冷凍水空調系統在數據中心中的應用研究

1. 課題研究背景和目的 

數據中心機房空調中的空調系統主要服務(wù)對象是電子設備，應確保電子設備長(cháng)期、連續、安全的運行。目前數據中心機房空調大多數采用風(fēng)冷型專(zhuān)用空調機組，其具有裝置靈活、可靠安全的優(yōu)點(diǎn)，但也存在性能系數較低、運行性能不穩定、受室外環(huán)境溫度變化動(dòng)搖較大、室內外機組裝置管線(xiàn)較短、室外冷凝器占用大量建筑面積的缺點(diǎn)。隨著(zhù)機架熱負荷在逐漸上升，考慮到室外冷凝器對建筑立面影響較大且冷凝器的安裝位置受室內機位置和建筑立面的限制，風(fēng)冷型專(zhuān)用空調機組經(jīng)常滿(mǎn)足不了需要。采用集中冷源空調系統即冷水機組+冷凍水型專(zhuān)用空調機組方案（以下統稱(chēng)冷凍水空調系統）變得更為普遍。 

冷凍水空調系統使用集中冷源，制冷效率較高；采用冷卻塔蒸發(fā)冷卻，不需設置風(fēng)冷冷凝器，降低環(huán)境噪音，對建筑立面影響??；數據中心機房采用冷凍水空調系統具有一定水平的節電降耗價(jià)值，特別是一些中、大型項目上不但節能效益顯著(zhù)，而且可以減少空調設備的投資。但凡事有利則有弊，由于冷凍水空調系統中安裝的設備及閥門(mén)等部件較多，系統單點(diǎn)故障點(diǎn)較多，為達到靈活、可擴展、可靠、適用、易維護和節能的需求，冷凍水空調中的水系統和控制系統的設計比較復雜。深入研究冷凍水空調系統在數據中心機房中的應用，對于目前移動(dòng)數據中心機房建設工作具有極其重要的作用。 

本課題主要從方案角度探討冷凍水空調系統在數據中心機房中的應用模式，包括冷源端和空調末端的管路模式，在保證機房的可靠性的前提下，分析冷凍水空調系統的各種節能措施，如高溫冷凍水、大溫差及利用自然冷源等，以期盡量降低數據中心機房的PUE值。

2. 冷凍水空調系統的一般組成

2.1 冷水機組 

冷水機組是指能生產(chǎn)冷凍水的機械制冷設備（見(jiàn)圖2－1），冷水機組為冷卻民用建筑而生產(chǎn)的冷水溫度一般為7℃,若用于冷卻數據中心機房，此溫度常顯太低。較高的水溫能夠減少機房的加濕負荷，提高空調顯熱比，具有很大的節能潛力。冷水溫度較高的缺點(diǎn)是使空調末端換熱器配置規格加大。 

冷水可以是100%的水，或是水與乙二醇的混合物（如管路位于有凍結危險區域），當水中有乙二醇或添加劑時(shí)，冷水機組的容量會(huì )有所衰減。 

2.2 冷卻塔 

冷卻塔是將循環(huán)冷卻水在其中噴淋，使之與空氣直接接觸，通過(guò)蒸發(fā)和對流把攜帶的熱量散發(fā)到大氣中去的冷卻裝置（見(jiàn)圖2－2）。冷卻塔有各種形狀、規格、配置與冷卻容量。由于冷卻塔需要有環(huán)境空氣進(jìn)出的通路，所以通常設置于室外，一般在屋面或架高平臺上。對設有冷卻塔的數據中心機房空調系統，應有補水儲存，以避免在市政停水時(shí)冷卻塔失水。在大型空調系統中，冷卻塔通常選用橫流塔，每臺塔由若干相同模塊組成，根據空調負荷和室外溫度靈活臺數控制，并配置風(fēng)機變頻調速，能起到很好的節能效果。

