某典型水冷空调数据中心模型应用多种新型空调末端系统的水力计算与分析

2022-02-21姜宇光李金峰

通信电源技术 2022年22期

姜宇光，李印，李金峰

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

0 引言

近年来，随着各个行业信息化发展的不断深入和信息量的爆炸式增长，数据中心建设呈现快速增长趋势。此外，随着移动互联网、云计算、大数据时代的来临，运营商之间、运营商和互联网公司之间数据业务的竞争也日益加剧。

随着数据业务的不断攀升，数据中心的功率密度也快速升高，高能耗问题越来越突出。有研究表明，一般商业建筑能耗为50～110 W/m2，而数据中心的能耗可达到1 000 W/m2甚至更高，如何降低数据中心能耗成为行业内亟需解决的问题。目前大型数据中心空调系统能耗约占数据中心总能耗的40%，具有很大的节能潜力[1]。近年来，行业内逐步推广应用列间空调、热管背板空调和水冷冷门空调等新型末端形式，但在数据中心空调系统管路初期运行过程中发现末端压差偏小的现象，存在末端水力不平衡而导致末端供冷量不足的问题。针对该问题，通过搭建机房模型对同一机房同类空调末端最有利和最不利回路及不同机房的不同类空调末端回路分别进行水力计算与分析，找出水利不平衡问题的原因，并提出解决方案。

1 新型空调末端形式

1.1 列间空调

列间空调为机架列中间插放布置的1种空调形式，空调前部出风，水平吹向两侧机柜，经过机柜前门并对设备制冷后，通过机柜后门再回风到空调后部。列间空调送风距离短，风机功率小[2]。采用封闭冷通道措施，优化气流组织，减少混风损失，空调电源使用效率（Powr Usage Effectiveness，PUE）因子可以达到0.042。空调紧靠机柜，可采用较高的送风温度，相应地可提高空调供水温度，减少系统的除湿能耗。

列间空调机房内冷冻水管路采用水平环状管网，环状封闭回路设置必要的阀门，以保证在管道故障、维护时可切换。列间空调数量按照N+1（N≤5）进行选配，日常运行时通信机房内的列间空调均开启，每台空调风机转速调低，当1台空调发生故障时，其他空调风机转速加大，提高冷量输出，满足机房环境要求。

1.2 热管背板空调

热管背板空调通过背板的风机，借助工质相变直接吸收机架中IT设备发出的热量，实现冷量按需分配，避免局部热点，提高制冷效率，空调PUE因子可以达到0.037[3]。每个背板的最大制冷能力为额定制冷能力的1.3倍，当1个背板故障时，邻近背板将增大循环风量，补充冷量。

机房外墙走廊顶部设置冷液分配单元（Cooling Distribution Unit，CDU），通过走廊的冷冻水供回水管路换热带走机房内冷媒工质的热量。机房内空调末端管路为制冷剂循环，因此具有水不进入机房的优点。

1.3 水冷冷门空调

水冷冷门制冷系统末端与通信机柜紧密结合，安装在机柜前门或后门。安装在前门时，冷风水平送入机柜，在机柜内部形成冷环境，机柜外部是热环境；安装在后门时，直接对机柜排风进行冷却，机柜外部形成冷环境，冷源贴近热源，冷热温差大，制冷效率高。末端随机柜数量配置，不单独占用机房空间，能够提高机房空间利用率[4]。机房地板下需设置冷冻水管，水管连接至每个冷门末端内铜管铝翅片换热器，因此水需要进入机房及机柜门板，通过泄水槽可以解决水泄露的问题。

2 水冷空调末端系统建模及水力计算

2.1 水冷空调数据中心模型

为了便于研究和计算各种新型末端在管网系统中的水力工况，选取某典型水冷空调数据中心搭建一个空调末端系统模型，模型中除了包含3种新型空调末端机房外，还包括1个传统水冷精密空调机房，模型平面及空调管路系统如图1所示。

图1 空调末端计算模型平面

图1包含机房平面相邻的4个机房，列间空调、精密空调、水冷冷门以及热管背板各选取其中1个机房，所有末端水管均接至走廊内冷冻水主干管，管路上每1段主管或支管路上均设置手动蝶阀或截止阀，每个精密空调末端以及列间空调和水冷冷门每2列机架水管入口各设置1个Y型过滤器。为了简化水力计算方法，所有的空调环状管网均简化为单路管网。每个模型机房工艺负荷及空调选型配置如表1所示。

表1 机房工艺负荷及空调选型配置

2.2 管道及设备水阻力计算方法

管路回路的总阻力ΔP主要由沿程阻力ΔPM和局部阻力ΔPi组成，计算公式为

式中：ΔP为管路的总阻力，Pa；ΔPM为沿程阻力，Pa；ΔPi为局部阻力，Pa；λ为摩擦系数；p为管道内流体密度，kg/m3；v为管道内流体流速，m/s；d为管道内直径，m；l为管道长度，m；ξ为局部阻力系数[5]。

计算时先通过经济比摩阻控制方法选择每段管路的管径，管道内流体的流速、密度、管内径以及管长根据管路承担的制冷负荷计算。本次研究主要计算同一种空调末端机房最里面的设备和最外面的设备之间的水力平衡关系、不同空调末端之间的水力平衡关系，因此计算时选取了水冷冷门空调末端2台设备和列间空调2台设备的水管回路，又各选取了最远端的1台CDU和1台精密空调水管回路作为研究对象。为了便于统计不同管路的阻力损失，给每一段管道均编上编号，通过管道阻力计算的结果就可以了解各个水管环路的总阻力损失和相互间的不平衡率。

3 计算结果及分析

根据以上方法可以得到各管端和末端的水力计算结果，从而计算出各末端回路的总阻力，如表2所示。

表2 各空调末端管道回路阻力

根据以上数据计算出不同末端环路之间不平衡率，如表3所示。

表3 各末端之间不平衡率

当不同的空调末端连接到同一个管路系统中时，由于各种空调末端阻力特性不同，相互之间的水力不平衡率基本会达到20%～46%，尤其是和热管CDU之间不平衡率较高，主要是热管CDU水阻明显小于其他空调末端水阻。在实际系统运行中若存在较大的不平衡率，将会导致水流量不能按照设计的要求分配到各个末端，水阻较小的末端会有过大的流量流过，而相对较大水阻的末端流量较小，一些机房就会出现制冷量不够的现象。针对这种问题，若在同一个数据中心同时存在多种空调末端形式时，低阻力末端管路则需进行阀门节流，使各水路阻力一致，实现水力平衡。该方案在哈尔滨某数据中心调试中得到了验证，基本实现了大系统的水力平衡。

除此之外，同一个机房相同空调末端之间的阻力不平衡率较低，基本满足水量平均分配的设计要求，只要空调末端形式相近，基本不会出现阻力不平衡的问题。基于此，在机房空调末端规划初期，尽量做到1个垂直或水平管路系统的机房采用同一种空调末端，既解决了平衡问题，又减少了增加阀门调节所带来的额外能耗。