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結(jié)合夏熱冬冷地區(qū)的自然條件，介紹了長沙某數(shù)據(jù)中心的工程概況，簡述了該工程冷源、空調(diào)水系統(tǒng)及風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，詳細(xì)介紹了自然冷卻技術(shù)、冷水機(jī)組的選擇、通過CFD仿真模擬，單側(cè)送風(fēng)情況下，通過封閉冷通道、架空地板下送風(fēng)的方式，可滿足單列21個標(biāo)準(zhǔn)20A機(jī)柜的制冷需求，為后續(xù)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析方法。 關(guān)鍵詞：冷水機(jī)組? 數(shù)據(jù)中心? 封閉冷通道? 自然冷卻? CFD仿真? 機(jī)房空調(diào) ? 0引言 ??? 隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、5G網(wǎng)絡(luò)等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)處理設(shè)備的集成化越來越高，數(shù)據(jù)中心的能耗也大幅增加。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)全年運行耗能巨大，因此在保障數(shù)據(jù)中心安全運行的條件下，采用節(jié)能新技術(shù)、新工藝，降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗，對建設(shè)綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。本文以長沙某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)為例，從設(shè)備選型、系統(tǒng)優(yōu)化、節(jié)能技術(shù)應(yīng)用等方面為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供整體化的解決方案，供同行參考。 ?
1? 工程概述 1.1??工程概況 該工程為長沙某數(shù)據(jù)中心工程，位于長沙市望城經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)(見圖1)。該工程一期包含兩幢數(shù)據(jù)中心、一幢動力中心及地下水泵房，一期總建筑面積39290m2, 其中單幢數(shù)據(jù)中心建筑面積17868.33 m2，建筑高度22.90 m；地上共四層， 1層為冷凍站、ECC機(jī)房以及配套輔助用房，標(biāo)準(zhǔn)層為變配電室室、電池室、通信機(jī)房。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
1.2??室內(nèi)外設(shè)計參數(shù) 1）室外設(shè)計參數(shù) 長沙市望城區(qū)，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年降水量為1370 mm左右，全年平均氣溫17 ℃，日照1610小時，無霜期274天；氣候溫和，降水充沛，雨熱同期，四季分明是其主要的氣候特征；全年干球溫度時長分布如圖 2所示，全年濕球溫度時長分布如圖3所示，室外設(shè)計計算參數(shù)見表1。
圖2? 全年干球溫度時長分布
圖3? 全年濕球溫度時長分布 ? 表1? 室外設(shè)計計算參數(shù)[1]
?
| ? | 夏季 | 冬季 |
| 干球溫度/℃ | 35.8 | —1.9 |
| 濕球溫度/℃ | 27.7 | ? |
| 通風(fēng)溫度/℃ | 32.9 | 4.6 |
| 相對濕度/% | 61 | 83 |
| 室外平均風(fēng)速/（m/s） | 2.6 | 2.3 |
2）室內(nèi)設(shè)計參數(shù)（見表2） 表2? 設(shè)計參數(shù)
| 項目 | 技術(shù)要求 | 備注 |
| 冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的溫度 | 18~27℃ | 不得結(jié)露 |
| 冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的相對濕度和露點溫度 | 露點溫度5.5~15℃，同時相對濕度不大于60% | |
| 輔助區(qū)溫度、相對濕度（開機(jī)時） | 18℃~28℃，35%~75% | |
| 電池室溫度 | 20℃~30℃ |
注：主機(jī)房內(nèi)空氣含塵濃度，在靜態(tài)或動態(tài)條件下測試，每升空氣中粒徑≥ 0.5μ m的懸浮粒子數(shù)應(yīng)少于17600粒。