圖2－1  離心式冷水機組

圖2－2  橫流式冷卻塔

2.3 水泵 

冷凍水空調系統中主要的水泵是冷凍水循環(huán)水泵和冷卻水循環(huán)水泵，泵系統設計應考慮節能、可靠性與冗余度，在滿(mǎn)足安全的情況下，水泵配置設計時(shí)通?？膳渥冾l調速裝置，并采用高效電機，這樣，對于每周7天，24小時(shí)運行的泵來(lái)說(shuō)，節能效果很顯著(zhù)。  

2.4 冷凍水型專(zhuān)用空調機組 

冷凍水型專(zhuān)用空調機組主要結構分為兩部份（見(jiàn)圖2－3）：風(fēng)機段、制冷盤(pán)管，其它選配件包括電加熱器、電極式加濕器等。冷凍水管接管位置設置在機組的背面或側面；通常該機組的送風(fēng)方式采用下送風(fēng)，風(fēng)機段安裝于高架地板之下，空氣從機組頂部吸入，從機組底部送出；采用大風(fēng)量小焓差設計原則，顯熱比大；在典型工況下（回風(fēng)溫度24℃，相對濕度50%，進(jìn)/出水溫度7/12℃）的制冷量范圍30~210KW，風(fēng)量范圍9000~50000 m3/h；送風(fēng)機配置EC調速外轉子式電機將有良好的節能效果；

圖2－3   冷凍水型專(zhuān)用空調機組

冷水機組、冷卻塔、水泵和專(zhuān)用空調等4部分是冷凍水空調系統的主要耗能設備，除以上主要設備外，還有一些附屬設備，包括分水器、集水器、水處理器、補水泵、定壓裝置、蓄冷罐等，在此不一一贅述。    

3. 冷凍水空調系統管路設計  

在數據中心機房冷凍水空調管路設計中，最重要的一點(diǎn)是可靠性，在可靠性的基礎上兼顧易用和節能。根據數據中心機房的面積、高度、工藝負荷、功能要求等，可采用各種不同的管路方式，這些管路方式應在不增加機房風(fēng)險情況下，有不同程度的管道冗余、可調節及在線(xiàn)維護功能。 

3.1 制冷機房管路設計 

制冷機房基本的水系統流程是：空調回水通過(guò)冷水機組蒸發(fā)制冷降溫成空調供水，供給各空調末端使用，冷卻塔將冷水機組冷凝器熱量通過(guò)蒸發(fā)冷卻散發(fā)到大氣中，完成冷凍水和冷卻水兩系統水系統的循環(huán)。通常最基本的管道形式如圖3-1所示，空調冷凍供回主水、冷卻供回水主管均無(wú)備份冗余，如主管有故障時(shí)，需停機檢修，這種管路系統在一些要求不高、允許制冷中斷的建筑采用（如民用建筑的制冷系統），但通常滿(mǎn)足不了數據中心機房安全性的需要。

圖3－1  制冷機房管道系統圖（基本型）

為滿(mǎn)足機房安全性的需求，雙制冷系統經(jīng)常被采用。如圖3-2所示，采用二套獨立制冷系統，每套制冷系統各承擔數據中心機房50~100%的冷負荷，每套系統與基本型的管路系統一樣，均存在單點(diǎn)故障，如發(fā)生故障，一套系統可能需要停機檢修，在檢修期間，只能利用另外一套制冷系統供冷。 

理論上說(shuō)，在雙制冷系統中，如每套制冷系統承擔的數據中心機房負荷不到100%，當一套系統出現單點(diǎn)故障停機檢修時(shí)，另一套系統是不能完全保證機房使用要求的，但如果配合機房分級制度，在系統故障情況下允許部分設備停機，且盡量減少檢修時(shí)間，在單套系統70%負荷左右的情況下，數據中心機房的安全性還是能夠保證的。采用雙制冷系統的一個(gè)缺點(diǎn)是管路數量比較多，制冷機房的管路數量較基本型系統要增加一倍。 

