某大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

楊毅

天津惠普數(shù)據(jù)中心設(shè)計工程有限公司

1 工程概述

本工程位于北京市順義區(qū)，數(shù)據(jù)中心機房樓面積為51700m2，共6層，標準層層高6m，建筑總高度32.0m，耐火等級為一級，按一類高層電信建筑考慮。

2 設(shè)計計算參數(shù)

2.1 室外空氣計算參數(shù)

GB50736[1]明確規(guī)定，當室內(nèi)溫濕度必須全年保證時，應另行確定空調(diào)室外計算參數(shù)。因此，數(shù)據(jù)中心的空調(diào)設(shè)計不能采用GB50736推薦的氣象參數(shù)，而應考慮極端氣象參數(shù)。北京市極端干球溫度按夏季41.9℃，冬季-18.3℃，極端濕球溫度31℃考慮。

2.2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

本數(shù)據(jù)中心各功能房間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表1。

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3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 冷源系統(tǒng)

根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》GB50174[2]，電子信息設(shè)備耗電量的97%左右都轉(zhuǎn)化為冷負荷，再考慮UPS損耗、PDU散熱、圍護結(jié)構(gòu)、照明、人員等形成的冷負荷，最終計算得到數(shù)據(jù)中心機房樓總冷負荷為38.06MW。在機房樓的一層左右兩側(cè)設(shè)兩個冷凍站作為主冷源，冷凍站主要設(shè)備見表2。每個冷凍站設(shè)計采用1100RT（3868kW）變頻離心式冷水機組6臺，5用1備。冷凍水采用一、二次泵系統(tǒng)，一次泵定流量運行，與冷水機組一對一單元式配置，即水泵與主機先串聯(lián)后并聯(lián)，二次泵變流量運行，通過設(shè)置平衡管將整個系統(tǒng)分隔為兩個水力工況相對獨立的冷水生產(chǎn)回路和冷水輸配回路。冷源側(cè)為定流量，保證了冷水機組的水力工況穩(wěn)定；負荷側(cè)為變流量，根據(jù)最不利回路的末端壓差調(diào)節(jié)二次泵電機轉(zhuǎn)速，動態(tài)跟蹤負荷變化。每套連續(xù)制冷系統(tǒng)由冷水機組、冷凍水一、二次泵、開式蓄冷罐、冷卻水泵、冷卻塔、板式換熱器、機房精密空調(diào)機組等組成。冷凍水的供水溫度為11.5℃，回水溫度為18℃。

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數(shù)據(jù)中心屋面設(shè)有一個輔冷源，專為T4機房模塊供冷。冷源包括5臺800kW風冷螺桿式冷水機組，內(nèi)置自然冷卻用空氣冷卻器，用以自然冷卻和預冷；冷卻風機變頻，并配備冬季防凍設(shè)施；循環(huán)水泵及定壓裝置也置于屋頂。

為保證冷凍水系統(tǒng)的可靠性，主冷源冷凍水系統(tǒng)干管為環(huán)狀管網(wǎng)，保證單點故障時系統(tǒng)的正常運行。在冷源側(cè)與負荷側(cè)旁通上設(shè)置蓄冷罐作為應急冷源，以應對市電停電引發(fā)制冷站中斷事故時的制冷需求，蓄冷罐有效容積為650m3，可提供數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)15min的冷水供應，這一時間主要是考慮目前市場上國際主流品牌柴油發(fā)電機組的來電自啟動、并機輸出、逐級送電以及制冷機啟動至穩(wěn)定運行的時間。開式蓄冷罐液面高度須高于數(shù)據(jù)中心制冷站冷凍水系統(tǒng)的最高冷水管3m，以防冷水系統(tǒng)運行中負壓倒空。蓄冷罐內(nèi)部上下分設(shè)布水器，平時工作狀態(tài)為蓄冷過程，冷凍水的供水經(jīng)由罐內(nèi)下部布水器進入蓄冷罐，保證蓄冷過程完畢后罐內(nèi)是設(shè)計供水溫度的冷凍水。做為一級負荷中的特別重要負荷，一次泵、冷卻水泵、制冷機等雙路供電，二次泵、機房精密空調(diào)的風機由市電、UPS雙路供電，末端切換，主回路由UPS供電，當市電出現(xiàn)故障、柴油發(fā)電機啟動之前，二次泵、機房精密空調(diào)的風機由UPS供電繼續(xù)運轉(zhuǎn)，以保證機房連續(xù)性制冷的需求。此時蓄水罐處于放冷狀態(tài)，冷凍水通過罐內(nèi)下部布水器，經(jīng)二次泵系統(tǒng)，提供至機房精密空調(diào)，控制冷水緩慢地自上往下流動，保持良好的溫度分層。蓄冷罐沿罐體高度方向均勻設(shè)置溫度傳感器，監(jiān)測罐體內(nèi)斜溫層的變化及溫度梯度。蓄冷罐的高徑比應根據(jù)場地、溫度分層需求、布水器的結(jié)構(gòu)尺寸以及流速等因素綜合考慮確定，本工程室外蓄冷罐直徑為6m，高度為28m，高徑比約4.67。蓄冷罐發(fā)生故障時，供水、回水管與蓄冷罐之間的電動閥將自動隔離發(fā)生故障的蓄冷罐，并聯(lián)鎖開啟平衡管上的常閉閥門，保證一次側(cè)流量始終大于二次側(cè)流量。

