～0.3%。供回水溫差由5 ℃提升到6 ℃，現(xiàn)有的5 ℃的空調(diào)設(shè)備均能滿足要求。冷凍水供回水溫差提升到6度以上，制冷機(jī)組和空調(diào)末端需非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，成本大幅上升。根據(jù)工藝專業(yè)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的冷水循環(huán)溫度計(jì)末端設(shè)備性能參數(shù)見表2。

表2 冷水循環(huán)溫度及末端設(shè)備性能參數(shù)變化

現(xiàn)有常規(guī)有油的制冷機(jī)組的制造設(shè)計(jì)都是基于冷凍水供水溫度為7 ℃～12 ℃等國(guó)標(biāo)工況，并沒有針對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房制造相應(yīng)的高溫冷水機(jī)組的相關(guān)規(guī)范。冷凍水供水溫度提高15 ℃以上時(shí)，要考慮制冷機(jī)組的潤(rùn)滑油的回油問(wèn)題，機(jī)組內(nèi)部工藝要更改，采用特殊手段。 集合目前數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)發(fā)展，冷水系統(tǒng)一般常采用6 ℃溫差，冷水供水溫度可提升到18 ℃，能夠很好地平衡自然冷源的利用和投資成本的增加。

2.2 氣流組織

目前數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)幾個(gè)主流做法之氣流組織的確定：常用封閉冷通道和封閉熱通道2種方式。對(duì)房間空調(diào)來(lái)說(shuō)，2種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：封閉冷通道是將冷風(fēng)送至架空地板下，再利用架空地板形成的靜壓箱將冷風(fēng)直接輸送至封閉冷通道（冷池）內(nèi)，帶走數(shù)據(jù)設(shè)備內(nèi)的熱量，從機(jī)柜后部或上部排出，再回到空調(diào)機(jī)組上部回風(fēng)口進(jìn)行處理，氣流組織合理，達(dá)到“先冷設(shè)備、后冷環(huán)境”的目的。

封閉熱通道是將冷風(fēng)送至空調(diào)區(qū)（靜壓箱）后直接送至機(jī)房冷通道內(nèi)，不設(shè)架空地板，帶走數(shù)據(jù)設(shè)備內(nèi)的熱量，從機(jī)柜后部排出至封閉熱通道，再通過(guò)熱回風(fēng)道回至空調(diào)機(jī)組上部回風(fēng)口進(jìn)行處理，氣流組織合理，通過(guò)提高回風(fēng)溫度，相應(yīng)可提高冷凍水供回水溫度，增加風(fēng)道換熱和自然冷卻時(shí)間，達(dá)到節(jié)能目的[4]。就2種封閉冷/熱通道技術(shù)來(lái)說(shuō)，目前行業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)中心IT 機(jī)房空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以封閉冷通道為主，封閉熱通道、彌漫送風(fēng)的方式應(yīng)用較少，見表3，可以證明采用封閉熱通道的方式可以提高機(jī)組COP及延長(zhǎng)免費(fèi)制冷時(shí)間。

綜上所述，采用封閉熱通道，基于此冷凍水供水溫度可提升至18 ℃以上。自然冷卻利用率提高了35%，有利于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排。

2.3 免費(fèi)供冷

目前數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)幾個(gè)主流做法之水系統(tǒng)免費(fèi)供冷：目前集中冷水空調(diào)系常規(guī)配置為水冷離心冷水機(jī)組配套板式換熱器，利用過(guò)渡季節(jié)或冬季較低的室外氣溫，由冷卻塔及板式換熱器自然冷卻，減少冷凍機(jī)組開啟時(shí)間，并通過(guò)提高冷凍水溫度（冷凍水系統(tǒng)供/回水溫度18 ℃/24 ℃，打造高溫?cái)?shù)據(jù)中心），增加自然冷卻時(shí)間，使空調(diào)系統(tǒng)最大限度地節(jié)能運(yùn)行，降低能源消耗。該案例屬于建筑熱工分區(qū)中的夏熱冬冷地區(qū)，濕度Ⅱ區(qū)（潮濕地區(qū)）。全年室外濕球溫度≤10 ℃的時(shí)間約3079 h（約138 d），自然冷源利用時(shí)間占全年的35.15%。

為了保證系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行，該設(shè)計(jì)冷卻塔風(fēng)機(jī)、水泵等均配套變頻控制，冷凍水空調(diào)系統(tǒng)配套集中自控系統(tǒng)，系統(tǒng)管道選用電動(dòng)切換閥門，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與自動(dòng)切換控制，提高空調(diào)系統(tǒng)整體能效。