在這種系統下，各制冷系統所聯(lián)接的末端空調也應根據制冷系統設計容量承擔相應負荷，如每套制冷系統承擔70%空調負荷，則對應該制冷系統的機房空調末端也應按70%負荷選配，這樣一個(gè)機房的總的空調末端是按140%的空調負荷配置的。如每套系統承擔100%空調負荷，則機房空調末端需按200%負荷選配，末端要比基本型要增加一倍數量，機房空調布置區域相應要增加一倍面積。因此，按100%負荷配置雙制冷系統需要付出更高的投資費用且獲得更少的數據中心設備裝機面積，這點(diǎn)是需要在設計時(shí)加以考慮的。

圖3－2  制冷機房管道系統圖（雙系統型）

另一種更常見(jiàn)的制冷機房管路設計是采用環(huán)狀封閉回路，如圖3－3所示，凍凍水管路設計為環(huán)狀，在各點(diǎn)上開(kāi)口為負荷提供冷凍水。從冷源開(kāi)始，回路中的液體可以向兩個(gè)方向流動(dòng)。環(huán)狀封閉回路應采用閥門(mén)分成若干獨立段。閥門(mén)的布置，應保證有一段干管可被切斷，以進(jìn)行維護或檢修。如切斷一側的末端負荷供水則由回路干管的另一側供水，即使某處發(fā)生故障，整個(gè)系統不受影響，仍然可以正常運行，提高系統的安全性。與冷凍水系統相似，相應的凍卻水管道也布置成環(huán)路。環(huán)狀系統的一個(gè)缺點(diǎn)是管路比較復雜，控制閥門(mén)較多。

圖3－3  制冷機房管道系統圖（環(huán)狀管路型）

對一些規模不大的數據中心機房，制冷機房采用單機單泵形式的接管方式可能在經(jīng)濟上比較合理，且能夠獲得滿(mǎn)意的可靠性及安全性，如圖3－4所示，為保證數據中心機房全年供冷，冷水機組、水泵、冷卻塔采用N+1原則布置，分集水器采用1+1原則布置。冷水機組、冷卻塔、冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵均一一對應設置，不設進(jìn)出水總管，每套系統的進(jìn)出水管均接至分集水器，系統設置必要的閥門(mén)以保證在管道維護、更換閥門(mén)及出現意外故障時(shí)可切換，確保無(wú)單點(diǎn)故障。該系統的一個(gè)缺點(diǎn)是對于冷機總數量超過(guò)4臺的制冷系統，系統管路數量較多，布置較為不易，因此更適合應用于中小規模的機房。

圖3－4  制冷機房管道系統圖（單機單泵型）

3.2 空調末端管路設計 

數據中心機房?jì)仍O備較少，管路設計較為簡(jiǎn)單，但根據制冷機房管道系統的不同，數據中心機房空調末端接管形式也有所不同。 

基本的機房?jì)裙苈废到y如圖3－5所示單立管系統，通常同一豎向的空調末端采用同一根立管相連接，如立管出現故障，則該豎向機房均不能制冷。

 圖3－5  空調末端單立管系統圖

為避免末端的單點(diǎn)故障，通常一個(gè)豎向機房組會(huì )采用雙立管系統，對于制冷機房采用環(huán)狀管路設計的系統中，雙立管系統也通過(guò)水平支管連接成環(huán)路，如圖3－6所示，環(huán)狀封閉回路應采用閥門(mén)分成若干獨立段。閥門(mén)的布置，應保證有一段干管可被切斷，以進(jìn)行維護或檢修。如切斷一側的末端負荷供水則由回路干管的另一側供水，即使某處發(fā)生故障，整個(gè)系統不受影響，仍然可以正常運行，提高系統的安全性。

