數(shù)據(jù)中心空調(diào)水系統(tǒng)供冷規(guī)模設(shè)計(jì)葉明哲

1、數(shù)據(jù)中心空調(diào)水系統(tǒng)供冷規(guī)模設(shè)計(jì)原創(chuàng) 2016-04-12 葉明哲現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)摘要：數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)采用何種形式和規(guī)模建設(shè)，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心建設(shè)投資的成本和運(yùn)行的安全；本文主要對水系統(tǒng)供冷的規(guī)模和冗余情況進(jìn)行闡述和探討，并提出在大型數(shù)據(jù)中心基地可以采用區(qū)域供冷方式，設(shè)立兩到四個(gè)獨(dú)立的區(qū)域供冷中心，從而降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)總投資和提升數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)安全性。供冷規(guī)模  獨(dú)立供冷  區(qū)域供冷關(guān)鍵詞1.  數(shù)據(jù)中心空調(diào)水系統(tǒng)規(guī)模在大型數(shù)據(jù)中心，多幢數(shù)據(jù)機(jī)樓組成龐大的數(shù)據(jù)中心群機(jī)樓，制冷規(guī)模可以采用單幢數(shù)據(jù)機(jī)樓供冷或區(qū)域供冷。如中國電信在建

2、的云計(jì)算內(nèi)蒙古園區(qū)，就由42幢樓組成，每幢樓約18000M2，需要多個(gè)供冷中心。選擇制冷中心的數(shù)量和制冷規(guī)模是必須要考慮的一個(gè)問題，這直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本和空調(diào)系統(tǒng)安全性。2.  獨(dú)立供冷（單幢機(jī)樓供冷）就是每一幢機(jī)樓設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的制冷機(jī)房，該制冷機(jī)房只對自己這幢樓進(jìn)行供冷。單幢機(jī)樓供冷系統(tǒng)比較簡單，這有利于系統(tǒng)的維護(hù)和檢修，當(dāng)水系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只對該樓設(shè)備造成影響，不會影響到別的機(jī)樓，故影響面較小，是目前數(shù)據(jù)中心普遍采用的方式，下圖1是獨(dú)立供冷示意圖：圖1 數(shù)據(jù)中心獨(dú)立供冷示意圖但對于多幢機(jī)樓組成的數(shù)據(jù)中心，需要每個(gè)機(jī)樓均搞一個(gè)制冷機(jī)房，如云計(jì)算內(nèi)蒙園區(qū)，按這種方

3、式需要建42個(gè)獨(dú)立的制冷中心。這種方式導(dǎo)致制冷機(jī)房較多，相對占地面積較大，由于制冷機(jī)組多，操作維護(hù)工作量較大；而且各個(gè)供冷中心內(nèi)部，為了安全，也需要考慮冗余和備份，導(dǎo)致投資過大。2.1.  獨(dú)立供冷的系統(tǒng)冗余如果是A級機(jī)房（T4），水管管路必須是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)可以獨(dú)立承擔(dān)單幢樓數(shù)據(jù)中心所有的熱負(fù)荷，運(yùn)行時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)必須同時(shí)在線運(yùn)行，單個(gè)系統(tǒng)故障不會對數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生任何影響，這就是系統(tǒng)冗余。每個(gè)系統(tǒng)都獨(dú)立承擔(dān)100%的熱負(fù)荷，這就是1+1系統(tǒng)冗余，如圖2，但是這樣投資很大。圖2 系統(tǒng)1+1冗余示意圖2.2.  組件冗余如果不滿足系統(tǒng)冗余，僅僅是部分組

4、件故障有冗余，就叫組件冗余。B級機(jī)房（T3），水系統(tǒng)管路也需要設(shè)計(jì)為兩個(gè)系統(tǒng)，但是主機(jī)和末端可以公用，運(yùn)行可以采用主備用方式進(jìn)行，支持有計(jì)劃的系統(tǒng)檢修；組件冗余就是系統(tǒng)中常用的組件考慮冗余，如水泵采用N+1方式，冷機(jī)采用N+1方式，冷卻塔采用N+1方式，機(jī)房空調(diào)采用N+X方式，這些就是組件冗余。2.3.  系統(tǒng)冗余和機(jī)組冗余投資比較采用高標(biāo)準(zhǔn)，勢必會帶來投資的增大。采用系統(tǒng)冗余的投資很大，從純正的字面理解，雙系統(tǒng)可能是單系統(tǒng)200%的投資，但如果合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)冗余，達(dá)到A級標(biāo)準(zhǔn)（T4）的同時(shí)，也是可以大幅降低初期的投資費(fèi)用。對于B、C級機(jī)房，機(jī)組不需要系統(tǒng)冗余，只需要考慮機(jī)組

