王桂坤

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 工程概況

甘肅金昌某大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)位于絲綢之路經(jīng)濟帶甘肅黃金段中部，一期總建筑面積約50 000 m2，包括兩棟數(shù)據(jù)中心、兩棟動力中心、一棟集控中心以及一棟維護支撐中心。綜合考慮政府、大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、中小企業(yè)對機房等級的要求，一期可租用機柜有5 086個，單機柜平均功率為4.2 kW。目前，項目已經(jīng)通過國標A級和Uptime Institute Tier Ⅲ設計認證。

金昌地區(qū)屬大陸性溫帶干旱氣候，光照充足、降水量少、干燥多風且蒸發(fā)量大，海拔高度為1 976.1 m，年平均氣溫為5 ℃，極端最高氣溫為35.1 ℃，極端最低氣溫為-28.3 ℃，年日照率為51%～66%，年降水量為140～350 mm。區(qū)域年均蒸發(fā)量是降水量的18倍，是全國110個重點缺水城市和13個資源型缺水城市之一。較低的室外溫度大大增加了數(shù)據(jù)中心自然冷源的利用時間，但是復雜多變的室外氣象條件給數(shù)據(jù)中心的暖通設計帶來了很大的難度。

2 技術方案

2.1 空調(diào)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心有著高負荷和需全年供冷的特點，對空調(diào)系統(tǒng)運行的安全性、可靠性以及適用性要求較高。充分考慮到建筑平面布局、地域氣候特點、綠色節(jié)能要求以及工程投資等諸多因素，本數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷源采用集中式冷凍水空調(diào)系統(tǒng)。

考慮建筑圍護結構負荷、照明和人員負荷以及相關專業(yè)提供的最終滿配置情況下數(shù)據(jù)設備的裝機容量，計算確定整棟數(shù)據(jù)中心的空調(diào)冷負荷。

2.1.1 冷負荷計算

機房內(nèi)空調(diào)計算冷負荷Q=Q1+Q2，其中Q1為設備散熱量，Q2為由機房外墻等圍護結構、太陽輻射、人員及照明等因素引起的冷負荷。經(jīng)計算，單棟數(shù)據(jù)中心空調(diào)總冷負荷13 287 kW。

2.1.2 冷源的選擇

根據(jù)金昌地區(qū)氣候條件，綜合考慮節(jié)能、節(jié)水、降低投資、便于維護以及安全性等因素，結合工藝需求，本項目空調(diào)系統(tǒng)采用50%帶自然冷卻的蒸發(fā)冷凝冷凍水機組+50%帶自然冷卻的風冷冷凍水機組的冷源形式，冷凍水系統(tǒng)供/回水溫度12/18 ℃，屋頂設置空調(diào)水泵房。每棟數(shù)據(jù)中心設置6臺（5+1備份）單臺制冷量為1 489 kW的帶自然冷卻風冷冷水機組，對應4臺（3+1備份）冷凍水泵，UPS保障；8臺（7+1備份）單臺制冷量為900 kW的帶自然冷卻的蒸發(fā)冷水機組，對應5臺（4+1備份）冷凍水泵，UPS保障。

為保障市電斷電時的不間斷供冷，設置滿足系統(tǒng)15 min供冷要求的蓄冷罐。蓄冷罐采用臥式閉式承壓蓄冷罐，每棟數(shù)據(jù)中心設置4臺，單臺140 m3，室外埋地安裝。設置蒸發(fā)冷卻補水應急水池，保障市政停水24 h的補水需求，水池容積為200 m3。

為充分利用冬季及過渡季節(jié)室外冷源，系統(tǒng)根據(jù)室外溫度情況分3種工況運行。一是機械制冷；二是部分自然冷卻；三是完全自然冷卻，三者可根據(jù)室外溫度自動切換。

空調(diào)冷凍水系統(tǒng)溫度設置為12/18 ℃冷凍水，可提高機組運行效率及自然冷卻技術的使用時間。根據(jù)金昌地區(qū)室外氣象條件，全年可利用室外自然冷源時間達到5 590 h，占全年運行時間的63.8%。

空調(diào)系統(tǒng)水路的設計滿足無單點故障要求。在空調(diào)水泵房側采用分集水器，在末端干管采用環(huán)狀管路設計，以滿足數(shù)據(jù)機房區(qū)在線維護需求。

2.1.3 空調(diào)配置

空調(diào)末端低密機房采用冷凍水型房間級精密空調(diào)，N+1配置，下送風上回風；高密機房采用冷凍水型行級空調(diào)，每個冷通道內(nèi)N+1配置，前送風背回風；UPS間采用冷凍水型房間級精密空調(diào)，N+1配置，上送風前（背）回風；電池間及運營商接入室采用冷凍水型房間級精密空調(diào)，N+1配置，上送風前回風。機房均采用冷通道封閉系統(tǒng)，提高制冷效率。低密機房同時配置濕膜加濕機組，高密機房加濕考慮行級空調(diào)自帶加濕。