圖3－6 空調末端雙立管系統圖（環(huán)狀管路）

如制冷機房采用雙系統設計，空調末端如采用環(huán)狀雙立管系統可能會(huì )造成問(wèn)題，由于兩套制冷系統是獨立的，在末端將兩套系統的管路連接可能會(huì )造成水力不平衡現象。為安全起見(jiàn)，在這種情況下，雙立管系統不互相連接，各立管所連接的空調末端采用間插式連接，間插式連接的目的是為了在一套制冷系統發(fā)生故障的情況下，機房還能有比較好的末端氣流組織。如圖3－7所示。

圖3－7 空調末端雙立管系統圖（間插連接）

4. 冷凍水空調系統節能設計  

4.1 高溫冷凍水設計 

通常冷凍水空調中采用機械壓縮冷水機組，其節能性主要體現在能效比EER（energy efficiency ratio）和部分負荷效率IPLV （Integrated Part Load Value）。同樣溫差情況下，提高壓縮機蒸發(fā)溫度可以提高壓縮機效率，按粗略估計，蒸發(fā)溫度每升高1℃， EER能提高2~3%。同樣，提高蒸發(fā)溫度對于利用自然冷源是有利的，對于同一個(gè)氣候區來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)溫度越高，每年可資利用的自然冷卻時(shí)間則越多，以北京地區為例，在一個(gè)標準年內，溫度在7℃（標準工況蒸發(fā)溫度）以下的時(shí)間是3025小時(shí)，溫度在10℃以下的時(shí)間是3562小時(shí)。

數據中心機房環(huán)境控制設備的傳統運行是保持機房空調的回風(fēng)工況。典型的回風(fēng)溫度20~24℃，導致了來(lái)自空調的送風(fēng)溫度在10~16℃之間。若熱通道/冷通道環(huán)境設計合理，則可采用較高的送風(fēng)溫度，由此可用較高的冷水溫度或蒸發(fā)溫度。最終能在滿(mǎn)足冷負荷的需要下以可能的最高溫度運行供冷系統，達到最大程度的節能效果。 

從另一個(gè)方面，數據中心機房露點(diǎn)控制是控制加濕和除濕的一種有效辦法。數據中心機房一般推薦的相對濕度范圍是40~60%之間，相對濕度過(guò)高有可能給數據中心設備帶來(lái)諸多問(wèn)題，包括導電陽(yáng)極故障、吸濕性粉塵故障和腐蝕等，極端情況下，水蒸汽在電子元器件或電介質(zhì)材料表面形成水膜，容易引起電子元器件之間出現形成通路。當相對濕度過(guò)低時(shí)，容易產(chǎn)生較高的靜電電壓。機房濕度的設計值對機房運行時(shí)加濕和除濕的能耗有很大的影響。大多數數據中心機房主要的濕源是室外空氣，目前新建的數據中心機房密閉性都較好，從外界空氣傳入的水蒸汽不多，機房除濕能耗相對不大，主要能耗體現在加濕過(guò)程中，降低機房設計濕度將減少加濕能耗，提高機房空調末端的顯熱比。在機房設定相比濕度較低的情況下，當冷凍水空調進(jìn)水溫度高于機房熱通道露點(diǎn)溫度（一般12℃以上），則在空調末端也許無(wú)需加濕，機房在干工況下運行，即提高衛生標準，又起到節能作用。因此，總的來(lái)說(shuō)，應放棄越冷越好的想法，冷水供水溫度和機房送風(fēng)溫度應盡可能提高，運行在可允許的較高的機房溫度和較低的相對濕度設定范圍內，不僅可以提高制冷效率，而且能降低加濕能耗，在大多數氣候條件下還能大大增加利用自然冷源的時(shí)間。

