數(shù)據(jù)中心集中冷源空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計綜述

1、數(shù)據(jù)中心集中冷源空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計綜述朱洪波阿爾西制冷工程技術(shù)（北京）有限公司數(shù)據(jù)中心事業(yè)部總經(jīng)理，博士摘要 介紹了數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中集中冷源式空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計要點(diǎn)，包括冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、蓄冷裝置、水系統(tǒng)管路的分類及選型。并根據(jù)不同氣候條件提出了不同的制冷系統(tǒng)架構(gòu)的建議。關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)中心 集中冷源式空調(diào)系統(tǒng) 節(jié)能組 機(jī)房空調(diào) 水泵 冷卻塔 蓄冷 水管路自然冷卻 部份自然冷卻 全部自然冷卻 冷水機(jī)1統(tǒng)主要由制冷設(shè)備和管路組成，由于傳統(tǒng)的集中冷源式空調(diào)系統(tǒng)中可能存在單點(diǎn)故障，而發(fā)生單點(diǎn)故障必 然會導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)無法制冷；傳統(tǒng)建筑可以容忍短暫 的搶修時間，但對于發(fā)熱量特別大的數(shù)據(jù)中心機(jī)房， 空調(diào)系統(tǒng)

2、即便僅停止工作幾分鐘 ，就會造成 IT 設(shè)備 的高溫和宕機(jī)，所以冷凍水系統(tǒng)存在的單點(diǎn)故障隱患 對 數(shù) 據(jù) 中 心 威 脅 巨 大 ，必 須 盡 量 消 除 。 水 管 路 、閥 門、冷水機(jī)組、冷凍水型末端均需考慮冗余設(shè)計。由 于系統(tǒng)擴(kuò)容相對復(fù)雜，設(shè)計之初就要考慮好管路設(shè)計 和接口預(yù)留。集中冷源式空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)還需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心的 用途和設(shè)計級別來進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，目前主要參考國內(nèi)（GB50174）和國際（TIA-942）的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，具體參 見表 1。引言隨著互聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量和處理能力持續(xù)增長，這種增長導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的發(fā) 熱密度持續(xù)增加，從而使數(shù)據(jù)中心的散熱成為一個日 益突出

3、的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)，這也就意味著數(shù)據(jù)中心對 于空調(diào)制冷系統(tǒng)的依賴程度和要求逐年增高；而由于 集中冷源式空調(diào)系統(tǒng)總體制冷效率更高，且可以方便 采用多種可靠的節(jié)能技術(shù)（自然冷卻技術(shù)等），所以越 來越多的數(shù)據(jù)中心采用了集中冷源式空調(diào)系統(tǒng)。一個數(shù)據(jù)中心的設(shè)計使用壽命一般都會在 10 年 以上，而空調(diào)系統(tǒng)是除 IT 設(shè)備以外最大的耗能系統(tǒng)， 無論是從社會責(zé)任還是企業(yè)內(nèi)部的經(jīng)濟(jì)效益考慮，我 們都要努力打造一套長壽命、低能耗、低故障、可擴(kuò)展 的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)。而一個好的、合理的設(shè)計方案 會 大 量 地 節(jié) 省 初表 1 TIA-942 標(biāo)準(zhǔn)與 GB50174 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于集中冷源式空調(diào)系統(tǒng)的冗余配置對比投資，能

4、夠采用更加 成 熟 的 產(chǎn) 品 和 技 術(shù) 來 滿 足 數(shù) 據(jù) 中 心 壽 命 期 內(nèi) 的 需要，并且可以通 過 有 效 地 降 低 PUE、 初 投 資（CAPAX），來 實 現(xiàn) TCO 的節(jié)省。2集 中 冷 源式空調(diào)系統(tǒng)集 中 冷 源 系·15·TELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGYNo.10NETWORK TECHNOLOGY集中冷源式空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)的常見形式參見圖 1。3.1 制冷機(jī)數(shù)據(jù)中心制冷機(jī)的選擇，應(yīng)按各類制冷機(jī)的特性， 結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖彝鈿庀髼l件、水源（包括水量、水溫及水 質(zhì)）、電源和熱源（包括熱源性質(zhì)、品位高低）等情況，結(jié) 合

5、數(shù)據(jù)中心全年供冷的特點(diǎn)，從初投資和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn) 行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來選擇可靠、高效、節(jié)能、合理的3制冷設(shè)備集 中 冷 源 系 統(tǒng) 中 的 制 冷 設(shè) 備 種 類 較 多 ，最 重 要的幾種包括制冷機(jī)、水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、蓄冷 設(shè)備等。圖 1 數(shù)據(jù)中心主機(jī)房流程圖（僅供參考）·16·網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 電信網(wǎng)技術(shù)2014 年 10 月第 10 期制冷機(jī)。（1）適合數(shù)據(jù)中心的制冷機(jī)種類 電驅(qū)動的制冷機(jī)按壓縮機(jī)形式分為離心式、螺桿式、活塞式，這 3 種形式制冷機(jī)的能效由高到低的順序 是：離心式機(jī)組、螺桿式機(jī)組、活塞式機(jī)組。各類機(jī)組 各有其特點(diǎn)，應(yīng)用其所長。電驅(qū)動的制冷機(jī)按冷凝器冷