每個(gè)制冷單元組的制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻3種運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換控制。當(dāng)室外濕球溫度降低，冷卻塔提供的冷卻水供水溫度低于21 ℃時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入部分自然冷卻狀態(tài)，冷卻水經(jīng)板式換熱器冷卻冷凍水回水，冷凍水回水經(jīng)板式換熱器部分冷卻后進(jìn)入冷凍機(jī)蒸發(fā)器，提供18 ℃的冷凍水。當(dāng)室外濕球溫度足夠低，冷卻塔可以提供低于16.5 ℃的冷卻水時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入完全自然冷卻狀態(tài)，冷凍水經(jīng)板式換熱器與冷卻水水水交換，直接提供18 ℃的冷凍水，冷水機(jī)組關(guān)閉。

3 水冷系統(tǒng)與風(fēng)冷系統(tǒng)

3.1 水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1.1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用二級(jí)泵環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，其中一級(jí)泵、二級(jí)泵軍采用變頻控制技術(shù)，機(jī)房管路設(shè)計(jì)的是需要綜合考慮管道互通要求，提高管道安全性和耐久性。但是需要注意的是，冷水機(jī)組在提供大量冷量的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定的熱能，通過(guò)冷卻塔散熱，冷卻水在溫度變化之后與冷水機(jī)組能耗變化有相反的趨勢(shì)。

表3 封閉冷/熱通道技術(shù)比較表

根據(jù)表4，將冷卻塔能耗與冷水機(jī)組能耗綜合在一起考慮，就可以找到冷卻水溫度的最佳優(yōu)化點(diǎn)，對(duì)于整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有節(jié)能優(yōu)勢(shì)。在具體設(shè)計(jì)中，如果數(shù)據(jù)中心室外溫度為18 ℃，冷水空調(diào)系統(tǒng)處于滿負(fù)荷狀態(tài)，在此狀態(tài)下隨著水冷系統(tǒng)的變化，冷水機(jī)組和冷卻塔的能耗隨之發(fā)生變化。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)符合逐漸減少，室外濕球溫度逐漸下降，冷卻水系統(tǒng)的溫度也隨之上升，因此在設(shè)計(jì)中根據(jù)不同濕球溫度變化情況，冷水機(jī)組的荷載也會(huì)發(fā)生變動(dòng)，此時(shí)可以采用智能控制方法將冷卻塔運(yùn)行控制與冷水機(jī)組運(yùn)行控制緊密地結(jié)合在一起。

表4 冷卻水溫度對(duì)冷卻塔、冷水機(jī)組能耗的影響

3.1.2 蓄冷罐設(shè)計(jì)

為了保證空調(diào)系統(tǒng)制冷的連續(xù)性、穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中配置了支撐系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行20 min的蓄冷水量，這些數(shù)量主要存儲(chǔ)在蓄冷罐內(nèi)。當(dāng)數(shù)據(jù)機(jī)房運(yùn)行初期，數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)熱量很低，屬于輕微荷載運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)可充分蓄冷罐內(nèi)部的冷量，減少主機(jī)開停機(jī)次數(shù)。根據(jù)過(guò)去的工作經(jīng)驗(yàn)可知，即使制冷主機(jī)在可以開啟的條件下正常運(yùn)行，初期冷負(fù)荷也十分不穩(wěn)定，導(dǎo)致主機(jī)頻繁啟動(dòng)、停止，給空調(diào)主機(jī)使用壽命造成威脅。此時(shí)，由于蓄冷罐的存在，當(dāng)?shù)拓?fù)荷運(yùn)行不穩(wěn)定的時(shí)候，主機(jī)停機(jī)時(shí)間隨之延長(zhǎng)，避免發(fā)生主機(jī)頻繁啟動(dòng)現(xiàn)象，增加了主機(jī)運(yùn)行效益，提升了主機(jī)使用耐久性。

3.1.3 自由冷卻運(yùn)行

自由冷卻運(yùn)行是冬季空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的主要方式，也是實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能運(yùn)行的重要途徑。在數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)計(jì)中，過(guò)渡季節(jié)和冬季運(yùn)行中，可以充分利用室外較低溫度進(jìn)行室內(nèi)降溫，這種方法相對(duì)于常規(guī)空調(diào)來(lái)說(shuō)，既節(jié)能又經(jīng)濟(jì)，對(duì)于全面供冷的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有著巨大的節(jié)能潛力。