3.2 冷凍水系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心T4[3]模塊的機房空調(diào)，考慮2N的配置需求且空間所限，采用雙盤管精密空調(diào)，其冷凍水分別接自一層冷凍站和屋面冷凍站兩個獨立的冷源，冷凍水輸配管路也為獨立的兩套，滿足系統(tǒng)容錯要求。數(shù)據(jù)中心T3模塊的機房空調(diào)，采用N+20%配置，其冷凍水接自一層冷凍站，冷凍水管路為環(huán)路配置，并設(shè)置分段檢修閥，滿足在線維護要求。數(shù)據(jù)中心T2模塊的機房空調(diào)，采用N+20%配置，其冷凍水接自一層冷凍站，冷凍水管路為單路。

3.3 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水溫度隨室外環(huán)境條件改變而不斷變化，根據(jù)冷卻水的變化情況，冷凍水的制備分三種工況：當冷卻水溫度高于16℃時，采用電制冷模式，此時濕球溫度約10℃；當冷卻水溫度低于10℃時，采用完全自然冷卻模式，此時濕球溫度約為1℃；當冷卻水溫度介于10℃～16℃時，采用部分自然冷卻模式。由于數(shù)據(jù)中心夏季與冬季冷負荷相差不大，為了更好節(jié)能，盡量延長自然冷卻時間，冷卻塔設(shè)計按冬季選型，夏季校核，容量可適當加大。板式換熱器位于一層冷凍站內(nèi)，其數(shù)量、單機換熱能力與制冷機組一致，負荷側(cè)冷凍水供水溫度為11.5℃，回水溫度為18℃，冷源側(cè)冷卻水供水溫度為10℃，回水溫度為15.4℃。冷卻塔出水溫度由冷卻塔風機轉(zhuǎn)速控制，風機設(shè)變頻裝置，冷卻水設(shè)最低回水溫度控制，低溫保護主機。

3.4 機房精密空調(diào)

主機房內(nèi)精密空調(diào)采用下出風EC風機，由微電子控制器進行變風量調(diào)節(jié)，機房空調(diào)機組為干工況運行，精密空調(diào)承擔顯熱負荷，包括風機段、表冷段和過濾段，不設(shè)再熱段和加濕段，加濕由獨立的濕膜加濕器解決。機房空調(diào)機組輸送冷空氣進入活動地板靜壓箱空間，保持微小正壓10～25Pa，通過開孔地板吹向IT設(shè)備。

變配電室、電池室配備上送風式機房精密空調(diào)機組，風管上送風，下側(cè)回風。其機房精密空調(diào)的冗余配置與相應級別的機房相同，滿足數(shù)據(jù)中心負荷可靠性的要求。

3.5 機房加濕系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心機房的濕源主要來自新風，在每個模塊的空調(diào)機房設(shè)置4臺濕膜加濕器，三用一備，每臺加濕能力為15kg/h。根據(jù)室內(nèi)濕度傳感器控制供水管上的電磁閥啟閉，加濕控制系統(tǒng)由加濕器自帶，并接入BAS系統(tǒng)。