6、凝方式分為風(fēng)冷機(jī)組 和水冷機(jī)組。風(fēng)冷機(jī)組 風(fēng)冷機(jī)組通過風(fēng)冷冷凝器與外界空氣換熱，利用風(fēng)（空氣）換熱帶走熱量，產(chǎn)生冷水。風(fēng)冷機(jī)組的優(yōu)勢： 節(jié)約水資源，環(huán)保；安裝在室外，如屋頂，無需建造專用 機(jī)房，不占有效建筑面積；省去了冷卻水系統(tǒng)：冷卻塔、 冷卻水泵、管網(wǎng)及其水處理設(shè)備，節(jié)省了這部分初投資 和運(yùn)營費(fèi)用。水冷機(jī)組 水冷機(jī)組通過水冷冷凝器與冷卻塔提供的冷卻水換熱，利用冷卻水帶走熱量，來產(chǎn)生冷水。水冷機(jī)組的 優(yōu)勢：應(yīng)用范圍廣，技術(shù)成熟，造價低；夏季制冷能效 高，節(jié)能；噪音源低于風(fēng)冷機(jī)組。數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷機(jī)組或水冷機(jī)組兩種形式均有選 用，冬季寒冷地區(qū)多選用帶自然冷卻的風(fēng)冷機(jī)組，長江 流域或以南地區(qū)多選用水冷

7、機(jī)組。根據(jù)數(shù)據(jù)中心有無 生活熱水需求，還可以選用是否帶熱 回收裝置的風(fēng)冷機(jī)組或水冷機(jī)組。數(shù)據(jù)中心選用離心式或螺桿式 兩種類型機(jī)組，數(shù)據(jù)中心經(jīng)常根據(jù)自 身需要同時配備離心式與螺桿式兩 種類型的冷水機(jī)組。（2）制冷機(jī)選型 數(shù)據(jù)中心選擇制冷機(jī)時，要考慮數(shù)據(jù)中心全年空調(diào)冷負(fù)荷的分布規(guī) 律，結(jié)合制冷機(jī)在滿載運(yùn)行和部分負(fù) 載運(yùn)行時的 COP 值，合理地選擇機(jī) 型、臺數(shù)和調(diào)節(jié)方式，提高制冷系統(tǒng) 在部分負(fù)荷下的運(yùn)行效率，以降低全 年總能耗。數(shù)據(jù)中心的冷水機(jī)組一般選用 2 臺以上機(jī)組，以滿足 N + 12N 的冗 余方式。冷水機(jī)組之間要考慮其互為備用和輪換使用的可能性。冷水機(jī)組采用冗余配置，具備不間斷供冷，保證

8、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同一站 房內(nèi)可采用不同類型、不同容量的機(jī)組搭配的組合式 方案，以節(jié)約能耗。并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組中至少應(yīng)選擇一 臺或幾臺自動化程度較高，調(diào)節(jié)性能較好，能保證部分 負(fù)荷下能高效運(yùn)行的機(jī)組。選擇制冷機(jī)時應(yīng)考慮其對環(huán)境的污染：一是噪音 和振動，要滿足周圍環(huán)境的要求；二是制冷劑對大氣臭 氧層的危害程度和產(chǎn)生溫室效應(yīng)的大小，要采用 ODP（消耗臭氧潛能值）和 GWP（全球變暖潛能值）較小的 環(huán)保制冷劑。3.2 水泵（1）冷凍水泵流量：1.051.1 倍機(jī)組額定流量。 揚(yáng) 程 ：閉 式 循 環(huán) ，僅 克 服 系 統(tǒng) 的 阻 力 損 失 ，考 慮10%的富裕量。 數(shù)據(jù)中心冷凍水泵的循環(huán)系統(tǒng)按照從冷

9、機(jī)到末端采用一次供水，或是二次供水分為單式泵循環(huán)和復(fù)式 泵循環(huán)系統(tǒng)。單式泵環(huán)路系統(tǒng)如圖 2 所示，數(shù)據(jù)中心集中冷源空調(diào)系統(tǒng)的單式 泵環(huán)路系統(tǒng)多采用冷水機(jī)組與一次泵一一對應(yīng)配置方 式。一次泵環(huán)路系統(tǒng)存在以下 3 類形式：圖 2 單式泵系統(tǒng)示意圖·17· TELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.10 NETWORK TECHNOLOGY用戶側(cè)定流量（用戶側(cè)采用三通閥變冷水溫差調(diào)節(jié)），冷水機(jī)組側(cè)也為定流量，一次泵為工頻泵。用戶側(cè)變流量（用戶側(cè)采用二通閥變冷水流 量調(diào)節(jié)），冷水機(jī)組側(cè)為定流量，一次泵為工頻泵。為 了恒定供回水管的水力工況，保

