工 业 技 术
2021 NO.3（上）中国新技术新产品数据中心集中冷水空调系统设计要点
潘庆瑶
（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052）
摘 要：目前，数据中心服务器功率密度要求越来越高，水冷空调系统已成为其运行中主要基础设施，该文结合工程实际介绍了数据中心划分标准，常规集中冷水空调系统的设计架构及主要设备的配置。针对数据中心空调系统的特点，着重介绍了空调系统节能减排的技术措施，具备实际操作意义。关键词：数据中心；冷源；气流组织；免费供冷中图分类号：TU 831.3 文献标志码：A
０ 引言
从2018年12月至今，先后8次重要会议对“新基建”进行了重点强调。随着2020新冠疫情的发生，国家对“新基建”更是寄予厚望。新基建包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域，以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级和融合创新等服务的基础设施体系。数据中心作为新基建的重要组成部分，是数字化发展的基石，注定在新基建浪潮中占据重要位置。
较短，因此在空调系统设计中需要结合当地实际温度情况进行分析，具体的室外参数见表1。
表1 室外参数
夏季
干球温度／℃湿球温度／℃通风湿度／℃相对湿度／％室外风速／（ｍ／ｓ）
２７．２１９２２．９６３３．６
冬季－２４．６—－２０．１５４３
２．１ 建设标准及冷源选择
数据中心空调系统设计标准国内主要参照《数据中心设计规范》GB50174，国外主要参照由美国国家标准学会（ANSI）、美国电信产业协会（TIA）、TIA技术工程委员会（TR42）共同制定的《数据中心电信基础设施标准》TIA-942标准。前者将数据中心划分为A、B、C 3个等级，后者划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4个建设等级。国内建设的数据中心绝大多数按国标A级（即TIA-Ⅲ）建设，即空调系统设备按冗余设计、空调管路按在线维护设计、按不间断供冷设计[2]。以前面提到的数据中心空调配置为例：冷源构架形式拟采用高效变频式离心冷水机组+板换＋冷却塔自然冷却形式，同时考虑采用冷冻水房间级机房专用空调弥漫送风、吊顶回风，变频控制等技术，并选择合理的气流组织形式，通过提高冷冻水温度（冷冻水系统供/回水温度18 ℃/24 ℃，打造高温数据中心），增加自然冷却时间，使空调系统最大限度地节能运行。该项目设置2处冷站单元，每个冷站单元共选用制冷量为4 572 kW（1300RT）的离心式冷水机组3台（2用1备），台水冷离心冷水机组配套1台板式换热器，利用过渡季节或冬季较低的室外气温，由冷却塔及板式换热器自然冷却，减少冷冻机组开启时间、降低能源消耗[3]。
目前数据中心设计几个主流做法之空调冷源选择：选择大温差高温冷水机组。循环水温对制冷机组和空调末端的影响：冷冻水出口温度升高1 ℃，制冷机组性能系数的提升了3.5%~5%； 冷冻水温差增加了1 ℃，制冷机组性能系数的提升了0.2%~0.3%。供回水温差由5 ℃提升到6 ℃，现有的5 ℃的空调设备均能满足要求。冷冻水供回水温差提升到6度以上，制冷机组和空调末端需非标准设计，成本大幅上升。根据工艺专业规划标准，该项目数据中心空
１ 数据中心及冷水空调系统
