全新的数据中心空调解决方案

文｜阿尔西制冷工程技术（北京）有限公司 朱洪波

随着整个社会信息化程度的不断提高，对于数据中心的需求也越来越大，在有限的空间内IT设备的密度和业务都不断增大，随之而来的是用电负荷的逐渐加大，热流密度的不断提高，这就要求我们不断探索新的空调解决方案。

作为数据中心空调的集中冷源，冷冻水系统与各自独立的直接膨胀式空调系统相比，制冷效率更高，设备更集中，运行更稳定，故障率和维护成本更低，国外众多大型数据中心普遍使用冷冻水空调系统。

由于数据中心热负荷较大，常年需要冷水机组运行，即便在室外温度很低的情况下也能照常工作。这样，当室外温度较低时，就可以利用冷空气冷却高温回水，不需要开启压缩机即可为空调室内机提供冷量，这种方法即为自然冷却方法。利用自然冷却效应开发的冷水机组即为自然冷却冷水机组，它与普通冷水机组最大的区别在于它在冷凝盘管之前安装了自然冷却热交换盘管，旨在优先利用环境冷空气冷却盘管内的回水。

阿尔西提出的数据中心自然冷却冷冻水系统，它通过冷冻水循环管路的精心设计以及控制逻辑的优化，实现与机房内部空调气流组织的完美匹配，并且可以根据室内热负荷以及室外环境的变化，对冷冻水流量进行灵活的调节，将自然冷却的效益发挥到最大，始终使机组保持高效运行。此套数据中心空调解决方案根据安装地区气候条件的不同，可以实现30%～70%的节能，使得运行费用大幅缩减，而为此增加的空调设备初投资，最多两年的时间就可以收回，而整个机组的使用寿命至少有10年。

1 普通冷水机组

冷水机组一般安装在建筑物的屋顶外部，它们专为室外安装设计，不需要增加任何针对恶劣天气的保护措施。

冷水机组按照不同冷凝方式可分为风冷和水冷两种，本案采用的是风冷冷水机组。它的工作原理是：携带室内热量的高温回水流入机组，进入壳管式蒸发器，被制冷剂盘管冷却，热量传递给制冷剂，由后者带到风冷冷凝器中，由风机驱动环境空气对其进行强制散热。按经验来说，一套空调设备的平均制冷量为设计值的85%，剩下部分作为冷量备份。

2 自然冷却冷水机组

为机房空调提供集中冷源的冷水机组需要常年运行，即便在室外温度很低的情况下也能照常工作。这样，当室外温度较低时，就可以利用冷空气冷却高温回水，不需要开启压缩机即可为空调室内机提供冷量，这种方法即为自然冷却方法。利用自然冷却效应开发的冷水机组即为自然冷却冷水机组，它与普通冷水机组最大的区别在于它在冷凝盘管之前安装了自然冷却热交换盘管，旨在最先利用环境冷空气冷却盘管内的回水；另一个区别在于内部水循环系统的设计上，自然冷却循环利用三通调节阀将循环水路与自然冷却热交换盘管连接起来，如图1所示。

其实，自然冷却冷水机组的工作原理并不复杂：当三通调节阀中旁通B完全关闭，A与C连通时，即自然冷却热交换盘管关闭，全部冷量由压缩机制冷提供；当室外温度低于回水温度时，A关闭，B与C连通，回水通过自然冷却热交换盘管预冷，然后再进入蒸发器，这样一来，压缩机只需部分工作就可以满足空调冷量的要求，从而节省了大部分能耗；而当室外温度足够低时，A关闭，B与C连通，通过自然冷却就可以完全满足空调冷量要求，压缩机停机，这时机组总能耗明显降低，只包含自然冷却系统的能耗，总之，室外温度越低，节能效果越明显。如果采用自然冷却冷水机组比普通冷水机组每年大约节能22%～31%，具体效果如何会因安装地区的气候条件而不同。

图1 自然冷却冷水机组工作原理图

3 全新的数据中心空调解决方案

采用自然冷却冷水机组作为集中冷源为机房空调提供冷量，已经取得了非常好的节能效果，是否还可以将能耗降到更低？虽然室外温度由气候环境而定，无法人为改变，但是冷冻水系统的回水温度可以进一步优化，从而实现进一步的节能。

冷冻水系统的回水温度越高，室外自然冷却功能开启的温度就越高，所以通过提高回水温度可以继续优化节能效果。具体实现方法是通过合理设计室内机的气流组织提高回风温度，而且可以通过优化室内机双向阀开度的控制逻辑，使冷水机组变流量运行，实现进一步的节能。

当实际热负荷小于设计值时，如果冷水机组以恒定流量运行，则回水温度会降低，而如果变流量运行，则回水温度会明显升高。比如，当以75%负荷运行时，恒定流量回水温度为12℃，而变流量回水温度为18℃。置换送风空调与其他空调最大的区别就在于，它的回水温度会随着负荷的降低而升高。在数据中心的运行负荷范围内，这种回水温度的温差大概在6℃～7℃之间。

只能定流量运行的普通自然冷却冷水机组的节能效果与新方案中的节能效果根本无法相比，因为它不具备变流量运行的功能，为了弥补这一缺陷，对冷冻水流量进行调节，在普通冷水机给水和回水之间加入旁通，这样流入室内空调机的流量可以根据室内热负荷而变化，而回水与部分给水混合后再进入冷水机，回水温度也相应降低，这样对于室内空调机组起到了节能效果，提高了回水温度，但另一方面旁通却会对冷量造成极大的浪费。

全新解决方案中的冷水机组，通过冷冻水循环管路的精心设计以及控制逻辑的优化，实现与室内机的完美匹配，将自然冷却的效益发挥到最大，将能耗降到最低，并且可以根据室内热负荷以及室外环境的变化进行灵活的调节，始终使机组保持高效运行。

新的冷水机组在给回水之间并没有加旁通，而是通过与室内机的双向调节阀相匹配，实现对冷冻水流量的控制，从而使节能效果最大化。以1MW的热负荷为例，与传统冷水机组相比，普通定流量自然冷却冷水机组根据当地气候差异可以节能20%～30%，而全新ICT机房空调解决方案可以实现50%～70%的节能，使得运行费用大幅缩减，而为此增加的费用，两年内就可以收回，而整个机组的使用寿命至少有10年。

综上所述，此套全新的数据中心空调解决方案，集合了集中冷源、变流量调节以及自然冷却等诸多先进技术，今后必将在大规模数据中心中广泛应用。