3.6 機房氣流組織

數(shù)據(jù)機房內(nèi)機柜采用冷熱通道分離，即“面對面、背對背”的擺放方式，在冷通道布置開孔地板，開孔率視功率密度而定，冷空氣冷卻機柜后，熱量排放到熱通道中，通過上方的百葉風口回至空調(diào)機組。吊頂與架空地板間凈高為3m，架空地板高度為0.9m。機房氣流組織可參照圖1。

圖1 機房氣流組織分布圖

3.7 機房新風系統(tǒng)

機房保持5～10Pa正壓，換氣次數(shù)按0.6次/h考慮，新風經(jīng)G4、F7粗中效兩級過濾器過濾后顆粒度≥0.5μm的個數(shù)≤18000粒/L。機房內(nèi)部濕度依據(jù)露點溫度控制，夏季新風以大于室內(nèi)露點溫度送入室內(nèi)，以保證機房內(nèi)部濕度控制；冬季切不可將新風直接引入機房，否則會引起機房結(jié)露。在屋面集中設(shè)置兩個新風機房，每個新風機房設(shè)三臺新風機組，兩用一備，單臺風量為30000m3/h，新風通過垂直豎井及水平風管送到所需房間，同時在進入每個防火分區(qū)處安裝電動防火閥，和消防聯(lián)動。

新風機組由風冷熱泵機組提供冷源，單臺制冷量850kW，夏季供回水溫度7℃/12℃，用于冷卻除濕；冬季新風采用園區(qū)二次熱水加熱，單臺新風機組熱負荷為517kW，二次熱水供回水溫度60℃/50℃。當園區(qū)二次熱水故障時，由風冷熱泵機組提供熱源。

3.8 機房排風系統(tǒng)

本工程機房區(qū)域及電氣房間采用IG541氣體滅火系統(tǒng)，設(shè)置災后排風系統(tǒng)，換氣次數(shù)按5次/h考慮。由于IG541氣體密度比空氣重，采用下排風，電動排風口平時常閉，災后排風時打開。在劃分災后排風系統(tǒng)時，考慮到防護區(qū)之間排風量的匹配，將容積相差不大的機房區(qū)及電池室劃為一個系統(tǒng)，由屋頂風機通過垂直豎井排除；一層的電信接入間、電纜交界室等小容積房間劃為一個系統(tǒng)，通過一層側(cè)墻水平排除。

電池室設(shè)置排風系統(tǒng)，每個電池室上部設(shè)置電動排風口，日常排風按1次/h考慮，事故排風按12次/h考慮。風機平時低速運行提供日常排風；事故排風時高速運行。每個電池室安裝氫氣泄露探測器，并與相應的事故排風機聯(lián)鎖，檢測氫氣濃度達到其爆炸下限濃度的20%時，啟動事故排風，此電池室排風口打開，其他電池室電動排風口關(guān)閉，事故排風機高速運行。

3.9 防排煙系統(tǒng)

不滿足自然排煙條件的防煙樓梯間及其前室以及合用前室均采用加壓送風，標準層分四個防火分區(qū)，排煙系統(tǒng)豎直設(shè)置，一個機械排煙系統(tǒng)帶豎向多個防火分區(qū)，走道內(nèi)設(shè)常閉排煙口，排煙風機設(shè)置于屋頂。在排煙風管與排煙管井連接處設(shè)置280℃常開防火閥，在屋頂排煙風機入口處設(shè)置280℃排煙防火閥，超過280℃時能自動熔斷并聯(lián)鎖關(guān)閉風機。排煙時采用自然補風。排煙和災后排風系統(tǒng)合用風管。某機房火災時切掉機房內(nèi)所有與消防無關(guān)通風、空調(diào)設(shè)備電源。

4 結(jié)語

大量的服務(wù)器置于其數(shù)據(jù)中心內(nèi)，發(fā)熱量巨大，本工程使用了高溫冷水干工況運行，滿足了工藝設(shè)備的要求?？照{(diào)能耗在數(shù)據(jù)中心能耗中占據(jù)30%～45%的比例，在空調(diào)設(shè)計中采取節(jié)能措施對整個數(shù)據(jù)中心節(jié)能有著十分重要的意義設(shè)計過程中，提高冷水供水溫度，以提高主機制冷能力；采用水側(cè)自然冷卻等，達到了節(jié)能降耗的目的。

[1] 民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GB50736-2012)[S].2012

[2] 電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范(GB50174-2008)[S].2008

[3] 數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標準(TIA-942)(2010版)[S].2010