数据中心是指为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，可以是1栋或几栋建筑物，也可以是1栋建筑物的一部分，主要包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区等。数据中心基础设施是指在为电子信息设备提供运行保障的设施，主要包括土建、消防、电力、暖通空调等。电力和空调作为基础设施两架马车在数据中心建设中尤为重要[1]。
电子信息设备包括服务器、交换机、存储设备等，主要功能是对电子信息进行采集、加工、运算、存储、传输以及检索等处理。其工作特点是全年不间断运行，其电力输入基本完全转化为热量，在电子信息设备稳定运行阶段，其发热量基本没有变化，空调负荷相对稳定。以1个中等数据中心为例，建筑面积20 000 m2，规划安装电子信息设备机架共2 000架（约3万台服务器），数据中心电力输入20 000 kVA，空调系统冷负荷约17 300 kW。总结数据中心空调系统特点主要表现为：冷负荷密度大（建筑面积为400 W/m2~1 000 W/m2），且随着空调系统的技术更新，冷负荷密度向更大的趋势发展；负荷稳定且连续不断；自控要求高。空调系统能耗大，节能潜力大。
２ 数据中心集中冷水空调系统设计要点
某数据中心工程位于工业园区，该数据中心工程包括数据机房、制冷站以及辅助用房，建筑面积约为27 000 m2，建筑面积18 500 m2，建筑高度12 m，地上两层，1层为电力电池室、二层为IT机房。由于工程位于高寒地区，隶属于温带亚干旱季风气候，年降水量少且干旱严重，无霜期
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中国新技术新产品2021 NO.3（上）工 业 技 术
２．３ 免费供冷
目前数据中心设计几个主流做法之水系统免费供冷：目前集中冷水空调系常规配置为水冷离心冷水机组配套板
１８／２３２４．９２４．９４．６１２９．４
调系统的冷水循环温度计末端设备性能参数见表2。
表2 冷水循环温度及末端设备性能参数变化
回风参数冷冻水进出水温／℃
制冷量／ｋＷ显冷量／ｋＷ水流量／ｍ／ｈ水压降／ｋＰａ
３
３２℃／３０％ＲＨ
１４／１９３４．８３４．８６．３１５３．５
１５／２０３２．３３２．３５．８８４６．８
１６／２１２９．８２９．８５．５４０．６
１７／２２２７．４２７．４５．０４３４．８
式换热器，利用过渡季节或冬季较低的室外气温，由冷却塔及板式换热器自然冷却，减少冷冻机组开启时间，并通过提高冷冻水温度（冷冻水系统供/回水温度18 ℃/24 ℃，打造高温数据中心），增加自然冷却时间，使空调系统最大限度地节能运行，降低能源消耗。该案例属于建筑热工分区中的夏热冬冷地区，湿度Ⅱ区（潮湿地区）。全年室外湿球温度≤10 ℃的时间约3 079 h（约138 d），自然冷源利用时间占全年的35.15%。
为了保证系统节能运行，该设计冷却塔风机、水泵等均配套变频控制，冷冻水空调系统配套集中自控系统，系统管道选用电动切换阀门，实现远程监控与自动切换控制，提高空调系统整体能效。
每个制冷单元组的制冷、部分自然冷却、完全自然冷却3种运行模式的转换控制。当室外湿球温度降低，冷却塔提供的冷却水供水温度低于21 ℃时，系统进入部分自然冷却状态，冷却水经板式换热器冷却冷冻水回水，冷冻水回水经板式换热器部分冷却后进入冷冻机蒸发器，提供18 ℃的冷冻水。当室外湿球温度足够低，冷却塔可以提供低于16.5 ℃的冷却水时，系统进入完全自然冷却状态，冷冻水经板式换热器与冷却水水水交换，直接提供18 ℃的冷冻水，冷水机组关闭。