10、持機(jī)組側(cè)冷水流量的 穩(wěn)定，在分水器與集水器之間裝設(shè)旁通管和壓力控制 的調(diào)節(jié)閥。當(dāng)用戶側(cè)流量減少，供回水壓差變大，旁通 閥開度增大，反之減少。用戶側(cè)變流量，冷水機(jī)組側(cè)也為變流量，一次泵為變頻泵；一次泵變流量系統(tǒng)選擇可變流量的冷水 機(jī)組，即蒸發(fā)器側(cè)流量隨用戶側(cè)流量變化而改變，從而 最大限度地降低水泵能耗。系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)設(shè)計簡單，初投資少，適用于系統(tǒng) 較小或各環(huán)路負(fù)荷特征或壓力損失相差不大的中小型 數(shù)據(jù)中心。復(fù)式泵環(huán)路系統(tǒng)如圖 3 所示，數(shù)據(jù)中心集中冷源空調(diào)系統(tǒng)的冷水 機(jī)組與一次泵一一對應(yīng)配置，二次泵大多采用多臺泵 并聯(lián)的方式。用戶側(cè)定流量（用戶側(cè)采用三通閥變冷水溫差調(diào)節(jié)），冷水機(jī)組側(cè)也為定流量，一

11、次泵和二次泵均 為工頻泵。用戶側(cè)變流量（用戶側(cè)采用二通閥變冷水流 量調(diào)節(jié)），冷水機(jī)組側(cè)為定流量，一次泵為工頻泵，二次 泵為變頻泵。系統(tǒng)特點(diǎn)：節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，初投資大，自控要求高， 占地面積大，適用于規(guī)模較大的空調(diào)系統(tǒng)或各用戶側(cè) 阻力相差甚大的場合，適用于大型數(shù)據(jù)中心。（2）冷卻水泵流量：1.051.1 倍機(jī)組額定流量。揚(yáng)程：H = H1 + H2 + P1 + P2 + P3。H：水泵計算揚(yáng)程（m）。H1：允許吸上高度（m）。H2：冷卻塔噴水壓力，一般為 5m。P1：機(jī)組內(nèi)的阻力損失。P2、P3：管路系統(tǒng)的沿程和局部阻力損失。（3）水泵并聯(lián) 一臺泵單獨(dú)工作時的流量，大于并聯(lián)工作時每臺泵的流量。兩

12、臺泵并聯(lián)工作時，其流 量不能比單臺泵工作時成倍增加，這 在多臺泵并聯(lián)時就更明顯。圖 4 為 5 臺同型號水泵并聯(lián)的工作特性曲線， 對比數(shù)據(jù)參見表 2。由以上的分析不難得出：在總流 量一定的情況下，并聯(lián)的水泵數(shù)量越 多，流量損失越大。因此，建議盡量 選擇單臺大流量的水泵替代多臺并 聯(lián)的小流量水泵，這樣效率更高，初 投資更儉省。3.3 水處理在空調(diào)水系統(tǒng)中，由于腐蝕物、 微生物、Ca+、Mg+等物質(zhì)的存在，在 運(yùn)行一段時間后，會在機(jī)組蒸發(fā)器、 冷凝器、末端空調(diào)設(shè)備的表冷器及管 道內(nèi)壁形成污垢和腐蝕。隨著污垢 的增大，水流阻力增大，機(jī)組效率下降，壽命縮短。因此，必須對數(shù)據(jù)中心空調(diào)的水系統(tǒng)進(jìn) 行處理。

13、空調(diào)水系統(tǒng)的水處理方法可采用化學(xué)處理，軟化圖 3 復(fù)式泵系統(tǒng)示意圖復(fù)式泵環(huán)路系統(tǒng)的一次回路包含機(jī)組、一次泵、供回水管路、旁路管；二次回路包含用戶側(cè)末端裝置、二 次泵、供回水管路、旁通管。復(fù)式泵環(huán)路系統(tǒng)存在以下兩類形式：·18·網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 電信網(wǎng)技術(shù)2014 年 10 月第 10 期水裝置及電子水處理儀等。另外，水過濾也是必須重視的問題。在空調(diào)系統(tǒng)實施完成后，管道中通常會存在許多雜物，如焊渣、生 料帶、砂石等；安裝水過濾器的目的是去除管道中的這 些雜物，保證空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。水過濾器通常設(shè) 置在水泵、制冷機(jī)組、空調(diào)器等進(jìn)水管上。3.4 冷卻塔系統(tǒng)（1）數(shù)據(jù)中心集中冷源空

14、調(diào)系統(tǒng)通常采用開式循 環(huán)冷卻水系統(tǒng)，具體參見圖 5。開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)注意事項：每臺冷卻塔應(yīng)布置在同一水平高度上。每臺塔的集水盤上都應(yīng)裝平衡管，防止水盤的 水位產(chǎn)生高低落差。由于空氣中的污染物質(zhì)（如塵土、雜物、細(xì)菌、可 溶性氣體等）易進(jìn)入水中，使微生物大量繁殖，形成生 物淤泥、藻類等，因此每臺塔的出水管上應(yīng)設(shè)置過濾 器，最低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置排污口。冷卻塔的集水盤必須有足夠的容積，存水量約 取循環(huán)量的 1%3%。（2）冷卻塔的分類按形狀分：方形、圓形。圖 4 5 臺同型號水泵并聯(lián)表 25 臺同型號水泵并聯(lián)對比圖 5 開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)·19· TELECOMMUNICATIONS N

