内蒙古某金融数据中心空调系统设计

朱 傲 宋海峰 郭志成 高 景 刘 彬

(1.华信咨询设计研究院有限公司,杭州;2.中国银行股份有限公司,北京)

0 引言

近年来,随着我国数字化经济的高速发展,金融数据中心作为其信息体系的重要载体也得到快速发展,单机柜功耗和整体建设规模均大幅增加。对于金融数据中心而言,保障其业务系统的连续运行至关重要,这对数据中心的基础设施安全要求更加严苛。此外,我国自2020年首次提出“双碳”政策以来,各行业先后出台了节能减排指导性文件。2022年1月,中国人民银行印发的《金融科技发展规划(2022—2025年)》中指出,要“建设绿色高可用数据中心”[1]。由此可见,建设安全、绿色、低碳的数据中心,已经成为金融行业发展的必然趋势。

美国Uptime Institute(全球公认的数据中心标准组织和第三方认证机构)发布的《Data center site infrastructure tier standard： topology》和《Data center site infrastructure tier standard： operational sustainability》中根据数据中心基础设施可用性、可靠性及运维管理服务能力把数据中心分为TierⅠ、TierⅡ、TierⅢ、TierⅣ 4个级别,这也是目前国际认可度比较高的分级标准。目前国内金融数据中心大多以GB 50174—2017《数据中心设计规范》中的A级数据中心标准为设计依据,也有部分项目为了保障其基础设施的可靠性和安全性,按Tier Ⅳ标准设计建造。Tier Ⅳ作为Tier等级中的最高等级,要求设备和线路均按可容错原则配置。对于空调系统而言,系统冷源和空调末端均为2N(N为系统正常运行的基本需求配置,2N为2套系统)架构,且2个系统的线路需错开布置,满足物理隔离要求[2]。

数据中心需要全年供冷,且冷负荷相对稳定,降低空调系统能耗是提高数据中心能效、降低PUE(电能利用效率)的关键,充分利用自然冷源是降低空调系统能耗的重要举措[3]。目前,风冷冷水系统(自然冷却型)广泛应用于中大型数据中心,该系统冬季利用空气冷却盘管实现自然冷却,其技术成熟,耗水量低,主要应用于我国严寒、寒冷及水资源匮乏的地区。近年来,空气侧间接蒸发冷却技术也逐步应用于中大型数据中心,该技术利用室外干湿球温度差实现自然冷却,节能效果明显,主要应用于具有较低湿球温度和较大干湿球温度差的干燥地区[4-5]。本文以内蒙古某金融数据中心空调系统为例,介绍了间接蒸发冷却空调系统和风冷冷水系统的组合应用,通过设计2N架构的空调系统,为数据中心高效运行提供有效保障,供金融数据中心的空调系统设计参考。

1 工程概述

该项目为内蒙古某金融数据中心工程,位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔新区云谷片区(见图1)。整个项目建设分为3期,1期包括7栋办公楼、4栋数据中心、2栋动力中心、1栋辅助用房,1期总建筑面积为133 760 m2,其中B1数据中心建筑面积为14 885 m2。地上3层,建筑高度20.10 m。1层为水泵房、配电室、电池室、外网核心机房及辅助用房;2、3层主要为数据机房、配电室和电池室。B1数据中心远期共规划部署1 142个IT机柜,单机柜功耗以8 kW/机柜为主,满载容量为6 646 kW,参照Tier Ⅳ等级进行规划建设。

图1 园区鸟瞰图

2 空调系统设计

2.1 室内外设计参数

2.1.1室外设计参数

和林格尔县属于中温带半干旱大陆性季风气候,其主要特征是干旱、多风、寒冷、昼夜温差大。年平均气温为6.2 ℃,年降水量为392 mm。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》提供的气象参数,呼和浩特市全年干球温度时长分布如图2所示,全年湿球温度时长分布如图3所示,室外设计计算参数见表1。根据《2021 ASHRAE handbook： fundamentals (SI edition)》统计的气象资料,呼和浩特市20 a内夏季极端干球温度为37.2 ℃,极端湿球温度为24.6 ℃。