2??空調(diào)冷源 2.1?空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷 根據(jù)工藝專業(yè)規(guī)劃，該數(shù)據(jù)中心終期可安裝的通信設(shè)備功耗為7582 kW，電力電池室及不間斷電源等電力設(shè)備發(fā)熱量為848 kW，通過逐項逐時的冷負(fù)荷計算得到該數(shù)據(jù)中心夏季冷負(fù)荷為10371 kW，設(shè)計冗余系數(shù)取1.1,設(shè)計容量為11409 kW。 2.2??空調(diào)系統(tǒng)冷源 1）冷源設(shè)計 根據(jù)長沙市氣候特點，結(jié)合該數(shù)據(jù)中心的工藝規(guī)劃及冷負(fù)荷，采用集中式水冷冷水系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)形式，冷水供/回水溫度為 14 ℃/20 ℃，空調(diào)末端采用房間級冷凍水型機(jī)房專用空調(diào)。冷水空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)選用4臺3 868 kW水冷離心式冷水機(jī)組，按三用一備模式配置。每臺水冷離心式冷水機(jī)組配套1臺板式換熱器。冷水機(jī)房內(nèi)同時還配有落地式自動補水定壓裝置、全自動加藥裝置、微晶旁流水處理器、冷卻水循環(huán)泵、冷水循環(huán)泵等設(shè)備[2-3]。冷水機(jī)房主要設(shè)備如表3所示。 ? 表3? 冷水機(jī)房主要設(shè)備
| ? | 設(shè)備參數(shù) | 數(shù)量/臺 |
| 水冷式離心冷水機(jī)組 | 制冷量3868 kW，輸入功率506 kW | 4 |
| 冷卻水循環(huán)泵????????????? ?（臥式雙吸離心泵） | G=830m3/h，H=34m，N=110kW | 4 |
| 冷水循環(huán)泵?? ???????????（臥式端吸離心泵） | G=600m3/h，H=22m，N=55kW | 4 |
| 冷水循環(huán)泵????????????? ?（臥式端吸離心泵） | G=600m3/h，H=28m，N=75kW | 4 |
| 立式離心泵 | G=2m3/h，H=40m，N=1.5kW | 2 |
| 板式換熱器 | 換熱量4500kW，T1=18.5℃，T2=12.5℃，T3=14℃，T4=20℃ | 4 |
注：G為流量，m3/h；H為揚程，m?；N為輸入功率，kW；T1為一次側(cè)出水溫度，T2為一次側(cè)進(jìn)水溫度； T3為二次側(cè)出水溫度，T4為二次側(cè)進(jìn)水溫度。 ? 2）空調(diào)冷源系統(tǒng)流程 空調(diào)冷源系統(tǒng)流程如圖4所示。
圖4 空調(diào)冷源系統(tǒng)流程圖 ?
3??空調(diào)水系統(tǒng) 3.1?冷水系統(tǒng)
空調(diào)冷水側(cè)采用模塊化設(shè)計，離心式冷水機(jī)組、板式換熱器、冷水泵組成一個制冷模塊。水系統(tǒng)設(shè)計采用二級泵環(huán)網(wǎng)，一級泵、二級泵均為變頻控制, 為提高制冷模塊之間的互用性，每個模塊之間增設(shè)跨接管，在單個模塊水泵故障時，只需啟用備用模塊水泵，無需切換整個制冷模塊。末端管路為雙路供水，同時在每個末端三通處設(shè)置閥門，保證單點故障或單點維護(hù)時不影響整個水系統(tǒng)的運行。為防止空調(diào)冷水、冷凝水、加濕水管漏水后進(jìn)入機(jī)柜設(shè)備區(qū)，采用隔墻將空調(diào)區(qū)和機(jī)房區(qū)分開，并在空調(diào)區(qū)地面上均勻排布若干排水口，以保證漏水及時排出。空調(diào)末端系統(tǒng)流程圖如圖5所示。
圖5 空調(diào)末端系統(tǒng)流程圖
3.2?冷卻水系統(tǒng)
???? 空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計，采用鋼制低噪音開式橫流塔，將經(jīng)冷水機(jī)組升溫至37 ℃的冷卻水送至冷卻塔進(jìn)行冷卻，水溫降至32 ℃，經(jīng)冷卻水環(huán)網(wǎng)、冷卻水泵加壓后再返回冷水機(jī)組。冷卻水側(cè)同冷水側(cè)一樣增設(shè)跨接管，保證冷卻側(cè)每個制冷模塊之間冷卻水泵的互用。屋面冷卻塔溢流、排污水設(shè)置管道單獨排放。冷卻水系統(tǒng)配置全自動加藥處理裝置保證冷卻水水質(zhì)。冷卻水補水采用市政給水加應(yīng)急補水源的方式保障，按補12 h冷卻水補水量配置應(yīng)急補水池。
3.3?水蓄冷系統(tǒng) 本工程冷水系統(tǒng)配置1個550 m3的開式蓄冷水罐，以解決市電中斷、柴油發(fā)電機(jī)啟動至冷水機(jī)組恢復(fù)運行這段時間的空調(diào)系統(tǒng)供冷（此時二級冷水泵、空調(diào)末端風(fēng)機(jī)用電由不間斷電源保障），從而保證了空調(diào)系統(tǒng)與通信設(shè)備不間斷地同步運行。蓄冷保障時間按滿足整個數(shù)據(jù)中心15 min的用電配置。
? 4??空調(diào)風(fēng)系統(tǒng) 電池室和變配電室室內(nèi)氣流組織形式為風(fēng)管或風(fēng)帽上送風(fēng)、機(jī)組側(cè)下回風(fēng)；通信機(jī)房氣流組織形式為架空地板下送風(fēng),機(jī)組上部自然回風(fēng)，并通過封閉冷通道將冷、熱氣流完全隔離；新風(fēng)系統(tǒng)采用水環(huán)熱泵新風(fēng)機(jī)組，維持機(jī)房正壓（5～10 Pa）及保障人員新風(fēng)要求。主機(jī)房氣流組織形式見圖6。
圖6? ?封閉冷通道氣流組織示意圖 ?