15、ETWORK TECHNOLOGY No.10 NETWORK TECHNOLOGY按通風(fēng)形式分：逆流式、橫流式。按處理溫差分：普通型T=5、中溫型T=8、高溫型T8。 數(shù)據(jù)中心多選用普通型橫流式方形冷卻塔。（3）冷卻塔的選用循環(huán)水量的計算：qv=（1.051.10）qv1。其中，qv 為 冷卻水量（m3/h）；qv1 為機(jī)組所需的冷卻水額定循環(huán)量（m3/h）。冷卻水進(jìn)出口溫度：數(shù)據(jù)中心選普通型冷卻塔 或由制造廠家進(jìn)行具體的選型。環(huán)境濕球溫度：參照規(guī)范及實際情況，如市區(qū)比 郊區(qū)高 1 2；當(dāng)濕球溫度從 28提高到 29，冷 卻塔冷卻能力下降 16% 19%，這樣選型時應(yīng)適當(dāng)加 大型號。必須滿足

16、環(huán)境允許噪音標(biāo)準(zhǔn)。其他還應(yīng)考慮冷卻塔的漂水率、比電耗、使用壽 命、材料等參數(shù)。（4）冷卻塔的性能進(jìn)出水溫度。冷幅：冷卻水出水溫度與進(jìn)風(fēng)濕球溫度之差；冷 幅越小，塔熱工性能越好。冷效：進(jìn)出水溫差與冷幅之比；冷效越大，塔熱 工性能越好。噪音：分為普通型、低噪音型、極低噪音型。比電耗：冷卻塔將 1 水處理到要求的溫度風(fēng)機(jī) 耗電量；國家規(guī)定普通型冷卻塔在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（進(jìn)出水32/37、環(huán)境濕球溫度 28）的比電耗應(yīng)小于 0.04。耗水量：水量的消耗有蒸發(fā)水量（約占循環(huán)量的0.97%）、漂水量（占循環(huán)量的 0.1%0.2%，帶有擋板的 小于 0.01%）以及為降低電解質(zhì)的排污量（約占循環(huán)量 的 0.3%）

17、。以上 3 部分取 1.3% 2%。氣水比：指單位時間內(nèi)，冷卻塔流通空氣的質(zhì)量 和流通冷卻水質(zhì)量的比值；太小，蒸發(fā)不好；太大，風(fēng)機(jī) 噪音增大。（5）冷卻塔的主要結(jié)構(gòu)填料（散熱片）：基本熱交換媒介，大大增加了水 和空氣的接觸面積。集水器：將氣流中的水滴隔出，引導(dǎo)氣流到適當(dāng) 的流向，減少風(fēng)機(jī)馬力，降低冷卻塔的總阻力。布水系統(tǒng)：布水系統(tǒng)把循環(huán)水均勻地分布到填料上。百葉窗：將飛濺的水滴阻擋在冷卻塔內(nèi)，及輔助 導(dǎo)入空氣。冷卻塔的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。3.5 蓄冷系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的動力來源均為電力，雖然主要系統(tǒng)、部 件都設(shè)置了冗余、備份，但還需要考慮為空調(diào)系統(tǒng)供電 的電力系統(tǒng)發(fā)生意外停電故障時，空調(diào)系統(tǒng)仍然需要 維持正常

18、運(yùn)行。在常規(guī)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，備用的柴油發(fā)電機(jī) 組可以緊急啟動提供后備電力，從柴油發(fā)電機(jī)組啟動 至穩(wěn)定供電的過程一般需要 3min。冷水機(jī)組在正常供 冷過程中遇到停電故障時會進(jìn)入故障保護(hù)狀態(tài)，在電 力供應(yīng)恢復(fù)后，離心式冷水機(jī)組的壓縮機(jī)導(dǎo)葉先恢復(fù) 至正常開機(jī)的初始狀態(tài)，再經(jīng)過冷水機(jī)組控制系統(tǒng)對 冷水循環(huán)水泵、冷卻水循環(huán)水泵、冷卻塔等相關(guān)部件進(jìn) 行巡檢，并確認(rèn)正常運(yùn)行后，冷水機(jī)組才能正常啟動， 這段恢復(fù)冷水機(jī)組系統(tǒng)恢復(fù)正常供冷過程一般需要110min 不等。在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計中為了能很好地解 決這一安全隱患，在空調(diào)系統(tǒng)中可通過設(shè)置蓄冷設(shè)施， 儲備備用冷量來解決這一問題。配置的蓄冷設(shè)施提供 的持續(xù)供

19、冷時間一般為 1015min。數(shù)據(jù)中心的蓄冷 方式主要有冰蓄冷系統(tǒng)及水蓄冷系統(tǒng)兩種：通過制冰 方式，以相變潛熱儲存冷量，并在需要時融冰釋放出冷 量的系統(tǒng)稱為冰蓄冷系統(tǒng)；利用水的顯熱儲存冷量的 系統(tǒng)稱為水蓄冷系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)冷負(fù)荷主要為機(jī)房內(nèi)設(shè)備的散熱 負(fù)荷，在一天 24h 中的每個時刻都基本不會變化，屬于 一個穩(wěn)定負(fù)荷，這部分負(fù)荷占整個數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷負(fù) 荷的比例可達(dá)到 90%以上。根據(jù)數(shù)據(jù)中心這一負(fù)荷結(jié)構(gòu)情況的特點(diǎn)，水蓄冷系統(tǒng)更適合數(shù)據(jù)中心冷量備份的需求。水蓄冷系統(tǒng)采用閉式蓄冷罐，可與原空調(diào)系 統(tǒng)“無縫”連接，無需再額外配置蓄冷冷源或?qū)υ到y(tǒng) 用冷水機(jī)組進(jìn)行調(diào)整；水蓄冷系統(tǒng)的冷水溫度與原系