图2 全年干球温度时长分布

图3 全年湿球温度时长分布

表1 室外设计参数

2.1.2室内设计参数

室内设计参数见表2。GB 50174—2017《数据中心设计规范》中要求冷通道和机柜进风区域的温度为18.0～27.0 ℃,露点温度宜为5.5～15.0 ℃,同时相对湿度不宜大于60%。相对于传统的数据机房,采用间接蒸发冷却空调机组制冷时,为了进一步延长自然冷却时间,机房送风温度有所提升。

表2 室内设计参数

2.2 空调负荷及冷源配置

2.2.1冷负荷计算

根据工艺规划,B1数据中心数据机房终期可安装数据设备机柜功耗为6 736 kW(含运营商接入室内的IT设备功耗),变配电室及电池室发热量为836 kW,数据中心夏季最大冷负荷为8 029 kW(含建筑负荷),计算结果见表3。考虑1.10的冷量冗余系数,风冷冷水系统配置总冷量为8 832 kW。

2.2.2冷源设计

表3 B1数据中心冷负荷计算

根据呼和浩特的气候特点,结合该数据中心的设计冷负荷,该项目数据机房采用风冷冷水系统+间接蒸发冷却空调机组,组成2套独立冷源,风冷冷水系统空调末端采用冷水型下送风房间级机房专用空调机组,间接蒸发冷却空调机组作为数据机房的主用冷源。

配电室和电池室采用风冷冷水系统+单元式风冷变频机房专用空调,组成2套独立冷源,风冷冷水系统空调末端采用冷水型上送风房间级机房专用空调机组,风冷冷水系统作为配电室和电池室的主用冷源。空调冷源按2N架构设计,满足Tier Ⅳ等级标准。空调冷源主要配置见表4。

表4 B1数据中心冷源配置

2.2.2.1风冷冷水系统

集中式风冷冷水系统共配置了7台单台制冷量为1 500 kW的自然冷却型风冷螺杆式冷水机组,六用一备,安装于屋顶架构层。此外,系统还配置了7台变频冷水泵、2台自动定压补水排气装置、2台微晶旁流水处理器、2台全自动软化水装置、3台闭式蓄冷罐等,分别安装于1层水泵房和1层蓄冷罐房,主要设备参数见表5。

表5 风冷冷水系统主要设备参数

系统冷水供/回水温度为15 ℃/21 ℃,采用一级泵变流量环网系统,各机房管路设计考虑互用互通,提高安全性,同时在每个分支点两端设置隔离阀,保证单点维护时不影响整体系统的运行,风冷冷水系统流程图见图4。

蓄冷罐储水容量按保障空调持续运行15 min设计,以解决市电中断、柴油发电机启动至冷水机组恢复运行这段时间的空调系统供冷,保证空调系统与通信设备不间断运行。系统补水采用独立水源+补水池的方式,按12 h的系统补水量配置补水池。

数据机房室内空调末端采用冷水型下送风房间级机房专用空调机组,按单个机房总冷负荷配置,不设冗余。配电室、电池室采用冷水型上送风房间级机房专用空调机组,按N+X(X为备用的空调数量)冗余布置(当N≤5时,X=1;当N>5时,X=2)。

2.2.2.2间接蒸发冷却空调机组

间接蒸发冷却空调机组是可作为独立冷源的空气处理机组,利用空气-空气换热器将数据中心内机柜产生的热量转移至室外,实现机房内外空气的非接触换热[6]。机组主要由空气-空气换热器、喷淋组件、风机组件、机械补冷组件及控制系统组成,结构示意图见图5。

图4 风冷冷水系统流程图

图5 间接蒸发冷却空调机组结构示意图

根据室外气象工况,机组共有3种运行模式,分别为干工况模式、湿工况模式、混合工况模式。

1) 干工况模式。

喷淋组件和机械补冷组件不运行,室内空气与室外空气在空气-空气换热器处进行显热交换,用低干球温度的室外空气直接冷却机房内空气。被冷却的数据机房室内空气由风道直接送入机房。

2) 湿工况模式。

喷淋组件运行,机械补冷组件不运行,室外空气利用喷淋水实现等焓降温,机组将室外空气处理至接近湿球温度后,与室内空气进行显热交换。

3) 混合工况模式。

喷淋组件正常运行,室外空气经过等焓降温后与室内空气进行换热,室内侧送风温度仍无法满足设计要求,此时机械补冷组件运行,对室内侧送风温度进行降温除湿,保证数据中心送风温度满足服务器设计要求。

