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

1、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(zhǎng),這種增長(zhǎng)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(gè)日益突出的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn),這也就意味著數(shù)據(jù)中心對(duì)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(lái)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(gè)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)使用壽命一般都會(huì)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(wú)論是從社會(huì)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(zhǎng)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(gè)好的、合理的設(shè)計(jì)方案會(huì)

2、大量地節(jié)省初投資,能夠采用更加成熟的產(chǎn)品和技術(shù)來(lái)滿足數(shù)據(jù)中心壽命期內(nèi)的需要,并且可以通過(guò)有效地降低PUE 、初投資(CAPAX ,來(lái)實(shí)現(xiàn)TCO 的節(jié)省。2集中冷源式空調(diào)系統(tǒng)集中冷源系統(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(huì)導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法制冷;傳統(tǒng)建筑可以容忍短暫的搶修時(shí)間,但對(duì)于發(fā)熱量特別大的數(shù)據(jù)中心機(jī)房,空調(diào)系統(tǒng)即便僅停止工作幾分鐘,就會(huì)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(duì)數(shù)據(jù)中心威脅巨大,必須盡量消除。水管路、閥門(mén)、冷水機(jī)組、冷凍水型末端均需考慮冗余設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)擴(kuò)容相對(duì)復(fù)雜,設(shè)計(jì)之初就要考慮好管路設(shè)計(jì)和接

3、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(jì)級(jí)別來(lái)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,目前主要參考國(guó)內(nèi)(GB50174和國(guó)際(TIA-942的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,具體參見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)中心集中冷源空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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)能自然冷卻部份自然冷卻全部自然冷卻冷水機(jī)組機(jī)房空調(diào)水泵冷卻塔蓄冷水管路表1TIA-942標(biāo)準(zhǔn)與GB50174標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于集中冷源式空調(diào)系

4、統(tǒng)的冗余配置對(duì)比集中冷源式空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)的常見(jiàn)形式參見(jiàn)圖1。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。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(lái)選擇可靠、高效、節(jié)能、合理的圖1數(shù)據(jù)中心主機(jī)房流程圖(僅供參考制冷機(jī)。(1適合數(shù)據(jù)中心的制冷機(jī)種類電驅(qū)動(dòng)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

5、塞式機(jī)組。各類機(jī)組各有其特點(diǎn),應(yīng)用其所長(zhǎng)。電驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)按冷凝器冷凝方式分為風(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(guò)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(shì):節(jié)約水資源,環(huán)保;安裝在室外,如屋頂,無(wú)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(yíng)費(fèi)用。水冷機(jī)組水冷機(jī)組通過(guò)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(lái)產(chǎn)生冷水。水冷機(jī)組的優(yōu)勢(shì):應(yīng)用范圍廣,技術(shù)成熟,造價(jià)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

6、卻的風(fēng)冷機(jī)組,長(zhǎng)江流域或以南地區(qū)多選用水冷機(jī)組。根據(jù)數(shù)據(jù)中心有無(wú)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(shí)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(shí),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(shí)的COP 值,合理地選擇機(jī)型、臺(tái)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(tái)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,

7、保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同一站房?jī)?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(tái)或幾臺(tái)自動(dòng)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(shí)應(yīng)考慮其對(duì)環(huán)境的污染:一是噪音和振動(dòng),要滿足周圍環(huán)境的要求;二是制冷劑對(duì)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

8、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(duì)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(kāi)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

9、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(jì)簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)配置,二次泵大多采用多臺(tái)泵并聯(lián)的方式。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: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

10、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(chǎng)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(jì)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(tái)泵單獨(dú)工作時(shí)的流量,大于并聯(lián)工作時(shí)每臺(tái)泵的流量。兩臺(tái)泵并聯(lián)工作時(shí),其流量不能比單臺(tái)泵工作時(shí)成倍增加,這在多臺(tái)泵并聯(lián)時(shí)就更明顯。圖4為5臺(tái)同型號(hào)水泵并聯(lián)的工作特性曲線,對(duì)比數(shù)據(jù)參見(jiàn)表2。由以上的分析不難得出:在

11、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(tái)大流量的水泵替代多臺(tái)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(shí)間后,會(huì)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(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)的水系統(tǒng)進(jìn)行處理?？照{(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)示意圖水裝置及電子水處理儀等。另外,水過(guò)濾也是必須重視的問(wèn)題。在空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施完成后,管道中通常會(huì)存在許多雜物,如焊渣、生料帶、砂石等;安裝水過(guò)