现有常规有油的制冷机组的制造设计都是基于冷冻水供水温度为7 ℃~12 ℃等国标工况，并没有针对数据机房制造相应的高温冷水机组的相关规范。冷冻水供水温度提高15 ℃以上时，要考虑制冷机组的润滑油的回油问题，机组内部工艺要更改，采用特殊手段。 集合目前数据中心设计发展，冷水系统一般常采用6 ℃温差，冷水供水温度可提升到18 ℃，能够很好地平衡自然冷源的利用和投资成本的增加。
２．２ 气流组织
目前数据中心设计几个主流做法之气流组织的确定：常用封闭冷通道和封闭热通道2种方式。对房间空调来说，2种方式各有优缺点：封闭冷通道是将冷风送至架空地板下，再利用架空地板形成的静压箱将冷风直接输送至封闭冷通道（冷池）内，带走数据设备内的热量，从机柜后部或上部排出，再回到空调机组上部回风口进行处理，气流组织合理，达到“先冷设备、后冷环境”的目的。
封闭热通道是将冷风送至空调区（静压箱）后直接送至机房冷通道内，不设架空地板，带走数据设备内的热量，从机柜后部排出至封闭热通道，再通过热回风道回至空调机组上部回风口进行处理，气流组织合理，通过提高回风温度，相应可提高冷冻水供回水温度，增加风道换热和自然冷却时间，达到节能目的。就2种封闭冷/热通道技术来说，目前行业内的数据中心IT 机房空调风系统设计以封闭冷通道为主，封闭热通道、弥漫送风的方式应用较少，见表3，可以证明采用封闭热通道的方式可以提高机组COP及延长免费制冷时间。
综上所述，采用封闭热通道，基于此冷冻水供水温度可提升至18 ℃以上。自然冷却利用率提高了35%，有利于数据中心的节能减排。
[4]
３ 水冷系统与风冷系统３．１ 水冷系统设计要点
３．１．１ 数据中心空调冷水系统设计
空调冷水系统设计中采用二级泵环网系统，其中一级泵、二级泵军采用变频控制技术，机房管路设计的是需要综合考虑管道互通要求，提高管道安全性和耐久性。但是需要注意的是，冷水机组在提供大量冷量的同时还会产生一定的热能，通过冷却塔散热，冷却水在温度变化之后与冷水机组能耗变化有相反的趋势。
根据表4，将冷却塔能耗与冷水机组能耗综合在一起考虑，就可以找到冷却水温度的最佳优化点，对于整个空调系统设计有节能优势。在具体设计中，如果数据中心室
表3 封闭冷/热通道技术比较表
项目内容冷通道温度范围热通道温度范围
舒适性冷冻水供水温度送风形式搬运承重
封闭冷通道１８ ℃￣２４℃２４ ℃￣３２℃
（热通道＝机房环境）机房温度较高，进出人员舒适性较差
１０ ℃￣１５℃
架空地板下送风或水平送回风适合机柜一次性安装到位 地板易松动，不便于整机柜搬运先冷设备，再冷环境
分期建设更灵活，一次投资较省 适合中小客户以冷通道为单位建设
封闭热通道２１ ℃￣２７℃
（冷通道＝机房环境）
２７ ℃￣３７℃
环境舒适，更人性化，线缆截流量更大１５ ℃￣１８ ℃
自然冷却时间较长，有利防冻空调区弥漫式送风或水平送回风地面稳固，适合整机柜搬运先冷环境，再冷设备
提高水温更节能，一次性投资较大， 适合大型客户以机房为单位建设
分期节能
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2021 NO.3（上）中国新技术新产品表4 冷却水温度对冷却塔、冷水机组能耗的影响
要求
冷却水温度降低冷却水温度升高
冷却塔
风扇运行数量增加，耗能增加风扇运行数量减少，耗电减少
冷水机组
冷凝器进水温度降低，耗电减少冷凝器进水温度增加，耗电增加
外温度为18 ℃，冷水空调系统处于满负荷状态，在此状态下随着水冷系统的变化，冷水机组和冷却塔的能耗随之发生变化。当空调系统符合逐渐减少，室外湿球温度逐渐下降，冷却水系统的温度也随之上升，因此在设计中根据不同湿球温度变化情况，冷水机组的荷载也会发生变动，此时可以采用智能控制方法将冷却塔运行控制与冷水机组运行控制紧密地结合在一起。