运行模式的气象工况切换点取决于室内送回风温度和空气-空气换热器的换热效率,机械补冷量Q2由机组制冷量Q和夏季设计工况下的间接蒸发制冷量Q1决定。计算公式见式(1)～(4)[7]。

(1)

(2)

(3)

Q2=Q-Q1

(4)

式(1)～(4)中tos为室外空气干球温度,℃;tir为室内空调回风温度,℃,取36 ℃;tis为室内空调送风温度,℃,取24 ℃;ηd为干工况下空气-空气换热器的换热效率,一般不大于0.6;t′os为室外空气湿球温度,℃;ηw为湿工况下空气-空气换热器的换热效率,一般不大于0.7;cp为空气的比定压热容,kJ/(kg·K),取1.01 kJ/(kg·K);qv为室内风机送风量,m3/h;ρ为空气密度,kg/m3,取1.18 kg/m3;t′is为极端湿球温度工况下间接蒸发段的送风温度,℃。

由上述计算可得,tos≤16 ℃,t′os≤19 ℃。当极端湿球温度为24.6 ℃时,t′is=28.02 ℃,Q1=126.8 kW,Q2=73.2 kW。即室外干球温度≤16 ℃时,机组以干工况模式运行;室外干球温度>16 ℃,湿球温度≤19 ℃时,机组以湿工况模式运行;室外湿球温度>19 ℃时,机组以混合工况模式运行,极端湿球工况下,机组所需机械补冷量为73.2 kW。

该项目数据机房共配置48台间接蒸发冷却空调机组,单个数据机房配置6台机组,五用一备,机组性能参数见表6。间接蒸发冷却空调机组均采用变频压缩机补冷,配置补冷容量为机组制冷量的50%。间接蒸发冷却机空调组的室内外风机、水泵、压缩机均采用UPS保障供电,保障时间为15 min,满足GB 50174—2017《数据中心设计规范》A级要求。单个机房空调设备布置平面图见图6,间接蒸发冷却空调机组与冷水型下送风房间级机房专用空调机组分设2个空调区,实现物理隔离。

表6 间接蒸发冷却空调机组性能参数

注：AHU为间接蒸发冷却空调机组;ACU为冷水型下送风房间级机房专用空调机组。图6 主机房空调布置平面图

2.3 系统运行模式与节能分析

2.3.1各系统运行模式与时长分布

该项目风冷冷水空调系统和间接蒸发冷却空调机组运行模式及各模式时长占比分别如表7、8所示。采用风冷冷水系统时,完全自然冷却时长占全年时长的45%;而采用间接蒸发冷却空调机组运行时,“干工况”运行模式占全年时长的69%,节能效果显著。正常运行时,IT机房全年采用间接蒸发冷却空调机组制冷,配电用房全年采用风冷冷水系统制冷。当IT机房间接蒸发冷却空调机组故障数量超过其冗余数量时,IT机房切换至风冷冷水系统制冷。

表8 间接蒸发冷却空调机组运行模式及时长占比

2.3.2PUE和WUE测算

根据《内蒙古自治区“十四五”节能规划》的要求,新建数据中心须达到绿色数据中心建设标准,PUE值不超过1.3[8]。该项目主机房采用间接蒸发冷却空调机组制冷时,全年年均PUE计算值见表9,计算得出年均PUE为1.18(<1.30),优于内蒙古政策要求。年均WUE计算值见表10,年均WUE为0.49 L/(kW·h)(<2.00 L/(kW·h))。相较于采用水冷冷水系统,间接蒸发冷却空调机组和风冷冷水系统的节水优势也十分明显。

表9 年均PUE计算

表10 年均WUE计算

3 空调风系统

3.1 气流组织

该项目主机房采用弥漫送风+封闭热通道的气流组织形式,相对于传统地板下送风+封闭冷通道的气流组织形式,封闭热通道能有效提高空调回风温度,进而提高送风温度,延长自然冷却时间。除此之外,除了封闭热通道及吊顶内,室内能维持一个相对适宜的温度环境,提高运维人员热舒适性。目前,封闭热通道在全国各地应用相对广泛,尤其是在采用间接蒸发冷却空调机组制冷的主机房中,其节能优势已在诸多建设项目中得到验证[9-10]。