20、 統(tǒng)的空調(diào)冷水溫度相近，可考慮直接使用，不需設(shè)額外 的設(shè)備對冷水溫度進(jìn)行調(diào)整；水蓄冷系統(tǒng)控制簡單，運(yùn) 行安全可靠，在出現(xiàn)緊急狀況時可及時投入使用。蓄冷罐的容積可按系統(tǒng)需要的蓄冷量進(jìn)行計算， 同時考慮到蓄冷罐與整個水系統(tǒng)為串聯(lián)連接，系統(tǒng)管 路也可視為蓄冷罐的一部分，管路中的冷水保有量也·20·網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 電信網(wǎng)技術(shù)2014 年 10 月第 10 期可作為一部分的蓄冷水量。系統(tǒng)需要的蓄冷水量為：VQ（/ ××tz×Cp）其中，V 為蓄冷水量（m3）；Q 為蓄冷量（kcal）；為 蓄冷裝置的容積效率，一般取 0.960.99；為蓄冷水密 度，取

21、1000kg /m3；tz 為釋冷回水溫度與蓄冷進(jìn)水溫 度間溫度差；Cp 為水的定壓熱容量，1kcal/kg.。管道系統(tǒng)中的保有冷水量為：V1=×R2×L。 其中，V1 為管道系統(tǒng)保有冷水量（m3）；R 為管道半 徑（m）；L 為 供 水 總 管 道 長 度（m）；蓄 冷 罐 容 積 為V2=V - V1（m3）。系統(tǒng)中某臺冷水機(jī)組出現(xiàn)故障不能向系統(tǒng)供冷時，其他冷水機(jī)組也可以向該系統(tǒng)管網(wǎng)繼續(xù)供冷，由此看出 環(huán)狀管路系統(tǒng)的可靠性極高。此管路形式適合較為 大 型 和 復(fù) 雜 的 集 中 冷 源 系 統(tǒng) ，可 以 配 置 多 臺 冷 水 機(jī) 組，且需要根據(jù)系統(tǒng)冗余能力增加分段閥門

22、以便于檢 修和增容。4水管路系統(tǒng)在集中冷源系統(tǒng)中連接各個制冷設(shè)備的是水管路，如同人體的血管一般重要，制冷系統(tǒng)是否能夠正常 工作，它起到了至關(guān)重要的作用。在數(shù)據(jù)中心中，由于 考慮到不間斷供冷的需要，所以集中冷源系統(tǒng)中的水 管路必須考慮冗余設(shè)計，而目前比較常用的管路形式 有兩種，即環(huán)形管路系統(tǒng)和雙管路系統(tǒng)。4.1 環(huán)形管路系統(tǒng)在 數(shù) 據(jù) 中 心 集 中 冷 源 系 統(tǒng) 中 ，冷 凍 水 主 干 管 首 尾相接構(gòu)成環(huán)路，形成環(huán)狀管路系統(tǒng)，具體形式參見 圖 6、7。圖 7 冷卻水環(huán)路系統(tǒng)4.2 雙管路系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心集中冷源系統(tǒng)中，冷凍水的供回水主 管道和末端空調(diào)水管路采用兩供兩回的 2N 形式和雙 路

23、管道形式，具體形式如圖 8 所示。此種管路形式較環(huán)形管路更為簡單，設(shè)計與施工 更加方便，且管路中的閥門數(shù)量較少，但可靠性不如環(huán) 形管路高，從一套管路切換到另外一套管路有時間延 遲，不適合較為大型和復(fù)雜的系統(tǒng)，比較適合中小型集 中冷源系統(tǒng)使用。5自然冷卻系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)中心是耗能大戶，而空調(diào)系統(tǒng)在整個數(shù)據(jù)中心的能耗占比超過 30%，僅次于 IT 設(shè)備的能耗，所 以在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，對節(jié)能的重視程度日 益高漲，而自然冷卻技術(shù)作為最核心的節(jié)能技術(shù)，根據(jù) 數(shù)據(jù)中心地理位置、氣候條件、能源供給等方面的不同 特點(diǎn)，會有不同的表現(xiàn)形式和架構(gòu)類型。其中，最為成 熟和常見的有以下 3 種形式：5.1 數(shù)據(jù)中