３．１．２ 蓄冷罐设计
为了保证空调系统制冷的连续性、稳定性，数据中心空调系统在设计中配置了支撑系统满负荷运行20 min的蓄冷水量，这些数量主要存储在蓄冷罐内。当数据机房运行初期，数据设备发热量很低，属于轻微荷载运行状态，此时可充分蓄冷罐内部的冷量，减少主机开停机次数。根据过去的工作经验可知，即使制冷主机在可以开启的条件下正常运行，初期冷负荷也十分不稳定，导致主机频繁启动、停止，给空调主机使用寿命造成威胁。此时，由于蓄冷罐的存在，当低负荷运行不稳定的时候，主机停机时间随之延长，避免发生主机频繁启动现象，增加了主机运行效益，提升了主机使用耐久性。
３．１．３ 自由冷却运行
自由冷却运行是冬季空调系统运行的主要方式，也是实现空调节能运行的重要途径。在数据中心空调设计中，过渡季节和冬季运行中，可以充分利用室外较低温度进行室内降温，这种方法相对于常规空调来说，既节能又经济，对于全面供冷的数据中心空调系统来说有着巨大的节能潜力。
在设计中，将自由冷却系统与制冷系统串联在一起，配置相应的冷却塔、水循环泵、换热器，在不适用自由冷却系统的季节，冷却塔与主机一并使用，由此降低冷却水水温，进而提高空调系统的运行效益，在保证室内温度的同时降低空调能耗。
３．１．４ 水处理
在空调水系统中，由于空调内部本身存在许多腐蚀物、微生物以及其他微量元素，这些微生物、微量元素以及腐蚀物的存在使空调在长期运行中出现机组蒸发器、抗凝器以及表冷器管腐蚀的现象，随着时间的推移，腐蚀力度逐渐增加，水流阻力也逐渐增加，机组运行效率降低，不仅缩短了机组的使用寿命，还容易引发安全事故。因此，在设计中必须要做好空调水系统处理工作。目前常见的空调水处理主要是以化学处理、电子水处理仪等为主，另外水过滤的安装也必须给与高度重视。在空调系统设计完成之后，水过滤器通常设置在制冷机组、空调机组的进水管上面。
３．２ 空调风系统设计
３．２．１ 主机房设计
主机房内所有的IT机柜均采用面对面、背对背的布置方式，与机组空调形成垂直摆放的模式。这种摆放方式让机房空调系统形成下送上回的送风方式，机房空调机组能迅速将已经处理好的冷空气送入活动地板静压箱内，通过地面开放式格栅吹向计算机设备，室内温度上升，利用封闭热通道和吊顶静压箱进行回风。
３．２．２ 新风系统
新风系统在设计的时候要严格控制新风量，并按照空调系统原则科学制动通风率。首先，满足数据中心工作人员最小新风量需求，通常每人每天的新风量大约为40 m3/h。其次，由于数据中心本身对空气压力的要求很高，在设计的时候必须满足室内正压要求。再次，夏季新风处理要与室内温度匹配，在控制室内温度的同时控制室内湿度。最后，送入室内的新风能满足IT和电气机房的正压需要，及时阻止外界灰尘进入室内，防治静电产生的同时避免出现节水聚集。
４ 结语
数据中心空调系统基于通信设备运行的性质特点，既要保证系统安全稳定运行，同时考虑系统节能减排，特别是大规模数据中心，降低能耗是系统架构考量的重要环节。
常规集中冷水空调系统其能耗主要由冷源能耗（主机能耗）、输送能耗（水泵能耗）、末端能耗（风机能耗）3个部分组成，在保证通信设备安全运行的前提下，可从各环节入手，以达到节能目的。该文着重介绍了数据中心常规冷水空调系统的冷源配置及末端气流组织形式以及数据中心空调系统的常规做法。随着数据中心的蓬勃发展，通信设备的结构原理也发生了巨大的变化，其冷却系统随之展现出更多的形式，蒸发冷却风系统空调、机柜冷却、服务器液冷系统等应用得越来越广泛，期待更简洁高效、绿色节能的空调系统。
参考文献
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