從根本上解析數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)

引言 目前數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程行業(yè)里形成一個專業(yè)領(lǐng)域，針對安裝在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的設(shè)備功率密度、可靠性、靈活性等要求，空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際方式也不盡相同，本文擬就國內(nèi)某大型企業(yè)自用數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際案例做一介紹，以供同行參考。 1.工程概況 本工程數(shù)據(jù)中心大樓為一個4層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑，包含主機(jī)房、支持區(qū)（空調(diào)機(jī)房、變配電所及UPS間、氣瓶間）、冷水站、辦公區(qū)、裝卸貨等功能區(qū)域。 主機(jī)房按照“整體B級，局部高可用”的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，共有10個主機(jī)房模塊：1、6個模塊為常規(guī)高密度機(jī)房，功率密度可達(dá)到2kVA/m2，每個模塊的使用面積為500m2,布置在3層和4層；2、3個模塊為可兼容非常規(guī)高密度機(jī)房，功率密度可達(dá)到5kVA/m2，每個模塊的使用面積為500m2,布置在3層和4層；3、1個模塊為高可用機(jī)房，功率密度為1kVA/m2，該模塊的使用面積為300皿，布置在1層。 數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。圖1標(biāo)準(zhǔn)層平面圖 2.數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)先進(jìn)性：模塊化配置，滿足中遠(yuǎn)期要求，符合IT發(fā)展趨勢；可靠性：系統(tǒng)冗余備份，管路多路由，從冷源、管路、末端配置各方面考慮；靈活性：模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具備彈性及可擴(kuò)充能力；功能性：空間設(shè)計(jì)以及功能區(qū)設(shè)置符合服務(wù)流程，并能靈活組合；可服務(wù)性：易維護(hù)、可更新，設(shè)施滿足監(jiān)控和運(yùn)營服務(wù)；經(jīng)濟(jì)性：節(jié)能、綠色環(huán)保、自動運(yùn)行、節(jié)能控制與低PUE的綠色數(shù)據(jù)中心。 3.末端空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1氣流組織 3.1.1常規(guī)高密度機(jī)房和高可用機(jī)房 機(jī)房空調(diào)氣流組織，擬米用冷、熱通道隔離的方式。機(jī)房計(jì)算機(jī)柜以面對面和背靠背成排方式布置，熱通道上方設(shè)置透明的軟隔斷，將冷熱通道完全隔離?？照{(diào)系統(tǒng)采用架空地板下送風(fēng)、天花吊頂回風(fēng)的氣流組織方式，送風(fēng)口設(shè)置在冷通道的架空地板上，送風(fēng)口采用孔板分扣600mmX6OOmm，根據(jù)送風(fēng)量設(shè)計(jì)開孔率，配套調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)每個風(fēng)口的送風(fēng)量，回風(fēng)口設(shè)置在熱通道的吊頂天花上，風(fēng)口采用格柵風(fēng)口600啞X600啞。新風(fēng)直接從室外經(jīng)過過濾后引入吊頂回風(fēng)空間內(nèi)，與回風(fēng)混合，平時用于滿足工作人員的新風(fēng)需求和保證機(jī)房密封所需要的正壓需求。新風(fēng)處理采用常規(guī)吊頂式新風(fēng)機(jī)組。常規(guī)高密度機(jī)房氣流組織圖如圖2所示。圖2常規(guī)高密度機(jī)房氣流組織圖 3.1.2非常規(guī)高密度機(jī)房 本計(jì)算機(jī)樓房的3個非常規(guī)高密度機(jī)房，計(jì)算機(jī)設(shè)備平均裝機(jī)用電密度為5kVA，這和到單臺機(jī)柜的用電量約10kW。該部分空調(diào)氣流組織擬采用架空地板下送風(fēng)和機(jī)柜局部冷卻相結(jié)合的方式。地板下送風(fēng)擔(dān)負(fù)1/3空調(diào)負(fù)荷，機(jī)柜局部冷卻裝置負(fù)擔(dān)2/3的空調(diào)負(fù)荷。 