24、心專用帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心專用帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組，是專門 為中大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計制造的高可靠性的集中圖 6 冷凍水環(huán)路系統(tǒng)此管路形式具有良好的備份功能，當(dāng)管路局部發(fā)生故障時，可經(jīng)其他連接管路繼續(xù)向用戶供冷，即便·21· TELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGYNo.10NETWORK TECHNOLOGY圖 8 末端雙管路系統(tǒng)式冷源。與數(shù)據(jù)中心配套安裝于機(jī)房內(nèi)的冷凍水型機(jī)房空調(diào)一起組成了數(shù)據(jù)中心機(jī)房專用的空調(diào)冷凍 水系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心專用帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的主要部 件包括螺桿式壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、冷凝風(fēng)機(jī)、膨脹閥、 蒸發(fā)

25、器，還包含了自然冷卻盤管、電動三通閥等。數(shù)據(jù)中心專用帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的原理： 在電腦控制系統(tǒng)管理下，當(dāng)冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度低于回 水溫度 2時，自然冷卻便開始工作，進(jìn)入部分自然冷 卻模式，從數(shù)據(jù)機(jī)房出來的回水被送到自然冷卻盤管 先利用室外低溫空氣進(jìn)行冷卻，這是預(yù)冷卻的階段；再 被送到蒸發(fā)器冷卻，減輕壓縮機(jī)的工作負(fù)荷。自然冷 卻盤管與壓縮機(jī)機(jī)械制冷同時工作。隨著冷凝器的進(jìn) 風(fēng)溫度逐漸降低，自然冷卻制冷量逐漸增加，壓縮機(jī)機(jī) 械制冷量逐漸減少，當(dāng)冷凝的進(jìn)風(fēng)溫度降到設(shè)定值時， 進(jìn)入全部自然冷卻模式，冷卻工作全靠自然冷卻盤管 完 成 ，壓 縮 機(jī) 機(jī) 械 制 冷 停 止 運(yùn) 行 。 節(jié) 能 比 例 可

26、 達(dá)20%80%，該系列機(jī)組應(yīng)用于北京地區(qū)全年節(jié)能量約 為 39%，應(yīng)用于沈陽地區(qū)全年節(jié)能量約為 61%，應(yīng)用于 哈爾濱地區(qū)全年節(jié)能量約為 72%。數(shù)據(jù)中心專用帶自 然 冷 卻 風(fēng) 冷 冷 水 機(jī) 組 系 列 單 臺 機(jī) 組 制 冷 量 從1151744kW。數(shù)據(jù)中心專用帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組適用于長 江流域或以北的大部分地區(qū)。室外環(huán)境越低，冬季越 長的地區(qū)，節(jié)能量越大。自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組機(jī)械 制冷原理圖參見圖 9。自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組自然冷 卻原理圖參見圖 10。數(shù)據(jù)中心專用帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組優(yōu)勢：帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組配置了螺桿式壓縮 機(jī)，具有較高的運(yùn)行可靠性。能滿足數(shù)據(jù)中心具有全

27、年 365 天，每天 24h 連續(xù)運(yùn)行的特點(diǎn)。帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組綜合能效要比單元式 直接蒸發(fā)式機(jī)房空調(diào)的能效要高，在同等負(fù)荷條件下， 更加節(jié)能。帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組系統(tǒng)對應(yīng)的采用集中 式空調(diào)水系統(tǒng)形式，故自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組系統(tǒng)可 實施更多的節(jié)能技術(shù)。帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組系統(tǒng)適用于新建的中 大型數(shù)據(jù)中心，節(jié)能潛力大，值得大力推廣。帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組系統(tǒng)的優(yōu)勢：更適合 在北方低溫地區(qū)數(shù)據(jù)中心使用，與水冷冷水機(jī)組相比 系統(tǒng)相對簡單，運(yùn)維管理方便，不存在冬季冷卻水凍結(jié)·22·網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 電信網(wǎng)技術(shù)2014 年 10 月第 10 期圖 9自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組機(jī)械制冷

28、原理圖圖 10自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組自然冷卻原理圖等問題。帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的缺點(diǎn)：夏季等高溫季 節(jié)能效比較低，在南方地區(qū)數(shù)據(jù)中心節(jié)能量比較小，使 用受到限制。數(shù)據(jù)中心專用帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組具有 3 種 運(yùn)行模式：機(jī)械制冷模式：三通閥 5 在 A 位正常打開，B 位 關(guān)閉。從數(shù)據(jù)機(jī)房出來的回水直接進(jìn)蒸發(fā)器冷卻。壓 縮機(jī)與風(fēng)冷冷凝器均運(yùn)行在機(jī)械制冷模式。部分自然冷卻模式：當(dāng)空氣溫度降到低于回水溫度 2時，三通閥 5 在 B 位打開，A 位關(guān)閉，回水直接進(jìn)入自然冷卻盤管，在進(jìn)入蒸發(fā)器前先利用室外空氣 進(jìn)行冷卻，部分自然冷卻模式時，回水是靠自然冷卻盤 管預(yù)冷卻再靠壓縮機(jī)機(jī)械制冷的蒸發(fā)器冷卻。全

29、部自然冷卻模式：當(dāng)空氣溫度降到設(shè)定值時， 三通閥 5 在 B 位打開，A 位關(guān)閉，冷卻工作全靠自然冷 卻盤管進(jìn)行，壓縮機(jī)機(jī)械制冷停止工作。5.2數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)目前，中央空調(diào)形式的中大型數(shù)據(jù)中心最常用的·23· TELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.10 NETWORK TECHNOLOGY兩種空調(diào)形式：一種是數(shù)據(jù)中心專用帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組系統(tǒng)；另一種就是數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組+開 式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)。水冷冷水機(jī)組+ 開式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)在長江流域的 中大型數(shù)據(jù)