2.2 供暖系統(tǒng)

2.2.1 供暖系統(tǒng)概述

園區(qū)一期設置集中供暖系統(tǒng)，維護支撐用房辦公、餐廳及公寓等房間采用地面輻射供暖方式，熱媒為45～35 ℃低溫熱水，維護支撐用房其他房間、集控中心、數(shù)據(jù)中心以及動力中心采用散熱器（鋼管三柱型）供暖方式，熱媒為85～60 ℃熱水。

2.2.2 供暖熱源及管網(wǎng)

園區(qū)一期散熱器供暖系統(tǒng)總熱負荷為999 kW，熱源由兩臺電熱真空熱水機組提供，后期采用市政供熱管網(wǎng)，圍墻預留接至市政熱網(wǎng)接口。輻射供暖系統(tǒng)總熱負荷為500 kW，熱源由水源熱泵機組（單臺制熱量590 kW）提供。電熱真空熱水機組及水源熱泵機組均設置在A1數(shù)據(jù)中心地下室內(nèi)。

室外供暖管道均呈枝狀布置，接至每棟需供暖建筑物單體。供暖管道采用地溝敷設方式，覆土厚度不小于0.5 m。室外供暖管道應盡量采用自然補償。當自然補償不能滿足要求時，采用波紋補償器補償。

3 節(jié)能措施

一是采用蒸發(fā)冷凝冷凍水機組，綜合水冷和風冷的優(yōu)勢，不僅大幅降低耗水量，而且大幅提升制冷效率。二是利用水源熱泵機組回收機房余熱。冬季水源熱泵機組冷凝側制備供暖所需熱水，同時蒸發(fā)側產(chǎn)生的冷水可直接為數(shù)據(jù)中心供冷。一方面利用機房余熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)供暖能源消耗，另一方面大幅降低數(shù)據(jù)中心完全自然冷卻階段機組和水泵的運行功耗。三是充分考慮采用水蓄能技術。前期數(shù)據(jù)中心上架率低的情況下，夜間低谷段進行蓄冷，白天平時段進行放冷，能夠有效降低制冷系統(tǒng)的運行費用。四是利用自然冷卻技術。金昌地區(qū)溫度13 ℃以下時長達5 590 h，占全年總時長的63.8%，室外自然冷源較為豐富。在低溫季節(jié)和過渡季節(jié)，壓縮機將停止工作，充分利用自然冷源，可降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。五是采用高溫冷凍水，將供回水溫度提高至12/18 ℃。一方面大幅度提高主機效率，冷凍水溫度每提高1 ℃，空調(diào)效率約提高3%左右，空調(diào)主機能效提高15%～30%，系統(tǒng)節(jié)能率約提高5%～10%。另一方面可增加自然冷源利用時長，大幅減少機械制冷時間，降低PUE。六是提高冷凍水供回水溫差（6 ℃），減少水泵流量及輸送管道管徑，還可以減少空調(diào)系統(tǒng)用電容量，進而減少投資。七是采用獨立的濕膜加濕。摒棄傳統(tǒng)的電極加濕方法，采用無功耗且獨立的濕膜加濕，通過供水管路或者循環(huán)水系統(tǒng)將水送到濕膜頂部，水在重力作用下沿濕膜表面往下流，從而將濕膜表面潤濕。當空氣穿過潮濕的濕膜時，濕度增加，溫度降低，在這個過程中，濕膜上的少量水被蒸發(fā)掉，但是不消耗額外的能源。八是提高回風溫度?？照{(diào)回風溫度提升1 ℃，制冷量將增長6%左右，可有效降低風機功耗。九是采用變頻技術。機組、水泵以及末端風機等選用變頻技術可滿足部分負荷時空調(diào)系統(tǒng)的高效性。十是制定合理的群控方案，以保證機房溫度和濕度控制在合理范圍。

4 結 論

本項目根據(jù)金昌氣候條件、水資源條件以及工藝需求進行綜合考慮，空調(diào)系統(tǒng)采用帶自然冷卻的蒸發(fā)冷凝冷凍水系統(tǒng)和風冷冷凍水系統(tǒng)，同時配置水源熱泵進行熱量回收及綜合利用，全年平均PUE值為1.32，平均WUE值為1.15。針對嚴寒缺水地區(qū)大型數(shù)據(jù)中心是一種行之有效的設計方案，可供其他類似項目借鑒參考。