在設(shè)計(jì)中，將自由冷卻系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)串聯(lián)在一起，配置相應(yīng)的冷卻塔、水循環(huán)泵、換熱器，在不適用自由冷卻系統(tǒng)的季節(jié)，冷卻塔與主機(jī)一并使用，由此降低冷卻水水溫，進(jìn)而提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效益，在保證室內(nèi)溫度的同時(shí)降低空調(diào)能耗。

3.1.4 水處理

在空調(diào)水系統(tǒng)中，由于空調(diào)內(nèi)部本身存在許多腐蝕物、微生物以及其他微量元素，這些微生物、微量元素以及腐蝕物的存在使空調(diào)在長(zhǎng)期運(yùn)行中出現(xiàn)機(jī)組蒸發(fā)器、抗凝器以及表冷器管腐蝕的現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，腐蝕力度逐漸增加，水流阻力也逐漸增加，機(jī)組運(yùn)行效率降低，不僅縮短了機(jī)組的使用壽命，還容易引發(fā)安全事故。因此，在設(shè)計(jì)中必須要做好空調(diào)水系統(tǒng)處理工作。目前常見的空調(diào)水處理主要是以化學(xué)處理、電子水處理儀等為主，另外水過(guò)濾的安裝也必須給與高度重視。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，水過(guò)濾器通常設(shè)置在制冷機(jī)組、空調(diào)機(jī)組的進(jìn)水管上面。

3.2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 主機(jī)房設(shè)計(jì)

主機(jī)房?jī)?nèi)所有的IT機(jī)柜均采用面對(duì)面、背對(duì)背的布置方式，與機(jī)組空調(diào)形成垂直擺放的模式。這種擺放方式讓機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)形成下送上回的送風(fēng)方式，機(jī)房空調(diào)機(jī)組能迅速將已經(jīng)處理好的冷空氣送入活動(dòng)地板靜壓箱內(nèi)，通過(guò)地面開放式格柵吹向計(jì)算機(jī)設(shè)備，室內(nèi)溫度上升，利用封閉熱通道和吊頂靜壓箱進(jìn)行回風(fēng)。

3.2.2 新風(fēng)系統(tǒng)

新風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候要嚴(yán)格控制新風(fēng)量，并按照空調(diào)系統(tǒng)原則科學(xué)制動(dòng)通風(fēng)率。首先，滿足數(shù)據(jù)中心工作人員最小新風(fēng)量需求，通常每人每天的新風(fēng)量大約為40 m3/h。其次，由于數(shù)據(jù)中心本身對(duì)空氣壓力的要求很高，在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須滿足室內(nèi)正壓要求。再次，夏季新風(fēng)處理要與室內(nèi)溫度匹配，在控制室內(nèi)溫度的同時(shí)控制室內(nèi)濕度。最后，送入室內(nèi)的新風(fēng)能滿足IT和電氣機(jī)房的正壓需要，及時(shí)阻止外界灰塵進(jìn)入室內(nèi)，防治靜電產(chǎn)生的同時(shí)避免出現(xiàn)節(jié)水聚集。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)基于通信設(shè)備運(yùn)行的性質(zhì)特點(diǎn)，既要保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)考慮系統(tǒng)節(jié)能減排，特別是大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，降低能耗是系統(tǒng)架構(gòu)考量的重要環(huán)節(jié)。

常規(guī)集中冷水空調(diào)系統(tǒng)其能耗主要由冷源能耗（主機(jī)能耗）、輸送能耗（水泵能耗）、末端能耗（風(fēng)機(jī)能耗）3個(gè)部分組成，在保證通信設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，可從各環(huán)節(jié)入手，以達(dá)到節(jié)能目的。該文著重介紹了數(shù)據(jù)中心常規(guī)冷水空調(diào)系統(tǒng)的冷源配置及末端氣流組織形式以及數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的常規(guī)做法。隨著數(shù)據(jù)中心的蓬勃發(fā)展，通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理也發(fā)生了巨大的變化，其冷卻系統(tǒng)隨之展現(xiàn)出更多的形式，蒸發(fā)冷卻風(fēng)系統(tǒng)空調(diào)、機(jī)柜冷卻、服務(wù)器液冷系統(tǒng)等應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，期待更簡(jiǎn)潔高效、綠色節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。