空調(diào)系統(tǒng)采用架空地板下送風(fēng)、天花吊頂回風(fēng)的氣流組織方式，送風(fēng)口設(shè)置在冷通道的架空地板上，送風(fēng)口采用孔板風(fēng)口600啞X600啞，根據(jù)送風(fēng)量設(shè)計(jì)開孔率，配套調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)每個風(fēng)口的送風(fēng)量，回風(fēng)口設(shè)置在熱通道的吊頂天花上，風(fēng)口采用格柵風(fēng)口600啞X600啞。 機(jī)柜配套局部冷卻系統(tǒng)由制冷主機(jī)+制冷末端單元組成。制冷主機(jī)仍采用冷水作為冷源，制冷主機(jī)與制冷末端單元通過銅管鏈接，內(nèi)部充注R134a環(huán)保冷媒進(jìn)行熱交換，通過主機(jī)控制器控制，保證制冷末端單元蒸發(fā)器表面溫度高于露點(diǎn)溫度，避免蒸發(fā)器及冷媒管路表面結(jié)露產(chǎn)生冷凝水。非常規(guī)高密度機(jī)房氣流組織圖如圖3所示。圖3非常規(guī)高密度機(jī)房氣流組織圖3.2室內(nèi)空氣溫度 （1）計(jì)算機(jī)機(jī)房溫濕度的確定對于空調(diào)系統(tǒng)有較大的影響，也是很關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。關(guān)于機(jī)房的設(shè)計(jì)溫濕度，最新的《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50172-2008）規(guī)定，溫度為23±1°C，相對濕度為40%~~55%，但是機(jī)房區(qū)各個區(qū)域的溫度差異比較大，規(guī)范中并沒有明確此溫度的準(zhǔn)確定義點(diǎn)。（2）根據(jù)美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會（ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)）的建議，分冷、熱通道分別定義溫度。這樣更科學(xué)和更合理的體現(xiàn)機(jī)房計(jì)算機(jī)設(shè)備的要求，所以本工程設(shè)計(jì)的冷通道設(shè)計(jì)溫度為18?23°C，熱通道為28?33°C。這樣設(shè)計(jì)會帶來如下的優(yōu)點(diǎn)：1）提高了送風(fēng)溫度，從而提高了換熱的效率，即提高冷水機(jī)組的能效比，明顯節(jié)約能源；2）為過渡季節(jié)和冬季使用免費(fèi)冷源冷卻提供使用的可能，并增長了可使用的時間；3）為末端精密空調(diào)的干況運(yùn)行提供有利條件，對空氣處理過程的節(jié)能有較大的好處。冷、熱通道溫度示意圖如圖4所示。圖4冷、熱通道溫度示意圖 3.3空氣處理過程 （1）根據(jù)計(jì)算機(jī)房的負(fù)荷你，計(jì)算機(jī)房主要為顯熱負(fù)荷，機(jī)房專用空調(diào)設(shè)計(jì)為干工況運(yùn)行，因?yàn)橛?jì)算機(jī)房無工作人員，對于偶爾因少數(shù)工作人員進(jìn)入而帶入的濕符合忽略不計(jì)。末端空調(diào)設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度為18C，回風(fēng)設(shè)計(jì)溫度為28C。 （2）新風(fēng)處理過程在夏季將室外空氣處理到室內(nèi)空氣的溫濕度，即23C和50%，送入空調(diào)機(jī)房內(nèi)，冬季僅作過濾處理，不做溫濕度的處理直接送入空調(diào)機(jī)房。新風(fēng)量的設(shè)計(jì)采用維持機(jī)房正壓要求的送風(fēng)量。 3.4設(shè)備設(shè)置 機(jī)房空調(diào)中的空調(diào)末端采用機(jī)房專用精密空調(diào)機(jī)組，分別設(shè)置于每個機(jī)房模塊兩側(cè)的空調(diào)機(jī)房內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)均為模塊化配置。常規(guī)密度的計(jì)算機(jī)房模塊（6個模塊），機(jī)房主要采用冷水型機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組，每個計(jì)算機(jī)房模塊采用N+1冗余配置，每個模塊獨(dú)立設(shè)置1臺新風(fēng)機(jī)，同時每個模塊內(nèi)設(shè)置1臺自動加濕機(jī)。 