5、的冗余，一般采用的N+X 冗余，X=1N，從實(shí)際運(yùn)行來看，當(dāng)N值較少時(shí)（N<4），2臺機(jī)組同時(shí)出現(xiàn)故障的幾率非常低，x取1基本已經(jīng)可以應(yīng)對突發(fā)故障情況。對于部分重要機(jī)房，不嚴(yán)格按照A級機(jī)房設(shè)計(jì)的，而又需要提高可靠性或者負(fù)載擴(kuò)容的，可以先按照N+1配置，但預(yù)留擴(kuò)容一臺機(jī)組的位置。3.  區(qū)域集中制冷單幢機(jī)樓供冷有一個(gè)缺點(diǎn)，就是1幢樓有一個(gè)制冷中心，如果數(shù)據(jù)中心夠大，那建設(shè)的供冷中心就會足夠多，如云計(jì)算內(nèi)蒙云園區(qū)，按照單幢樓供冷的特點(diǎn)，需要42個(gè)供冷中心，而且各個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部需要冷機(jī)、水泵、冷塔、管路的冗余和備份，這些備份和冗余在各個(gè)數(shù)據(jù)中心之間無法實(shí)現(xiàn)共享，導(dǎo)致設(shè)備投資的大量浪費(fèi)

6、。以T4標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中心舉例，每幢樓建2個(gè)獨(dú)立的水系統(tǒng)，2幢樓就需要4個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)；如果能夠以兩幢數(shù)據(jù)中心為單元進(jìn)行數(shù)據(jù)中心建設(shè)， A樓的水系統(tǒng)作為B樓的備份，B樓的水系統(tǒng)作為A樓的備份，這樣系統(tǒng)就會簡單的多，每個(gè)樓只需要建一個(gè)水系統(tǒng)就可以了。區(qū)域供冷是指若干數(shù)據(jù)機(jī)樓統(tǒng)一由兩個(gè)或幾個(gè)專門的大型制冷中心進(jìn)行供冷，通過管道把制取的冷凍水送到每一幢數(shù)據(jù)中心機(jī)樓，如圖3，如果數(shù)據(jù)中心區(qū)域供冷，相比民用區(qū)域供冷，優(yōu)勢更為明顯：數(shù)據(jù)中心發(fā)熱量大，建筑集中，該種方式統(tǒng)一設(shè)置冷凍站，減少機(jī)組占地面積，集中供冷有利于提高機(jī)組的負(fù)荷率，冷源效果高，可獲得更大的能效比；其次數(shù)據(jù)中心集中冷源站占地少，降低了冷源設(shè)備的初投

7、資；另外數(shù)據(jù)中心區(qū)域供冷減少了機(jī)組備用數(shù)量，相對減少機(jī)組的投資；集中操作和運(yùn)維，易于優(yōu)化控制和維護(hù)管理，可以減少運(yùn)維人員。還有一個(gè)因素就是冷凍水輸送管路的增長，超過4公里會導(dǎo)致水泵功耗上升，使得區(qū)域供冷在民用范圍受到一定制約，而數(shù)據(jù)中心機(jī)樓集中布置，發(fā)熱量高，使用區(qū)域供冷具有更明顯的優(yōu)勢。圖3 區(qū)域集中制冷示意圖日本是國際上對區(qū)域供冷系統(tǒng)實(shí)踐較早的國家，技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)成熟，采用區(qū)域供冷后，日本新宿新都和日本東京晴海Triton廣場就采用區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)，該些區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的年均一次能源能耗COP達(dá)到1.19，高居日本全國區(qū)域供冷系統(tǒng)第1、2位。表4 日本某區(qū)域供冷情況廣州大學(xué)城區(qū)域供冷則是亞