30、中心比較常見，為數(shù)據(jù)中心機(jī)房、程控交換 機(jī)房、計算機(jī)房等多種高精度要求的高科技設(shè)備場所 專門設(shè)計制造的高可靠性符合工藝要求的專用冷源。 與水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻設(shè) 備配套安裝于機(jī)房內(nèi)的空調(diào)設(shè)備冷凍水型機(jī)房空調(diào)一 起組成了數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔+板式換 熱器自然冷卻系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔+板式換熱器 自然冷卻系統(tǒng)包含了螺桿式水冷冷水機(jī)組（或離心式 水冷冷水機(jī)組）、冷凍水循環(huán)水泵、冷卻水循環(huán)水泵、開 式冷卻塔、板式換熱器、電動三通閥門、電動兩通閥等 主要設(shè)備。如圖 11 所示，數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組+開式冷卻 塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)的工作原理如下：

31、（1）當(dāng)開式冷卻塔的出水溫度低于冷凍水系統(tǒng)的 回水溫度 3時，進(jìn)入板式換熱器自然冷卻與冷水機(jī)組 聯(lián)合運(yùn)行工作模式，這時 V4 與 V5 電動三通閥的 A-C 與 A-B 向均導(dǎo)通，部分冷卻塔出水進(jìn)冷水機(jī)組的冷凝 器，部分冷卻塔出水進(jìn)入板式換熱器；V2 電動兩通閥全開，V3 電動兩通閥全關(guān)，從數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)設(shè)備出來較高溫度的回水先進(jìn)入板式換熱器初步降溫，再進(jìn)入 冷水機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)一步降溫，達(dá)到供水溫度后被送入 數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)設(shè)備。板式換熱器自然冷卻與冷水機(jī)組 聯(lián)合運(yùn)行時，冷水機(jī)組的部分負(fù)載工作，冷水機(jī)組的一 部分負(fù)載被自然冷卻系統(tǒng)代替。自然冷卻系統(tǒng)替代了 冷水機(jī)組螺桿壓縮機(jī)的部分負(fù)載，從而產(chǎn)生節(jié)能量。

32、（2）環(huán)境溫度逐漸降溫，冷卻塔出水溫度進(jìn)一步下 降，從數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)設(shè)備出來較高溫度的回水先進(jìn)入 板式換熱器初步降溫到冷凍水的供水溫度時，整個系 統(tǒng)進(jìn)入板式換熱器自然冷卻獨(dú)立運(yùn)行工作模式。這 時，冷水機(jī)組停止運(yùn)行，V4 與 V5 電動三通閥的 A-C 向 導(dǎo)通，A-B 向關(guān)斷，所有冷卻水均進(jìn)入板式換熱器，V2 電動兩通閥全關(guān)，V3 電動兩通閥全開，冷凍水不再經(jīng) 過冷水機(jī)組的蒸發(fā)器。板式換熱器自然冷卻獨(dú)立運(yùn)行 時，冷水機(jī)組為全部負(fù)載被自然冷卻系統(tǒng)代替。自然 冷卻系統(tǒng)替代了冷水機(jī)組螺桿壓縮機(jī)的全部負(fù)載，節(jié) 能量非常顯著。數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔+板式換熱器 自然冷卻系統(tǒng)適用于長江流域地區(qū)。室

33、外環(huán)境越低， 冬季越長的地區(qū)，節(jié)能量越大。數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔+板式換熱器 自然冷卻系統(tǒng)優(yōu)勢：圖 11 水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)原理圖·24·網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 電信網(wǎng)技術(shù)2014 年 10 月第 10 期與前面介紹的帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組系統(tǒng)對比，數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組在機(jī)械制冷工況時效率更 高、更節(jié)能。該系統(tǒng)的自然冷卻功能，節(jié)省不必要的電能消 耗，降低運(yùn)行成本，延長機(jī)組使用壽命。該系統(tǒng)適用于新建的數(shù)據(jù)中心，也適用于舊機(jī) 房的節(jié)能改造，節(jié)能潛力大，值得大力推廣。數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔+板式換熱器 自然冷卻系統(tǒng)的缺點(diǎn)：投資比較大，在北

34、方地區(qū)數(shù)據(jù)中 心，冬季室外環(huán)境溫度過低，存在冷卻塔凍結(jié)隱患，該 系統(tǒng)比較適合于長江流域地區(qū)。數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔+板式換熱器 自然冷卻系統(tǒng)具有兩種運(yùn)行模式：自 然 冷 卻 系 統(tǒng) 與 冷 水 機(jī) 組 聯(lián) 合 工 作 模 式 ：V4 與 V5 電動三通閥的 A-C 與 A-B 向均導(dǎo)通，部分冷卻 塔出水進(jìn)冷水機(jī)組的冷凝器，部分冷卻塔出水進(jìn)入板 式換熱器；V2 電動兩通閥全開，V3 電動兩通閥全關(guān)， 從數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)設(shè)備出來較高溫度的回水先進(jìn)入板 式換熱器初步降溫，再進(jìn)入冷水機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)一步降 溫，達(dá)到供水溫度后被送入數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)設(shè)備。自然冷卻系統(tǒng)獨(dú)立工作模式： 冷水機(jī)組停止運(yùn)行，V4