机房气流组织如图7所示,间接蒸发冷却空调机组布置于外侧空调区,利用外墙百叶进风,通过风管连接至屋面排风井排风,实现进排风隔离,防止气流短路。空调区与主机房之间设置送风通道,冷水型机房专用空调布置于内侧空调区。左侧空调区隔墙和右侧送风通道隔墙上设置送风格栅,主机房内机柜采用背对背布置,通过设置封闭热通道与顶部回风吊顶相通。间接蒸发冷却空调机组(或冷水型机房专用空调)将低温空气送至送风通道内,送风通道整体连通,形成类似静压箱的均压效果。低温空气经送风格栅后进入主机房内,进入机柜内带走服务器热量后经回风吊顶返回至间接蒸发冷却空调机组(或冷水型机房专用空调)中,如此循环。

3.2 模拟仿真

图7 机房气流组织示意图

为了验证气流组织的合理性,对3层2号主机房进行气流仿真模拟,对比机房在2种工况下的气流分布情况。机房设备配置见表11。机房层高为6.30 m,吊顶高为3.65 m,送风格栅有效系数均为0.8,空调制冷量根据送风温度控制,平均送风温度为24 ℃。风机转速根据送回风温差控制,送回风温差为12 ℃。

表11 机房设备配置

工况1：夏季设计工况下,间接蒸发冷却空调机组全部开启,冷水型机房专用空调全部关闭。

工况2：夏季设计工况下,间接蒸发冷却空调机组全部关闭,冷水型机房专用空调全部开启。

机房仿真三维模型如图8所示,模拟结果见图9～14。

图8 机房三维仿真模型

模拟结果显示,无论是哪种运行工况,房间气流分布均匀,除热通道内之外,室内温度维持在24 ℃左右,封闭通道内温度维持在36 ℃左右,机柜无热点,满足设计要求。

4 机房热环境评价分析

目前,评价机房热环境指标常用SHI(供热指数)、RHI(回热指数)。SHI是衡量热空气进入冷通道后对机柜进风温度影响程度的指标,SHI值越小,表示冷热混合程度越低,气流组织越好。RHI是衡量冷空气进入热通道后对空调回风温度影响程度的指标,RHI值越大,说明冷热混合程度越低,空调送风效率越高。理想情况下,SHI与RHI之和等于1[11-12]。

图9 温度分布云图(工况1)

图10 x=12.9 m处速度场(工况1热通道)

图11 x=15.5 m处速度场(工况1冷通道)

图12 温度分布云图(工况2)

图13 x=12.9 m处速度场(工况2热通道)

(5)

(6)

式(5)、(6)中S为供热指数;δq为空调送风在进入机柜之前吸收的热量,kW;q为数据中心全部机柜总发热量,kW;mi,j为流经第i行第j列机架空气质量流量,kg/s;tini,j、touti,j为第i行第j列机柜进、排风平均温度,℃;R为回热指数。

2种运行工况下机柜SHI和RHI指标见表12。结果表明,机房气流组织良好,空调送风效率很高。

表12 机房气流组织评价指标

5 结束语

该项目针对金融数据中心的高保障等级要求,参照Tier Ⅳ标准设计了2N架构的空调系统。采用间接蒸发冷却空调机组作为数据中心的主要冷源,集中式风冷冷水空调系统作为其备用冷源,这是大型金融数据中心空调设计的一次探索和实践,也是多层间接蒸发冷却空调机组在大型国有商业银行金融数据中心的首次大规模应用,可供同类型项目建设时参考。该系统架构合理,采用间接蒸发冷却空调机组制冷时,年均PUE为1.18,年均WUE为0.49 L/(kW·h),在内蒙古地区系统节能、节水优势明显。通过模拟仿真分析,该项目采用弥漫送风+封闭热通道的气流组织形式,无论在哪种运行工况下,房间温度都分布均匀,机房气流组织良好,空调送风效率高,机柜无热点。