8、洲規(guī)模最大、世界第二大區(qū)域供冷系統(tǒng)，圖4，整體整個(gè)系統(tǒng)建有4個(gè)冷站，空調(diào)負(fù)荷主要是10所高校的教學(xué)區(qū)和生活區(qū)大樓以及兩個(gè)中心商業(yè)區(qū)供冷。整個(gè)系統(tǒng)由冷站、空調(diào)冷凍水管網(wǎng)及末端供冷系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成。該區(qū)域供冷總裝機(jī)容量10.6萬冷噸，蓄冰規(guī)模26萬冷噸，供冷總建筑面積達(dá)350萬m2。圖4 廣州大學(xué)城區(qū)域制冷中心(圖片來源：網(wǎng)絡(luò))4.  區(qū)域供冷設(shè)計(jì)對于數(shù)據(jù)中心機(jī)樓群，因?yàn)閿?shù)據(jù)機(jī)樓集中，而且發(fā)熱量大，采用區(qū)域供冷更具有優(yōu)勢，圖5，在建設(shè)有熱電冷三聯(lián)供區(qū)域的地方，也可以采用溴化鋰制冷，降低電網(wǎng)壓力；在能夠利用自然冷源的場合，如利用低溫湖水供冷的，也可以考慮采用區(qū)域供冷方案。從區(qū)域

9、供冷的實(shí)際使用情況來看，水管的距離不宜過長，否則會導(dǎo)致水泵耗能增加，最好控制在4公里，流量不宜太大，最好采用二級泵設(shè)計(jì)，這樣可以降低水泵的消耗，這些條件均適合數(shù)據(jù)中心。圖5 數(shù)據(jù)中心區(qū)域供冷示意圖如果考慮系統(tǒng)冗余，數(shù)據(jù)中心區(qū)域供冷就需要兩個(gè)制冷中心，組成2N系統(tǒng)，每個(gè)冷凍站制冷能力可承擔(dān)100%負(fù)荷，如圖6：圖6 數(shù)據(jù)中心區(qū)域供冷1+1備份示意圖目前中國電信云計(jì)算內(nèi)蒙園區(qū)42幢機(jī)樓，每幢機(jī)樓一個(gè)冷凍站，每個(gè)冷凍站安裝4臺1200冷凍水機(jī)組（三主一備），相當(dāng)于建設(shè)42個(gè)冷凍站，一百六十多臺冷凍機(jī)組，由于每個(gè)機(jī)樓負(fù)荷不同，這些冷凍站輸出也不相同，導(dǎo)致冷機(jī)效率也不僅相同，如1200冷噸離心機(jī)組滿載效

10、率為0.6KW/冷噸；當(dāng)部分負(fù)荷時(shí)，效率為0.8KW/冷噸，如果采用區(qū)域供冷，設(shè)立二個(gè)冷凍站，如圖7，就可以達(dá)到T4標(biāo)準(zhǔn)，而且采用2000冷噸以上的離心機(jī)組，冷機(jī)滿載效率上升到0.52KW/冷噸，故可以節(jié)約大量的能耗，另外兩級泵設(shè)計(jì)，可以降低輸配系統(tǒng)的能耗，加上冬季采用冷卻塔供冷技術(shù)，節(jié)能的效果會更加明顯；另外可以節(jié)約多達(dá)42臺備用冷機(jī)的投資，同樣的相應(yīng)的備用冷卻塔、備用水泵的投資也可以降下來。圖7:數(shù)據(jù)中心設(shè)置2個(gè)冷凍站示意圖考慮到現(xiàn)在云計(jì)算園區(qū)的制冷需求非常大，也可以設(shè)計(jì)成多個(gè)冷凍站，每個(gè)冷凍站承擔(dān)33%的園區(qū)負(fù)荷，這樣可以進(jìn)一步降低投資成本，如圖8：圖8:數(shù)據(jù)中心設(shè)置4個(gè)冷凍站示意圖5.  結(jié)束語相比單幢樓供冷，采用區(qū)域供冷的好處很多，比如節(jié)省用地，以及減少運(yùn)行管理人員數(shù)量從而節(jié)省高額人工費(fèi)，同時(shí)還采用了多種先進(jìn)的節(jié)能措施來減小空調(diào)系統(tǒng)的能耗，比如冷機(jī)可以采用高壓冷機(jī)降低配電能耗，也可以集中設(shè)置蓄冷罐，提升水系統(tǒng)可靠性等等。數(shù)據(jù)中心采用區(qū)域供冷