数据中心通风空调系统设计特点分析

2018-06-19范琛

建材与装饰 2018年25期

关键词：冷水机组冷却塔源热泵

范琛

引言

“互联网+”与“大数据×”背景下，互联网技术的应用越来越广泛，深度融入到国内经济、文化、社会等各个方面。政府的大力扶植、社会日益增长的需求，促进了信息技术更快的发展，同时对承载数据集成的数据中心的需求量越来越大。

空调系统是数据中心设备安全、稳定运行的基本保证。数据中心空调系统不同于一般舒适性空调系统，其主要目的是消除设备散热，保证机房稳定运行，且需全天24h制冷运行。本文将结合某数据中心项目简要介绍数据中心通风与空调设计的特点。

1 室内环境要求

数据机房的负荷大多来源于设备散热[1]，其负荷特点：显热负荷大、湿负荷很小。数据机房全年不间断运行，运行环境的温度、相对湿度、空气洁净度均需满足其安全性与使用要求，机房内的空调系统需具有很高的可靠性。

表1 室内设计参数

表2 室内通风换气次数

2 空调冷热源

2.1 空调冷源

该项目冷源采用水冷离心式冷水机组，单台制冷量为：2400USRT（8441kW），冷冻水供回水温度：17/23℃，冷却水供回水温度：30/36℃，冷水机组采用10kV供电。制冷系统按5+1的备用方式设置[2]，冷冻水系统设计为一次泵变流量系统，板式换热器与冷水机组一一对应，管路设计为环路设计，保证系统可在线维护，提高可靠性。

为满足IT机房全年运行要求，系统需满足连续供冷。一次泵、精密空调机组采用UPS（不间断电源）供电，蓄冷罐容积保证系统满负荷连续运行15min，该项目蓄冷罐所需有效容积为1200m3，采用开式蓄冷罐，室外放置。市政供电时，蓄冷罐处于蓄冷状态，充满17℃的冷冻水。市政断电时，转由备用柴油发电机供电，一次泵，机房精密空调连续运转，在冷水机组恢复正常运转之前，蓄冷罐处于放冷状态，提供系统冷冻水，保证水系统的连续供冷。

图1 冷冻水系统原理图

该项目冷却水系统按5+1的备用方式设置，冷却水系统采用每台冷水机组独立环路，冷水机组与冷却水泵、冷却塔均一一对应，冷却塔风机采用变频设置，冷却塔按极端湿球温度和冬季自然冷却湿球温度选取，冷却塔置于屋顶屋面。

图2 冷却水系统原理图

该项目地下室设有冷却水补水池，采用市政两路进水。冷却水补水池容积为2500m3，当市政给水出现故障时，冷却水补水池保证系统满负荷连续运转24h。冷冻水系统的补水定压采用两个定压罐互为备用的方式，定压罐采用市政两路补水。

考虑到该项目位于寒冷地区，冷却塔接水盘内设电加热棒，室外管道设有电伴热，防止冬季结冻。

2.2 空调热源

本项目不单独设热源，辅助区的房间设水源热泵机组（吊顶式），冬季供热，水源由17℃冷冻水供给。

新风机组设有水源热泵模块，采用17℃的冷冻水预热，采用水源模块再热，满足室内要求后送入室内，电加热作为水源热泵模块的备用。

补风加热采用17℃的冷冻水加热至5℃送到室内。

3 空调风系统

3.1 服务器机房（主机房）

主机房内所有IT机柜采用面对面、背对背的冷热通道形式[3]，机房空调机组与机柜行列成垂直摆布。机房空调采用下送上回的送风方式：机房空调机组将处理好的冷空气送入活动地板静压箱空间，通过地面开放式格栅地板吹向计算机设备，室内热风上升，由封闭的热通道和吊顶静压箱进行回风。

图3 机房气流组织剖面图

服务器机房采用精密空调机组，每个机房模块设置8台精密空调，单侧布置，按7+1模式冗余配置。每个机组配有单冷盘管，下出风EC风机，变风量，微电子控制器，空气过滤器（0.5μm颗粒）等。

机房精密空调机组的显热：170kW，冷冻水供回水温度：17/23℃。IT设备进风温度：23℃；热通道回风温度：35℃。

空调通道设有机房专用湿膜加湿器，满足冬季与过渡季节时的加湿要求，以保证室内空气湿度。

3.2 UPS室及变配电站

UPS室及变配电站采用精密空调机组，按N+1的备用方式配置。风机采用顶送风，空调风管贴顶部送至各变配电柜间隙，空调回风采用走道隔墙上侧下回风。

3.3 电池室

设置水源热泵盘管，按N+1的备用方式配置，置于空调间内，接送风管进入电池室，回风采用墙上开百叶，满足房间温度要求。

电池室设有事故、平常排风，电池室补风由相邻UPS间渗漏。

每个电池室将安装氢气泄露检测系统，与排风机联锁。

3.4 钢瓶间

钢瓶间设有排风系统，当室内消防气体浓度超过安全值时启动排风系统，排风系统换气次数按3次/h[4]设计。

3.5 新风系统

新风量按以下原则确定：①满足人员最小新风量需求：40m3/人·h。②保证机房内正压要求：5～10Pa。③夏季新风处理至等室内露点温度，以控制室内湿度。

送入新风，使IT和电气机房形成正压，阻止外界灰尘与微粒的渗入，同时控制室内湿度，防止静电产生、避免凝结水聚集，保证机房精密空调100%显冷冷却。该项目机房新风量按1次/h设计。

夏季，新风经冷水盘管和水源热泵处理至等室内露点温度，送入室内。冬季，新风经预热盘管加热至5℃，再经水源热泵加热至高于室内露点温度后送入室内吊顶，与机房空调机组回风混合，经处理再送入室内，湿度由机房专用湿膜加湿器控制。

送入各房间的新风系统末端采用VAV，采用机房内与走道压差控制，调节送风量，满足机房5～10Pa正压的要求。

4 空调水系统

冷冻水经由地下室内环路管道送出，竖向由2组双立管分别送至各楼层，每组冷冻水为环路，接至各个空调末端，包括：机房精密空调，新风机组，水源热泵。

机房精密空调设有单冷盘管，接17/23℃冷冻水，承担IT机房显热负荷。

新风机组设有单冷盘管，水源热泵模块。冷冻水接至机组单冷盘管和水源热泵冷却盘管。

辅助间设水源热泵机组，接17/23℃冷冻水作为水源，夏季制冷，冬季供热，能量回收。

5 自然冷源

采用水侧自然冷却系统[5]，由冷却塔、板式换热器、冷却水泵及所需配件组成，每台冷水机组配有一台板式换热器，冷却塔、板式换热器、冷水机组一一对应。根据室外季节变化，冷却水温度会不断变化，冷冻水制备分为三种模式：即电制冷模式、部分自然冷却模式、完全自然冷却模式，三种工况切换由自控系统实现。自然冷却设计可以充分利用室外天然冷源，以节省冷水机组运行费用。当室外湿球温度降低，冷却塔提供的冷却水供水温度低于22℃时，系统进入部分自然冷却状态，冷却水经板式换热器冷却冷冻水回水，冷冻水回水经板式换热器部分冷却后进入冷水机组蒸发器，提供17℃的冷冻水。当室外湿球温度足够低，冷却塔可以提供低于15℃的冷却水时，系统进入完全自然冷却状态，冷冻水经板式换热器与冷却水进行水水交换，直接提供17℃的冷冻水，冷水机组关闭。基于该项目的当地气象参数统计[6]，一年50%的时间为完全自然冷却，18%的时间为部分自然冷却。