35、與 V5 電動三 通閥的 A-C 向?qū)?，A-B 向關(guān)斷，所有 冷卻水均進(jìn)入板式換熱器，V2 電動兩 通閥全關(guān)，V3 電動兩通閥全開，冷凍 水不再經(jīng)過冷水機(jī)組的蒸發(fā)器。5.3 數(shù) 據(jù) 中 心 用 地 表 水 自 然 冷 卻 水 冷冷水機(jī)組系統(tǒng) 此 節(jié) 能 解 決 方 案 基 于 中 大 型 數(shù)據(jù)中心的環(huán)境條件，地表水具有充足 的流量情況下。在冬季時段，取臨近 的低溫地表水作為天然冷源，通過板 式換熱器與冷凍水回水熱交換后，達(dá) 到為冷凍水降溫的目的，用以替代水 冷 離 心 機(jī) 組 、冷 卻 水 泵 和 冷 卻 塔 運(yùn) 行，降低空調(diào)運(yùn)行能耗，減少冷卻塔 漂水和蒸發(fā)造成的自來水損失。以 南京至上海的

36、長江流域為例，采用數(shù)據(jù)中心用地表水 自然冷卻水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)全年節(jié)能比例可達(dá) 20%左右，而采用水冷冷水機(jī)組+開式冷卻塔+板式換熱器的節(jié)能比例僅有 11%。 應(yīng)用地表水自然冷卻系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在兩方面：（1）使用臨近水源 地表水自然冷卻系統(tǒng)充分利用了自然環(huán)境的能源，大大減少了冬季冷水機(jī)組和相關(guān)輔助設(shè)備的運(yùn)行， 延長了冷水機(jī)組和相關(guān)輔助設(shè)備的壽命。不但降低整 個系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，還減少了二氧化碳、二氧化硫和氮 氧化物的排放。在為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時，也為 國家創(chuàng)造環(huán)境效益。（2）運(yùn)行穩(wěn)定且節(jié)能 地表水自然冷卻系統(tǒng)與開式冷卻塔+板式換熱器的自然冷卻系統(tǒng)對比，冬季地表水溫度低，由于水的比 熱

37、大，水溫穩(wěn)定波動小，地表水直接與空調(diào)系統(tǒng)的冷凍 水通過板式換熱器換熱，故地表水自然冷卻系統(tǒng)運(yùn)行 時間長而且節(jié)能量大。如圖 12 所示，數(shù)據(jù)中心用地表水自然冷卻水冷冷 水機(jī)組系統(tǒng)有兩種運(yùn)行模式：圖 12 地表水自然冷卻系統(tǒng)原理圖（1）單獨(dú)運(yùn)行地表水自然冷卻系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時，回水進(jìn)入板式 換熱器，經(jīng)過與地表水熱交換后降溫至設(shè)定值，替代水·25· TELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGYNo.10NETWORK TECHNOLOGY冷離心機(jī)組運(yùn)行，節(jié)省了水冷離心機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔等設(shè)備的運(yùn)行能耗。（2）聯(lián)合運(yùn)行 地表水自然冷卻系統(tǒng)與水冷離心機(jī)組

38、聯(lián)合運(yùn)行時，回水先經(jīng)過地表水自然冷卻系統(tǒng)，初步降溫后再經(jīng) 過水冷離心機(jī)組進(jìn)一步降溫至設(shè)定值，節(jié)省了水冷離 心機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔等設(shè)備的運(yùn)行能耗。數(shù)據(jù)中心用地表水自然冷卻水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)適 用于長江流域或長江以南的地區(qū)，而且附近臨水（河 水、湖水等，只要水量足夠的地表水均可）的數(shù)據(jù)中心。人類社會信息化和國內(nèi)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的趨勢已勢不可擋，數(shù)據(jù)中心作為滿足人類物質(zhì)精神需求，支撐信息產(chǎn) 業(yè)發(fā)展的硬件基礎(chǔ)，必將迎來新一輪的建設(shè)高峰，隨之 而來的高能耗和碳排放問題，也需要引起全社會的高 度重視。集中冷源系統(tǒng)作為目前最為高效和節(jié)能的空 調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)，現(xiàn)在和將來很長一段時間內(nèi)，仍將在數(shù)據(jù) 中心制冷系統(tǒng)的設(shè)計中占據(jù)統(tǒng)治地位，所以掌握好它 的規(guī)律，采用更加科學(xué)、合理、節(jié)能的設(shè)計方法和設(shè)計 理念至關(guān)重要。本文是筆者基于國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心行業(yè)的一些標(biāo)準(zhǔn) 和行業(yè)經(jīng)驗提出的見解，希望能對數(shù)據(jù)中心行業(yè)的發(fā) 展盡一份微薄之力。6結(jié)束語Overview of Center Cooling System Design for Data CenterAbstract Sincerely to give some suggestion about designing central cooling system with energy-saving technologies