高海拔地区集中水冷空调系统解决方案

2021-03-11杨宇文金健周利军董聪聪姜宇光米楠

中国设备工程 2021年3期

杨宇文，金健，周利军，董聪聪，姜宇光，米楠

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100000）

高海拔地区主要是指海拔高度高于1000 米的地区，我国幅员辽阔，具有大面积的高海拔区域，涵盖我国西北地区、北部地区以及西南地区。高海拔区域拥有较低的气压、空气密度和含湿量。本文将基于我国高海拔地区的特殊性，探究水冷空调系统的设计、原理及选型。

1 高海拔地区水冷空调系统使用的必要性

我国拥有宽广的地域面积，地势涉及山地、高原、丘陵、平原、盆地等，从图1 可以得知，我国地势总体上呈现出东边位置低、西部位置高的现象。现如今大数据技术、云计算技术、人工智能技术等均获得创新式发展，并且在信息基础设施建设环节，其重要性日渐凸显。传统形式下能耗高的风冷空调已经不再与当前社会生态发展理念和节能理念相吻合。以高海拔地区的气候类型特点作为依据，选择安装能耗低、效率高、安全性好的水冷空调系统具有十分重要的意义。

2 高海拔地区水冷空调系统可行性分析

数据中心服务器是标准化生产的产品，具有规定的风量和热量，所以在高海拔区域使用时，所面临的环境不同。因为空气密度下降的同时，确保具有稳定不变的制冷量，则应加大送回风的温差。

2.1 机房环境温度的确定

（1）A1 类：通常，数据中心严格控制环境参数（露点、温度和相对湿度)和关键操作；该类型产品通常是为企业的服务器和存储产品设计这种环境。

（2）A2 类：通常，信息技术空间或办公室或实验室环境一些控制环境参数(露点、温度和相对湿度）；该类型产品通常是为服务器，存储产品、个人计算机、工作站设计这种环境。

（3）A3/A4 类：通常，信息技术空间或办公室或实验室环境一些控制环境参数(露点、温度和相对湿度）；该类型产品通常是为服务器，存储产品、个人计算机、工作站设计这种环境（如表1）。

（4）按ASHRAE 标准，进风温度有推荐温度和允许温度两种定义，1℃/300m 的降温幅度明确是针对允许温度而言的，同时最大海拔为3050m。

按ASHRAE 标准，进风温度有推荐温度和允许温度两种定义，机柜进风温度随着海拔的升高逐步降低，降低幅度为1℃/300m，降温幅度明确是针对允许温度而言的；按平原区设计，空调送风温度为27℃，回风温度为35℃，送回风温差为8℃；拉萨海拔高度约3650m，温度降幅比平原高9℃，拉萨数据机房设计送风温度为18℃，回风温度为35℃（回风温度不宜大于37℃），温差为17℃，室内温度为25℃。国标《数据中心设计规范》标准表如表2。

表1 美国暖通空调工程师协会ASHRAE-TC-9.9 标准在文章中标注

表2 国标《数据中心设计规范》标准表

3 冷源设备的选择

3.1 空调冷源方案的选择

空调冷源方案为：10KV 高压离心式冷水机组（2500RT，3 台）+板式换热器+开式横流冷却塔的模式，设计冷冻水供回水温度为15/21℃，夏季冷却水供回水温度为25/30℃，冬季冷却水供回水温度为13.5/17.5℃。

根据调研，冷却塔冷幅值可以达到3.5℃；板式换热器内冷却水与冷冻水平均温差按1.5℃计，当冷冻水供回水温度为15/21℃时，室外湿球温度≤10℃时可以完全采用自然冷源，室外湿球温度≥16℃时，需完全采用电压缩制冷方式。

空调系统利用自然冷源运行模式：

模式1：室外湿球温度≤10℃，冷水机组不开启，全部由开式塔+板换供冷。

模式2：10℃＜室外湿球温度＜16℃，冷水机组与开式塔、板换联合工作供冷。

模式3：室外湿球气温≥16℃，冷水机组开启供冷。

以冷冻水供回水温度15/21℃测算，空调冷源三个阶段的运行小时数如表3。

通过设置开式冷却塔和板换在冬季和过渡季中充分利用自然冷源。

表3 空调冷源三个阶段的运行小时数表

3.2 高海拔区空调冷机、冷却塔的选型要求

（1）在高海拔区域，由于设备电气元件性能受海拔影响较大，在设备选型时，应采用具有高海拔性能的元器件。

（2）空调冷机：对于规模较大的数据中心（机架数不少于2000 个，单机架功耗不小于5Kw），建议采用10KV 高压冷机，其性能如下：在高海拔区，高压冷机的制冷效率要优于低压冷机；采用高压冷机可有效减少冷水机组在启动时对电网的冲击，减少线路损耗，同时，可以避免变压器的铁损和铜损，为用户有效节约运行费用。

（3）冷却塔：在高海拔区，风机对冷却塔的选型有较大影响，风机的电机功率应根据实际工况确定，避免过载；风机选型时，风量依设计要求，风压要依设计值再按密度比推算标况的压力值。