12、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(guò)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)中心集中冷源空調(diào)系統(tǒng)通常采用開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng),具體參見(jiàn)圖5。開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)注意事項(xiàng):每臺(tái)冷卻塔應(yīng)布置在同一水平高度上。每臺(tái)塔的集水盤(pán)上都應(yīng)裝平衡管,防止水盤(pán)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(tái)塔的出水管上應(yīng)設(shè)置過(guò)濾器,最低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置排污口。冷卻塔的集水盤(pán)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45臺(tái)同型號(hào)水泵并聯(lián)表2

13、5臺(tái)同型號(hào)水泵并聯(lián)對(duì)比圖5開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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(jì)算:q v=(1.051.10q v1。其中,q v為冷卻水量(m3/h;q v1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(shí)際情況,如市區(qū)比郊區(qū)高12;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(shí)應(yīng)適當(dāng)加大型號(hào)。必須滿足環(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

14、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(guó)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%。以上3部分取1.3%2%。氣水比:指單位時(shí)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

15、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)?shù)牧飨?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(dòng)力來(lái)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(shí),空調(diào)系統(tǒng)仍然需要維持正常運(yùn)行。在常規(guī)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),備用的柴油發(fā)電機(jī)組可以緊急啟動(dòng)提供后備電力,從柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)至穩(wěn)定供電的過(guò)程一般需要3min。冷水

16、機(jī)組在正常供冷過(guò)程中遇到停電故障時(shí)會(huì)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(kāi)機(jī)的初始狀態(tài),再經(jīng)過(guò)冷水機(jī)組控制系統(tǒng)對(duì)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(dòng),這段恢復(fù)冷水機(jī)組系統(tǒng)恢復(fù)正常供冷過(guò)程一般需要110min不等。在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)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(guò)設(shè)置蓄冷設(shè)施,儲(chǔ)備備用冷量來(lái)解決這一問(wèn)題。配置的蓄冷設(shè)施提供的持續(xù)供冷時(shí)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(guò)制冰方式,以相變潛熱儲(chǔ)存冷量,并在需要時(shí)融冰釋放出冷量的系統(tǒng)稱為冰蓄冷系統(tǒng)

17、;利用水的顯熱儲(chǔ)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?jī)?nèi)設(shè)備的散熱負(fù)荷,在一天24h中的每個(gè)時(shí)刻都基本不會(huì)變化,屬于一個(gè)穩(wěn)定負(fù)荷,這部分負(fù)荷占整個(gè)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(wú)縫”連接,無(wú)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(duì)冷水溫度進(jìn)行調(diào)整;水蓄冷系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單,運(yùn)行安全可靠,在出現(xiàn)緊急狀況時(shí)可及時(shí)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(jì)算,同

18、時(shí)考慮到蓄冷罐與整個(gè)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可作為一部分的蓄冷水量。系統(tǒng)需要的蓄冷水量為:V =Q/(tzCp 其中,V 為蓄冷水量(m 3;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1000kg /m 3;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=R2L 。其中,V1為管道系統(tǒng)保有冷水量(m 3;R 為管道半徑(m ;L 為供水總管道長(zhǎng)度(m ;蓄冷罐容積為V2=V-V1(m 3。4水管路系統(tǒng)在集中冷源系統(tǒng)中連接各個(gè)制冷設(shè)備

19、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(jì),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(jiàn)圖6、7。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(shí),可經(jīng)其他連接管路繼續(xù)向用戶供冷,即便系統(tǒng)中某臺(tái)冷水機(jī)組出現(xiàn)故障不能向系統(tǒng)供冷時(shí),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

20、配置多臺(tái)冷水機(jī)組,且需要根據(jù)系統(tǒng)冗余能力增加分段閥門(mén)以便于檢修和增容。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(jiǎn)單,設(shè)計(jì)與施工更加方便,且管路中的閥門(mén)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)中心的能耗占比超過(guò)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(jì)中,對(duì)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)

21、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(huì)有不同的表現(xiàn)形式和架構(gòu)類型。其中,最為成熟和常見(jiàn)的有以下3種形式:5.1數(shù)據(jù)中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(mén)為中大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)制造的高可靠性的集中圖6冷凍水環(huán)路系統(tǒng)圖7冷卻水環(huán)路系統(tǒng)式冷源。與數(shù)據(jù)中心配套安裝于機(jī)房?jī)?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)器,還包含了自然冷卻盤(pán)管、電動(dòng)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