5??工程特色和技術(shù)創(chuàng)新 5.1提高冷水供/回水溫度，采用獨立加/除濕一體機(jī) 目前，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心通信機(jī)房采用冷凍水型機(jī)房專用空調(diào)。本工程采用獨立的濕膜式恒濕器滿足機(jī)房濕度要求。采用濕膜加濕，制冷除濕，該方案優(yōu)點在于：機(jī)房空調(diào)基本在干工況運行，不產(chǎn)生凝結(jié)水，機(jī)房加濕量小，這樣避免了專用空調(diào)降溫除濕后再電加濕產(chǎn)生冷量和熱量的浪費。水冷空調(diào)的冷水供/回水溫度的標(biāo)準(zhǔn)工況為7℃/12℃，本項目將空調(diào)系統(tǒng)冷水供/回水溫度提高到14℃/20℃，可降低冷水機(jī)組耗電，同時增加自然冷卻時間，提高空調(diào)系統(tǒng)運行節(jié)能效果。
5.2?自然冷卻技術(shù)應(yīng)用 長沙市為夏熱冬冷地區(qū)，考慮采用自然冷卻技術(shù)，本工程通過提高冷凍水供回水溫度（14/20℃），冬季冷卻塔自然冷卻選型濕球溫度(按6℃濕球溫度)，延長自然冷卻時間。長沙市全年室外濕球溫度≤6℃時間為1550小時，可完全關(guān)閉制冷機(jī)組，采用冷卻塔加板式換熱器進(jìn)行換熱。當(dāng)冷卻塔出水溫度低于制冷機(jī)組冷水回水溫度，可進(jìn)行部分自然冷卻，這樣就大大減少了開啟制冷機(jī)組的時間，不僅可以延長壓縮機(jī)使用年限，還能減低制冷系統(tǒng)耗電，節(jié)能效果顯著。板式換熱器自然冷卻示意圖如圖7所示。
圖7? 板式換熱器自然冷卻示意圖 5.3低壓變頻冷水機(jī)組與高壓定頻冷水機(jī)組分析比較 根據(jù)本設(shè)計數(shù)據(jù)空調(diào)負(fù)荷計算結(jié)果，本工程共配置4臺離心式冷水機(jī)組，單臺制冷量為1100RT（3868kW），其中1臺為備用。機(jī)組相關(guān)電氣參數(shù)如表4所示。 表4? 離心式冷水機(jī)組參數(shù)表
| 機(jī)組規(guī)格 | 1100RT | |
| 電壓等級 | 380V | 10kV |
| 額定電流（A） | 1141 | 42 |
| 啟動電流（A） | 7113 | 295 |
| 額定功率（W） | 653.9 | 658.8 |
《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》JGJ/T16－2008中第3.4.2款：當(dāng)用電設(shè)備總?cè)萘吭?50kW及以上或變壓器容量在160kW及以上時，宜以10（6）kV供電。 《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB 50736-2012中第8.2.4.3款：當(dāng)單臺冷水機(jī)組電動機(jī)的額定輸入功率大于650kW而小于或等于900kW時，可采用高壓供電方式。 根據(jù)上述規(guī)范要求，本工程冷水機(jī)組可采用380V低壓與10kV高壓兩種方式，本次從初投資和運行費用兩個方面進(jìn)行對比分析，從而選擇適合本項目的冷源形式。 5.3.1冷水機(jī)組設(shè)備初投資比較 380V低壓變頻冷水機(jī)組與10kV高壓定頻冷水機(jī)組初投資比較如表5所示。 表5? 冷水機(jī)組設(shè)備初投資比較表
| 機(jī)組規(guī)格 | 380V供電變頻冷水機(jī)組 | 10kV供電定頻冷水機(jī)組 | ||||||||||
| 制冷量? （kW） | 單價?????????????????? (萬/臺) | 數(shù)量(臺) | 小計(萬) | 變頻啟動柜????????????????? (萬/臺) | 數(shù)量(臺) | 小計?? (萬) | 單價???????????? ?????(萬/臺) | 數(shù)量(臺) | 小計(萬) | 啟動柜價格?????????????????? (萬/臺) | 數(shù)量(臺) | 小計(萬) |
| 3868 | 203.6 | 4 | 814.4 | 32.6 | 4 | 130.4 | 210 | 4 | 840 | 38.7 | 4 | 154.8 |
| 合計(萬) | 944.8 | 994.8 | ||||||||||
備注：
