某既有通讯大楼数据机房空调系统扩容改造方案探讨

2021-06-11覃振东胡成辉刘日明

广西城镇建设 2021年5期

□ 覃振东胡成辉刘日明

随着人工智能、云计算、5G网络等技术的发展，数据中心的体量迅速增加，自2013年以来，我国数据中心的总体规模和数量快速增长，截至2017年底，我国数据中心机架总体规模达到166万架，中国规模以上的数据中心保有量约为5.9万个，总面积超过1800万m2[1～2]。同时，由于业务的发展需求以及在绿色、节能的趋势下，既有的数据中心的扩容改造也呈现迅猛上升的趋势[3]，如东北某数据中心的蒸发冷却空调系统的节能改造[4]、上海证券交易所内数据中心对设备和控制策略进行了更新和改造[5]等，改造后数据中心空调系统的整体效率都得到显著提升。对数据中心的空调系统进行改造，重点关注如何合理利用原有设备、降低投资、节约运行费用等问题。以南宁市某既有通讯大楼数据机房的空调系统扩容改造方案为例进行概述，为数据机房的空调系统扩容改造提供一种参考及借鉴做法。

1 工程概况

该工程位于南宁，地下1层，地上裙房2层，主楼16层，功能为办公楼。其中，改造前2楼为退网机房，3、6、8楼部分为数据机房，其余部分为办公室。现需将该栋楼全部改造为数据机房。根据目前安装的空调数量及后期扩容安装的空调数量，数据机房空调的冷量需求如表1所示。该大楼的原数据机房为风冷型直接膨胀式机房精密空调，若需扩大容量，则面临的主要问题是室外机安装位置的问题。目前高楼层无安装室外机的空间，低楼层的空调室外机可安装空间不足。除上述的主要问题外，原空调系统还存在室外机气流易短路、能效低且噪音扰民问题。其中，2楼、3楼和8楼的空调均为预估，尚未安装，6楼有6台100kW制冷量空调也尚未安装，14楼的空调需求暂不考虑。

表1 通讯大楼冷量需求

2 空调系统扩容改造方案

根据空调系统的扩容要求及现有条件，提出三种空调扩容改造方案：（1）水冷系统建设方案（开式冷却塔）；（2）水冷系统建设方案（开+闭式冷却塔）；（3）集中式冷凝器建设方案。

2.1 水冷系统建设方案（开式冷却塔）

方案一是在16楼楼顶和2楼裙房屋面各设置一套开式冷却水系统，分别负担9、10、12、13楼（高区）和2、3、4、5、6、7、8楼（低区）的空调系统。2楼裙房屋面设置一套冷却塔系统的主要原因是16楼屋面的空间有限，无法放置负担低区空调系统的冷却塔。由于低区冷却塔的位置不在冷却水系统的最高点，因此需增加板式换热器，从而避免因冷却塔安装位置较低而导致冷却水从塔体溢出的不利情况。方案一的原理图如图1、图2所示，主要设备如表2所示，冷却塔考虑N+1备份设计。

该方案采用冷却塔提供冷却水，各个数据机房采用水冷型直接膨胀式机房精密空调。水冷型直接膨胀式机房精密空调采用板式换热器作为室外机，可设置在室内，不存在风冷冷凝器的噪声及散热问题。且将空调系统从风冷改为水冷，提高了空调的能效。该方案有效地解决了上述提到的室外机安装空间不足、能效低、噪声扰民等问题。

图1 方案一高区开式冷却水系统原理图

图2 方案一低区开式冷却水系统原理图

表2 方案一主要设备表

2.2 水冷系统建设方案（开+闭式冷却塔）

方案二是在16楼楼顶设置一套开式冷却水系统，在2楼裙房屋面设置一套闭式冷却水系统，分别负担高低区的空调系统。方案二与方案一的区别在于方案二的低区冷却塔采用闭式冷却塔，无须采用板式换热器。方案二的高区原理图与方案一相同，低区原理图如图3所示，主要设备表如表3所示。

表3 方案二主要设备表

该方案采用闭式冷却塔冷却水系统为闭式循环，具有水质条件好、维护工作量小、系统较简单的优点。与方案一相比，闭式冷却塔可节省板式换热器的投资费用，减少室内的安装空间，但闭式冷却塔尺寸大1倍、重量大3倍、冷却塔风机耗电量大7倍，对结构加固带来很大的困难，运行能耗也很高且在总投资方面与方案一差别不大。

2.3 集中式冷凝器建设方案

方案三为在2楼裙楼、15楼外露台和16楼楼顶建设集中式冷凝器，并结合氟泵，与原风冷精密空调配合，供全楼使用。方案三的主要设备如表4所示。

表4 方案三主要设备表

图3 方案二低区闭式冷却水系统原理图

表5 改造方案对比

集中式冷凝器相较于传统风冷型空调冷凝器，具有占地面积小、集中安装、模块化设计等优点。集中式冷凝器结合氟泵系统的应用，解决了机房空调负落差的问题，由于管路中氟泵设备的辅助增压性能，可降低压缩机的工作负荷，因此可延长机房精密空调器件的使用寿命。且由于氟泵体积小，可集成在集中式冷凝器室外机底部安装，因此通讯大楼空调室外机改造继续使用一对一的风冷型室外机，既能继续使用原来风冷型精密空调的工况，也能使得每台空调机为独立系统，减少系统风险。但氟利昂系统管路长度对制冷量的衰减比较严重，并且风冷散热的效率远低于水冷散热的效率。

3 方案对比

通过在初投资、技术难度、运行维护和能效比方面，对三种改造方案进行了对比，如表5所示。

从表5中可以看出，方案三在初投资、运行维护、施工难度、建设周期等方面都较优，但单位制冷量的投资高，且由于冷量衰减大，能效比低，不符合绿色节能的趋势，因此不作为主推方案。而方案一和二初投资虽然较多，但单位制冷量的投资少，且能效比高，其中方案一比方案二应用更为广泛，对结构承重要求较低。综上所述，方案一是较为合适的方案。