22、凝器的進(jìn)風(fēng)溫度低于回水溫度2時(shí),自然冷卻便開(kāi)始工作,進(jìn)入部分自然冷卻模式,從數(shù)據(jù)機(jī)房出來(lái)的回水被送到自然冷卻盤(pán)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(pán)管與壓縮機(jī)機(jī)械制冷同時(shí)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(shí),進(jìn)入全部自然冷卻模式,冷卻工作全靠自然冷卻盤(pán)管完成,壓縮機(jī)機(jī)械制冷停止運(yùn)行。節(jié)能比例可達(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(yáng)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

23、機(jī)組系列單臺(tái)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(zhǎng)江流域或以北的大部分地區(qū)。室外環(huán)境越低,冬季越長(zhǎng)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(jiàn)圖9。自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組自然冷卻原理圖參見(jiàn)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(shì):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(duì)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(shí)施更多的

24、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(shì):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(duì)簡(jiǎn)單,運(yùn)維管理方便,不存在冬季冷卻水凍結(jié)圖8末端雙管路系統(tǒng)等問(wèn)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(kāi),B 位關(guān)閉。從數(shù)據(jù)機(jī)房出來(lái)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(shí),三通閥5在B 位

25、打開(kāi),A 位關(guān)閉,回水直接進(jìn)入自然冷卻盤(pán)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(shí),回水是靠自然冷卻盤(pán)管預(yù)冷卻再靠壓縮機(jī)機(jī)械制冷的蒸發(fā)器冷卻。全部自然冷卻模式:當(dāng)空氣溫度降到設(shè)定值時(shí),三通閥5在B 位打開(kāi),A 位關(guān)閉,冷卻工作全靠自然冷卻盤(pán)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(kāi)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)中心最常用的圖10自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組自然冷卻原理圖圖9自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組機(jī)械制冷原理圖兩種空調(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(kāi)式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)。

26、水冷冷水機(jī)組+開(kāi)式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)在長(zhǎng)江流域的中大型數(shù)據(jù)中心比較常見(jiàn),為數(shù)據(jù)中心機(jī)房、程控交換機(jī)房、計(jì)算機(jī)房等多種高精度要求的高科技設(shè)備場(chǎng)所專門(mén)設(shè)計(jì)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(kāi)式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻設(shè)備配套安裝于機(jī)房?jī)?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(kāi)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(kāi)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(kāi)式冷卻塔、板式換熱器、電動(dòng)三通閥門(mén)、電動(dòng)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(kāi)式冷卻

27、塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)的工作原理如下:(1當(dāng)開(kāi)式冷卻塔的出水溫度低于冷凍水系統(tǒng)的回水溫度3時(shí),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(shí)V4與V5電動(dòng)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(dòng)兩通閥全開(kāi),V3電動(dòng)兩通閥全關(guān),從數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)設(shè)備出來(lái)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(shí),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)

28、能量。(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(lái)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(shí),整個(gè)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(shí),冷水機(jī)組停止運(yùn)行,V4與V5電動(dòng)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(dòng)兩通閥全關(guān),V3電動(dòng)兩通閥全開(kāi),冷凍水不再經(jīng)過(guò)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(shí),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(kāi)式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)適用于長(zhǎng)江流域地區(qū)。室外環(huán)境越低,冬季越長(zhǎng)的地區(qū),

29、節(jié)能量越大。數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組+開(kāi)式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)優(yōu)勢(shì):圖11水冷冷水機(jī)組+開(kāi)式冷卻塔+板式換熱器自然冷卻系統(tǒng)原理圖網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 電信網(wǎng)技術(shù) 2014 年 10 月第 10 期 比， 數(shù)據(jù)中心水冷冷水機(jī)組在機(jī)械制冷工況時(shí)效率更 高、 更節(jié)能。 耗， 降低運(yùn)行成本， 延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命。 與前面介紹的帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組系統(tǒng)對(duì) 右， 而采用水冷冷水機(jī)組+開(kāi)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(shì)， 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(zhǎng)了冷水機(jī)組和相關(guān)輔助設(shè)備的壽命。不但降低整 個(gè)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(shí)， 也為 國(guó)家創(chuàng)造環(huán)境效益。 （2） 運(yùn)