4.2 大溫差設計

根據某冷水機組樣機特性曲線(xiàn)顯示，蒸發(fā)器兩側冷水溫差對于冷水機組的效率影響很小，因此，從節能的角度考慮，加大冷凍水供回水溫差是有利的。較大的溫差可使流量減少，于是冷凍水泵的能耗降低，通常冷凍水空調供回水溫差是5℃，如溫差加大到6℃，冷凍水量將減少17%。但應該注意，對于具體設備，系統設計者應獲得產(chǎn)品的特性曲線(xiàn)，采用大溫差設計可能會(huì )潛在地降低冷水機組效率或加大冷水盤(pán)管規格。

而通過(guò)資料顯示，冷水機組效率隨冷卻水溫差的加大而降低。想通過(guò)增大冷卻水溫差以降低水泵能耗將明顯導致冷水機組的效率降低，因此，在考慮采用冷卻水大溫差設計前，需以年為基礎對冷卻水泵能耗和冷水機組能耗進(jìn)行詳細的分析。

4.3 自然冷源利用

冷凍水空調系統即使采用高效設備、系統設計優(yōu)秀，其全年運行能耗也是十分顯著(zhù)的。一般情況下，如果沒(méi)有利用自然冷源，數據中心機房PUE值很難低于1.7。要降低PUE，通常主要的途徑是利用自然冷源。根據氣候區的不同采用合理的免費制冷方案，數據中心機房制冷系統全年能耗通常能節約10~50%，甚至有時(shí)可能更高。 

通常利用自然冷源方式分為直接自然冷卻和間接自然冷卻兩種方式，直接自然冷卻意味著(zhù)直接利用室外的空氣來(lái)冷卻室內/設備，這類(lèi)自然冷卻通常應用在低熱負載的戶(hù)外數據中心機柜和在溫度濕度低要求的場(chǎng)所，與冷凍水空調系統聯(lián)系不大，不在此贅述。 

間接自然冷卻意味著(zhù)通過(guò)使用干冷器，冷卻塔或者通過(guò)冷水機組的自然冷卻盤(pán)管利用室外冷空氣把水冷卻到一定的程度，這樣冷水就能通過(guò)機房空調機組的冷凍水盤(pán)管進(jìn)行制冷。圖4－1表示通過(guò)干冷器、自然冷卻盤(pán)管進(jìn)行自然冷卻的原理圖

圖4－1 采用干冷器間接自然冷卻原理圖

間接自然冷卻與冷凍水空調系統結合可采用冷凍水加閉式冷卻塔的雙冷源系統?？照{系統制冷冷源選擇：由冷水機組（配開(kāi)式冷卻塔）和閉式冷卻塔（提供自然冷源）兩部分作為制冷冷源，根據室外氣溫的變化采取相應的組合運行方式來(lái)滿(mǎn)足制冷需求，空調末端采用高顯熱供冷的雙盤(pán)管機房空調機組。如圖4－2所示。

圖4－2 冷凍水加閉式冷卻塔的雙冷源系統

夏季運行模式為冷水機組（開(kāi)式冷卻塔運行）獨立運行，由冷水機組為空調末端提供冷凍水；冬季運行模式為閉式冷卻塔利用室外低溫自然冷源獨立為空調末端提供冷凍水；過(guò)渡季節，高壓離心式冷水機組和閉式冷卻塔同時(shí)運行，由于機房?jì)炔捎昧穗p盤(pán)管機組，過(guò)渡季節優(yōu)先采用閉式冷卻塔提供的冷凍水對空調末端進(jìn)行冷卻，當冷量不能滿(mǎn)足機房要求時(shí)再啟動(dòng)冷水機組供冷，從而減少壓縮機的運行時(shí)間，降低空調系統能耗。由于該空調系統冷源為雙冷源，空調末端為雙盤(pán)管系統，在冬季和過(guò)渡季節的使用不但不存在自然冷源和冷水機組供冷切換控制的風(fēng)險，管道系統還能互為備用，運行可靠，控制簡(jiǎn)單。與傳統的冷凍水空調系統相比，增加了閉式冷卻塔、室內單盤(pán)管機組改為雙盤(pán)管機組，雖然增加部分管路和設備投資，但運行節電。