1、單價為設(shè)備總價，總價包含機(jī)組整體價格（含初次充注的冷媒、潤滑油）、運費及運輸保險、開機(jī)調(diào)試費、一年的保用。
2、變頻增加價格及高壓啟動增加價格基于與380V/50HZ常規(guī)機(jī)組的增加的價格。
5.3.2冷水機(jī)組變配電設(shè)備初投資比較 10KV高壓定頻冷水機(jī)組需配置啟動柜、電抗柜、無功補償柜，380V低壓變頻機(jī)組需占用變壓器容量，同時后期需要進(jìn)行諧波治理，變配電設(shè)備初投資比較如表6、表7所示。 表6? 冷水機(jī)組設(shè)備初投資比較表
| 供電方案 | 10kV電機(jī)方案 | 380V電機(jī)方案 |
| 方案內(nèi)容 | 10kV冷水機(jī)組需配置啟動、電抗、無功補償柜 | 380V冷水機(jī)組需占用3000kVAx2（2N配置）變壓器的容量 |
| 10kV中置柜 | 每套冷水機(jī)組配置3個10kV中置柜 | 無 |
| 15萬x3x4=180萬 | ||
| 2000kVA變壓器 | 無 | 3000kVAx2（2N配置）變壓器 |
| 25萬x1.5x2=75萬 | ||
| 低壓開關(guān)柜 | 無 | 每套冷水機(jī)組配置1臺低配柜，共需3臺300kvar補償柜 |
| 10萬x7=70萬 | ||
| 低壓電纜 | ? | 16根ZR-YJY-1-3*185+2*95低壓電纜 |
| 16x60x0.05萬=48萬 | ||
| 合計(萬) | 180萬 | 198萬 |
表7? 低壓變頻機(jī)組諧波治理費用
| 機(jī)組規(guī)格 | 諧波治理費用 | |||
| 制冷量（kW） | 單價(萬/臺) | 數(shù)量??(臺) | 小計?(萬) | 合計?(萬) |
| 3868 | 30 | 4 | 120 | 120 |
5.3.3?冷水機(jī)組運行費用比較 本工程終期冷水機(jī)組運行模式為四臺冷水機(jī)組均為主用，備用機(jī)組處于熱備模式，每臺機(jī)組的負(fù)載率為75%，提高空調(diào)系統(tǒng)的運行效率。冷水機(jī)組運行費用如表8所示。 表8? 冷水機(jī)組運行費用比較表
| 制冷量（kW） | 室外濕球溫度(℃) | 冷卻水進(jìn)水溫度(℃) | 運行時間(h) | 運行工況點 | 機(jī)組運行功耗(kW) | 電費單價(元/kWh) | 臺數(shù) | 運行費用 (元/kWh) | 備注 | ||
| 380V低壓變頻機(jī)組 | 10kV高壓機(jī)組 | ? ? ? ? 0.8 | 380V低壓變頻機(jī)組 | 10kV高壓機(jī)組 | ? | ||||||
| ? 3329 | >28 | 32 | 47 | 75% | 368.3 | 392.1 | 4 | 55392.32 | 58971.84 | 主機(jī)制冷 | |
| 25≤28 | 28 | 924 | 75% | 307.2 | 353.5 | 908329 | 1045229 | 主機(jī)制冷 | |||
| 20≤25 | 24 | 2047 | 75% | 255.7 | 321.6 | 1674937 | 2106609 | 主機(jī)制冷 | |||
| 15≤20 | 20 | 1447 | 75% | 210.1 | 294.1 | 972847 | 1361801 | 主機(jī)制冷 | |||
| 6≤15 | 19 | 2745 | 75% | 97.27 | 158.9 | 854419.7 | 1395778 | 主機(jī)制冷 | |||
| T≤6 | 12 | 1550 | - | - | - | - | - | 自然冷卻 | |||
| ? | 合計 | ? | 8760 | ? | ? | ? | ? | ? | 4465925 | 5968388 | ? |
5.3.4?冷水機(jī)組投資及運行費用分析比較 380V低壓變頻冷水機(jī)組與10kV高壓定頻冷水機(jī)組投資及運行費用分析比較如表9所示。 表9? 冷水機(jī)組投資及運行費用比較表
| 比較項目 | 380V低壓供電變頻冷水機(jī)組 | 10kV高壓供電定頻冷水機(jī)組 |
| 冷水機(jī)組設(shè)備 初投資 | 944.8萬 | 994.8萬 |
| 冷水機(jī)組變配電設(shè)備 初投資 | 198萬 | 180萬 |
| 后期維護(hù)成本 | 諧波治理費用：120萬 | — |
