自然冷却技术在北疆某数据中心的应用

吴学渊，严 政

（广东省电信规划设计院有限公司，广东广州 510000）

1 工程概述

1.1 建筑概况

本工程为北疆某数据中心，建筑地上4 层，建筑高度22.8m，建筑面积11320m2。首层为高低压配电用房、空调换热机房、油机房等配套用房，2～4 层为数据机房及电力电池用房。

1.2 气候概况

该地区位于天山北麓，亚欧大陆腹地，属温带大陆性干旱气候；降水主要集中在春季，约占全年降水的40%；夏季热而不闷，且日照时间长；秋季干燥凉爽，且昼夜温差大；冬季严寒且漫长。

2 空调冷源

2.1 空调系统冷负荷

通过计算得到大楼空调冷负荷为7300kW，其中设备负荷为6600kW，建筑围护结构负荷为700kW，设备负荷约占总负荷的90%。

根据中国气候条件，长江以北广大地区，随着纬度增加，自然冷源利用时间越长；春季、秋季、冬季等可以部分甚至全部替代压缩机运行，利用自然冷源降温可以达到很好的节能效果。自然冷源可适用范围见图1，从图1 可以看出随着纬度增加，自然冷源利用时间越长。

图1 乌鲁木齐市全年各级干球温度频数

空调系统采用板式换热器将制冷主机侧和空调末端侧分开成两个系统。空调末端侧冷冻水采用12/18℃的高水温、制冷主机侧冷冻水采用11/16℃的高水温、大温差的冷冻水系统，在保证空调冷量的前提下减少空调主机、冷冻水泵的能耗，高水温也适应数据中心的负荷以显热为主的特点，减少空调系统不必要的除湿能耗，真正实现安全节能。

另外，我国新疆乌鲁木齐属于世界高纬度地区，冬季平均温度极低，且持续时间漫长，利用自然冷却实现的节能效果极好。图1 为乌鲁木齐市全年各级干球温度频数，乌鲁木齐市全年约有3800h 的时间在5℃以下，全年可利用的自然冷却时间长，采用自然冷却技术可以大大降低运行成本，降低系统的PUE 值。

风冷冷水机组冬季供冷的方式是利用主机侧自然冷却的技术，即风冷冷水机组自带自然换热系统。冷水机组模式：完全依靠压缩机制冷；混合运行模式：春、秋过渡季节，通过自然冷源盘管预冷，根据进水温度与室外环境温度之差决定压缩机运行时间；免费制冷模式：冬季运行期间，环境温度低于5℃时，整个制冷系统切换到自然冷源方式，压缩机将不再工作，达到节能目的。

工作原理：在过渡季节（室外干球温度小于等于20℃），主机采用部分自然冷却。在冬季（室外干球温度小于等于5℃），主机完全采用自然冷却，免费制冷。在其他季节，室外温度较高，风冷主机开启制冷压缩机正常制冷。

2.2 空调冷源选择

针对本工程，对中央空调水冷冷冻水系统和中央空调风冷冷冻水系统进行具体数值的对比，如表1 所示。

表1 两种方案对比

2.3 系统方案确定

考虑到大楼屋面及室外空地面积有限、当地全年过渡季节及冬季漫长、工程所在区域水资源缺乏且供水保障能力较差等因素，大楼采用中央空调风冷冷冻水系统。主机采用风冷冷冻水机组（带自然冷源），置于屋面。风冷主机在室外干球温度小于20℃时进行部分自然冷却，室外干球温度小于5℃时进行完全自然冷却，从而降低主机能耗。具体设备选型如表2 所示。

表2 空调主设备

3 节能技术措施

3.1 二级泵系统

为保证屋面冷冻水系统在冬季的安全运行，冷源侧采用体积浓度为52%的乙二醇溶液，能满足当地历史出现的极端温度（零下40℃）冷冻水不结冰。考虑到乙二醇属易燃易爆有毒危险化学品、遇明火易发生爆炸且乙二醇防冻液在使用中易生成酸性物质，对金属有腐蚀作用、换热效率低于清水，为保证冷冻水系统内乙二醇溶液流通范围做到最小本方案采用二级泵系统，冷源侧采用乙二醇水溶液，负荷侧采用清水，两者之间利用板式换热器进行换热，换热系统置于首层换热站。冷源侧供回水温度为10.5/16.5℃，负荷侧供回水温度为12/18℃，

3.2 冷冻水环路及蓄冷模式

空调管路系统采用两路冷冻水立管，各层采用冷冻水环路，可以实现空调设备及冷冻水管可互为备用，空调水路每个节点设置双阀，保证空调系统能够在线维护，安全可靠。

系统采用高效的空调蓄冷模式，设置2 个有效容积32m3闭式蓄冷水罐在线运行，保证15min 不间断供冷。保证系统运行安全。数据中心在初期运行时，机柜实际负荷很小，通过设置的蓄冷罐对系统冷量进行调节，可以避免冷水机组由于负荷低而频繁启动，降低对主机的伤害，甚至可以使冷水机组在低负荷时段内停止工作，利用蓄冷罐冷冻水的对末端空调设备进行供冷，提高系统运行效率。

4 结语

自然冷却技术在北方大型数据中心的应用越来越广泛，依托自然冷源的优势，实现免费供冷。如今，中央空调风冷冷冻水系统在西北地区数据中心的应用也较为广泛，所以其中各个节能技术的相互配合，以及在极端天气下的防护措施都尤为重要，通过本工程实践总结为今后自然冷却技术在大型数据中心中的应用提供设计参考。采用该项技术后，大楼空调系统节能率可提高13.5%，全年可节约电量约568 万kW·h，减少二氧化碳排放量约180 万kg。