非常規(guī)高密度計(jì)算機(jī)房模塊（3個模塊），機(jī)房同時設(shè)置冷水型機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組和冷水型功能機(jī)。每個計(jì)算機(jī)房模塊采用N+1冗余配置，每個模塊獨(dú)立設(shè)置1臺新風(fēng)機(jī)，同時每個模塊內(nèi)設(shè)置1臺自動加濕機(jī)。 高可用性的計(jì)算機(jī)房模塊（1個模塊），機(jī)房主要采用冷水型機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組，每個計(jì)算機(jī)房模塊采用N+2冗余配置，每個模塊獨(dú)立設(shè)置1臺新風(fēng)機(jī)，同時每個模塊內(nèi)設(shè)置1臺自動加濕機(jī)。 4.冷水站設(shè)計(jì) 4.1系統(tǒng)配置（1）數(shù)據(jù)中心的冷源采用10kV高壓離心式冷水機(jī)組提供，設(shè)計(jì)參數(shù)供水參數(shù)7C，共分為2個完全獨(dú)立的冷水系統(tǒng)。系統(tǒng)1主要服務(wù)6個常規(guī)密度模塊和1個高可用性模塊及其配電輔助用房；系統(tǒng)2主要服務(wù)3個高密度的模塊及其配電輔助用房。（2）系統(tǒng)1計(jì)算冷負(fù)荷為6500kW，采用4臺700USRT的水冷離心式冷水機(jī)組（3用1備），比設(shè)計(jì)負(fù)荷富裕約10%，考慮了后期可能的容量調(diào)整和少量擴(kuò)容。設(shè)置3+1的冗余配置是考慮業(yè)主對模塊化和高可靠性的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)1的1臺主機(jī)對應(yīng)2個常規(guī)高密度機(jī)房模塊，系統(tǒng)2的1臺主機(jī)對應(yīng)1個非常規(guī)高密度機(jī)房模塊，因此該配置可同時實(shí)現(xiàn)模塊化、分期實(shí)施、高可靠性的需求。（3）根據(jù)參考數(shù)據(jù)，當(dāng)每臺機(jī)柜發(fā)熱量為14.4kW時，斷電后室內(nèi)溫度達(dá)到40C的時間約為1分鐘，而系統(tǒng)斷電后從柴油發(fā)電機(jī)的啟動到冷水機(jī)組正常運(yùn)行需要較長的時間，因此系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的水系統(tǒng)中各設(shè)置了一個100m?的儲水罐，儲備容量為系統(tǒng)滿負(fù)荷5分鐘的循環(huán)水量。儲水罐與系統(tǒng)采用并聯(lián)的接入方式，突發(fā)停電后，在主機(jī)無法及時啟動的情況下，替代主機(jī)提供冷源。 4.2免費(fèi)冷源冷卻 （1）計(jì)算機(jī)房設(shè)備熱量是空調(diào)系統(tǒng)的主要負(fù)荷，在過渡季節(jié)和冬季，室外溫度已經(jīng)低于機(jī)房溫度的情況下，充分利用室外的免費(fèi)冷空氣是計(jì)算機(jī)房節(jié)能的關(guān)鍵。結(jié)合本項(xiàng)目的氣象條件，設(shè)計(jì)中采用冬季閉式冷卻塔直接供冷的節(jié)能方式。計(jì)劃在室外濕球溫度低于7C的時候開始采用，因項(xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)靠近北京，采用北京典型年氣候條件為設(shè)計(jì)依據(jù)。表1是北京氣象統(tǒng)計(jì)資料。 （2）經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，一年中可以免費(fèi)冷卻的時間為12d。根據(jù)北京地區(qū)氣象資料，北京地區(qū)連續(xù)8小時以上氣溫濕球溫度小于等于7C的小時數(shù)為3120h/a，見表2.冬季氣溫濕球溫度大于7C時和夏季，空調(diào)設(shè)備全部運(yùn)行。 （3）制冷主機(jī)和冷卻水循環(huán)泵將節(jié)省30%的運(yùn)行費(fèi)用。每臺機(jī)組的功率為450kW，共計(jì)6臺，停機(jī)時間按每年3120h計(jì)算，全年節(jié)約800萬kWh電。冷卻水循環(huán)泵的功率為55kW，共6臺，停機(jī)時間按每年3120h計(jì)算，全年節(jié)約10萬kWh電，節(jié)能效果非常明顯。 5.綠色數(shù)據(jù)中心的PUE指標(biāo) （1）當(dāng)前，測量數(shù)據(jù)中心的能耗指標(biāo)主要采用PUE——電能使用效率，PUE二數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗，PUE是一個比率，越接近1表明能效水平越好。 （2）本項(xiàng)目規(guī)劃IT系統(tǒng)設(shè)備供電容量為13800kVA，當(dāng)功率因素為0.8時，相當(dāng)于IT系統(tǒng)熱負(fù)荷為11040kW。如果仍采用舊有的數(shù)據(jù)中心工藝設(shè)計(jì)，考慮其它損耗，系統(tǒng)總耗電量將達(dá)到驚人的程度。（3）PUE指標(biāo)分析：以下我們將結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)，對數(shù)據(jù)中心能效比的關(guān)鍵指標(biāo)一一PUE進(jìn)行初步分析，分析的前提條件如下：1）能源統(tǒng)計(jì)范圍僅包括高性能計(jì)算機(jī)房及其辦公區(qū)；2）高性能計(jì)算機(jī)房采用冷水系統(tǒng)冷卻；3）水冷空調(diào)系統(tǒng)的綜合能耗比為3.3；4）有功功率因素為0.8. （4）當(dāng)機(jī)房實(shí)際電負(fù)荷達(dá)到100%設(shè)計(jì)負(fù)荷時，系統(tǒng)的PUE指標(biāo)為1.56，在免費(fèi)冷源冷卻的運(yùn)行工作狀況下，系統(tǒng)的PUE指標(biāo)僅為1.30，遠(yuǎn)低于行業(yè)通常水平。 6.常規(guī)高密度機(jī)房氣流CFD模擬 本項(xiàng)目選擇了常規(guī)高密度的計(jì)算機(jī)房做了CFD計(jì)算機(jī)氣流模擬。模擬的邊界條件根據(jù)本公司針對本次機(jī)房的空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)，模擬的目的是檢驗(yàn)在設(shè)計(jì)參數(shù)下，機(jī)房達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，機(jī)房溫度場的分布狀況及氣流分布情況，從而修正設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的，為設(shè)計(jì)提供直觀的參考。本次模擬軟件為AIRPANK。 6.1模擬的邊界條件 本項(xiàng)目選擇了一個典型數(shù)據(jù)機(jī)房約1/3的面積（約168皿）進(jìn)行了模擬，機(jī)房的寬度和高度均按現(xiàn)有設(shè)計(jì)，機(jī)柜的布置采用冷熱通道隔離的方式。計(jì)算機(jī)設(shè)備用電裝密度為2kVA/皿，單機(jī)柜的設(shè)備用電負(fù)荷設(shè)定為4kW/rack（按每個機(jī)柜占用機(jī)房面積2.5皿）。空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 送風(fēng)溫度為18°C，回風(fēng)溫度為28°C； 總送風(fēng)量為79200m?/h； 總回風(fēng)量為79200m?/h； 機(jī)柜散熱量4kW，機(jī)柜內(nèi)風(fēng)扇排風(fēng)量為120079200m?/h。 6.2模擬結(jié)果分析 1）地板上0.5m水平溫度分布如圖5所示。圖5地板上0.5m水平溫度分布 從圖5可以看出，在0.5m水平面上，冷通道溫度約為18~20C，走道的溫度為23C，熱通道約為28?30C。溫度場分布符合冷熱通道的設(shè)置要求，未出現(xiàn)溫度分布不均勻的情況。2）地板上1.5m水平溫度分布如圖6所示。圖6地板上1.5m水平溫度分布 從圖6可以看出，在1.5m水平面上，冷通道溫度約為18?20C，走道的溫度為23C，熱通道約為28?30C。溫度場分布符合冷熱通道的設(shè)置要求，未出現(xiàn)溫度分布不均勻的情況。該平面也是人員通常感官感受的區(qū)域。 3）地板上2.5m水平面溫度分布如圖7所示。圖7地板上2.5m水平面溫度分布 從圖7可以看出，在2.5水平面上，冷通道溫度約為18~20C，走道的溫度為23C，熱通道約為28?30C。溫度場分布符合冷熱通道的設(shè)置要求，該區(qū)域是機(jī)房機(jī)柜的上部區(qū)域，冷通道依然保持較好的溫度分布，走到溫度雖然有點(diǎn)高，但已經(jīng)是非人員活動的區(qū)域。熱通道到達(dá)溫度設(shè)定的最大溫度。符合設(shè)計(jì)要求和使用要求。 冷通道垂直溫度分布如圖8所示。圖8冷通道垂直溫度分布 冷通道垂直面上溫度在機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)區(qū)域保持在18?20C，而且完全覆蓋了機(jī)柜的水平和垂直區(qū)域，溫度分布均勻，沒有出現(xiàn)局部的高溫，使機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度得到保障。 熱通道垂直溫度分布如圖9所示。圖9熱通道垂直