| 初投資小計 | 1262.8萬 | 1174.8萬 |
| 冷水機(jī)組運行費用 | 446.6萬/年 | 596.8萬/年 |
通過上表分析可知：380V變頻冷水機(jī)組初投資比高壓定頻冷水機(jī)組略高，但380V變頻冷水機(jī)組年運行費用比高壓定頻冷水機(jī)組低。數(shù)據(jù)中心通信設(shè)備存在分期分批投入使用的情況，380V變頻冷水機(jī)組相比高壓定頻機(jī)組更能適用于過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)在預(yù)冷狀態(tài)下的使用需求，低壓變頻機(jī)組可滿足低負(fù)荷運行需求，因此本項目低壓變頻冷水機(jī)組更為合適。
? 5.4?機(jī)房單側(cè)送風(fēng)、封閉冷通道應(yīng)用 5.4.1?實驗方案 標(biāo)準(zhǔn)IT機(jī)房基本參數(shù)見表10，標(biāo)準(zhǔn)IT機(jī)房CFD模型如圖8所示。 表10? 標(biāo)準(zhǔn)IT機(jī)房基本參數(shù)
| 面積/m2 | 熱負(fù)荷/kW | 模塊設(shè)計方式 | 環(huán)境控制方式 | 地板風(fēng)口出風(fēng)工況/℃ | 空調(diào)回風(fēng)工況/℃ | |
| 593 | 839.94 | 封閉冷通道 | 空調(diào) | 20 | 32 | |
注：標(biāo)準(zhǔn)IT機(jī)房共計配置9臺Q=140kW的房間級機(jī)房專用空調(diào)，2臺備用；模擬時開啟80%的空調(diào)。
圖8 標(biāo)準(zhǔn)IT機(jī)房CFD模型 5.4.2?實驗結(jié)果分析 ??? 機(jī)房三維模型圖如圖9所示，模擬結(jié)果見圖10,11。
圖9 機(jī)房三維模型圖
圖10 Y=1.2m 界面溫度場
圖11 X=13m截面速度場 ??? 根據(jù)機(jī)房仿真模擬示意圖可知，采用封閉冷通道單側(cè)送風(fēng)，冷水型房間級機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組送/回風(fēng)溫度為20℃/32℃時，可滿足單列21個20A機(jī)柜的制冷需求。機(jī)房內(nèi)的仿真模擬運行溫度均滿足設(shè)計要求，無局部熱點。
? 6??結(jié)語 從初投資、運行費用兩個方面對低壓變頻冷水機(jī)組和高壓定頻冷水機(jī)組對比分析，低壓變頻冷水機(jī)組在運行費用方面更有優(yōu)勢，結(jié)合數(shù)據(jù)中心設(shè)備分期啟用的特點，在1100RT左右的制冷量下，低壓變頻冷水機(jī)組更適合。通過CFD仿真模擬，單側(cè)送風(fēng)情況下，通過封閉冷通道、架空地板下送風(fēng)的方式，可滿足單列21個標(biāo)準(zhǔn)20A機(jī)柜的制冷需求，為后續(xù)大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析方法。 ? 參考文獻(xiàn)： ［1］????????陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊［M］2版.?北京:?中國建筑工業(yè)出版社，2008:187-188 ［2］????????中國建筑科學(xué)研究院.公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB 50189—2015［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015:15-22 ［3］????????夏春華，潘慶瑤，高景等.內(nèi)蒙古某數(shù)據(jù)中心采用自然冷卻技術(shù)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及運行模式［J］.暖通空調(diào)，2013,43（10）：18-22
作者 | 華信咨詢設(shè)計研究院有限公司 劉彬 程小靜 李亞星 高景?
來源 | 2019年浙江省暨杭州市暖通空調(diào)動力學(xué)術(shù)年會論文集
編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
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