基于群控技術(shù)的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)研究

摘要：本文針對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房對(duì)環(huán)境圖溫濕度敏感的特點(diǎn)，系統(tǒng)地開展空調(diào)系統(tǒng)的研究，綜合考慮數(shù)據(jù)中心規(guī)模和自然冷源利用，優(yōu)化氣流組織，降低機(jī)房的空調(diào)能耗，選取合適的空調(diào)系統(tǒng)以達(dá)到節(jié)能的效果。同時(shí)空調(diào)主機(jī)、水泵、空調(diào)末端、管路系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)均納入空調(diào)自控系統(tǒng)中。群控系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)水溫、流量、機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度的情況實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心機(jī)房;氣流組織：能耗;節(jié)能;群控技術(shù)

0引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的快速發(fā)展和云計(jì)算的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)模、計(jì)算能力大幅增加，使得數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模不斷加大。同時(shí)數(shù)據(jù)中心是一個(gè)耗能大戶，不僅電子設(shè)備本身耗電之外，空調(diào)系統(tǒng)的耗電非常大，占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%以上。因此，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重點(diǎn)。空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基本保障。數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)不同于一般舒適性空調(diào)系統(tǒng)，其主要目的是消除設(shè)備散熱，保證機(jī)房穩(wěn)定運(yùn)行，且需全天24h制冷運(yùn)行。因此，本文以數(shù)據(jù)中心為研究對(duì)象分析空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)布置。

1數(shù)據(jù)中心常用空調(diào)系統(tǒng)介紹

1.1集中式冷源

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)按照冷源方式可分為集中式冷源系統(tǒng)和分散式冷源系統(tǒng)，目前在數(shù)據(jù)中心運(yùn)用較多，較常見的集中式冷源有水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)和風(fēng)冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng);分散式冷源有風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)。

1.2數(shù)據(jù)中心末端空調(diào)形式

數(shù)據(jù)中心經(jīng)過多年發(fā)展，從傳統(tǒng)型的房間級(jí)空調(diào)到貼近機(jī)柜的行級(jí)空調(diào)再到機(jī)柜級(jí)的背板空調(diào)等直至現(xiàn)在正在探索的芯片級(jí)（液冷等）制冷單元，不僅服務(wù)器功耗可由原來的1-2KW提高到現(xiàn)在的15-20KW甚至30-50KW或更高，制冷效率也提升了30%-40%。

1.2.1房間級(jí)制冷

傳統(tǒng)房間級(jí)通常采用機(jī)房專用空調(diào)，其主要是先將房間環(huán)境溫度冷卻再對(duì)服務(wù)器冷卻。根據(jù)冷卻方式不同可分為水冷和風(fēng)冷，按照送風(fēng)方式可分為風(fēng)帽直吹型送風(fēng)、上送風(fēng)和下送風(fēng)型。

1.2.2行級(jí)制冷

行級(jí)空調(diào)，空調(diào)與機(jī)柜并柜緊貼中，緊靠熱源安裝，就近制冷，可將機(jī)柜散發(fā)的熱量快速帶走。根據(jù)冷卻方式不同可分為水冷和風(fēng)冷等，其送風(fēng)可選前送、單側(cè)送、雙側(cè)送、45°角送等。

1.2.3機(jī)柜級(jí)制冷

制冷單元與機(jī)柜相關(guān)聯(lián)，機(jī)組直接安裝在IT機(jī)柜上或其內(nèi)部，是近端供冷的形式之一。柜級(jí)空調(diào)型式多樣，有背板、前門、柜內(nèi)、柜頂?shù)?，按照冷源可分為水冷、風(fēng)冷和熱管型等。

2空調(diào)方案

2.1空調(diào)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)中心對(duì)土建要求及本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)等情況，對(duì)空調(diào)的冷負(fù)荷進(jìn)行估算?？照{(diào)冷負(fù)荷主要考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、新風(fēng)、照明、人員負(fù)荷以及IT設(shè)備的發(fā)熱形成的負(fù)荷，計(jì)算確定機(jī)房樓的空調(diào)所需負(fù)荷。機(jī)房樓空調(diào)冷負(fù)荷Q=Q1+Q2，其中Q1為設(shè)備散熱量;Q2為機(jī)房外墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量、外窗太陽(yáng)輻射、人員及照明等因素引起的冷負(fù)荷。

綜合考慮數(shù)據(jù)中心規(guī)模和自然冷源利用，采用帶自然冷卻功能的風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)?？照{(diào)主機(jī)采用帶自然冷源模塊的風(fēng)冷磁懸浮離心式冷水機(jī)組，提高空調(diào)系統(tǒng)效率。主機(jī)采用N+1備份方式，任一主機(jī)出現(xiàn)故障和問題時(shí)，仍然能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2空調(diào)群控技術(shù)

2.2.1主機(jī)群控

空調(diào)主機(jī)、水泵、管路系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)均納入空調(diào)自控系統(tǒng)中。自控系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)水溫、流量、機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度的情況實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行。同時(shí)對(duì)機(jī)房空調(diào)能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

群控系統(tǒng)應(yīng)能夠監(jiān)測(cè)風(fēng)冷機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀況，能夠遠(yuǎn)程控制風(fēng)冷機(jī)的啟停，能夠監(jiān)測(cè)循環(huán)水泵的運(yùn)行狀態(tài)、手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)和故障狀況，能夠控制循環(huán)水泵的啟停，可以監(jiān)控制冷系統(tǒng)的供回水壓力、溫度、流量等參數(shù)，監(jiān)控制冷系統(tǒng)的電動(dòng)蝶閥、壓差旁通閥等。群控系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組供水/回水總管的供/回水溫度、流量，計(jì)算冷負(fù)荷，根據(jù)冷負(fù)荷的變化決定開啟機(jī)組及對(duì)應(yīng)的水泵臺(tái)數(shù)，供回水壓差控制旁通閥。

2.3末端建設(shè)方案

列間空調(diào)緊貼機(jī)柜布置，空調(diào)正面吹出冷風(fēng)，經(jīng)過服務(wù)器機(jī)柜后，將服務(wù)器冷卻，熱風(fēng)再回到列間空調(diào)。該種方式氣流路徑短，風(fēng)機(jī)不需要大壓頭，風(fēng)機(jī)功耗更小。并且列間空調(diào)采用直流無(wú)刷EC風(fēng)機(jī)，風(fēng)量可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求進(jìn)行無(wú)極調(diào)速。當(dāng)負(fù)荷小時(shí)，風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

機(jī)房采用封閉熱通道的方式，機(jī)架采用面對(duì)面、背對(duì)背方式布置，使面對(duì)面一側(cè)形成冷風(fēng)通道（冷區(qū)）、背對(duì)背一側(cè)形成熱風(fēng)通道（熱區(qū)）。這種方式將服務(wù)器排出的熱氣與服務(wù)器進(jìn)風(fēng)口處的空調(diào)冷風(fēng)分離，避免冷、熱空氣摻混，避免前列機(jī)架上設(shè)備排出的熱風(fēng)被服務(wù)器自帶的風(fēng)扇送入下一列設(shè)備的進(jìn)風(fēng)口，確保熱氣盡快從熱區(qū)（熱通道）返回空調(diào)機(jī)，確保設(shè)置在“冷區(qū)”的服務(wù)器進(jìn)風(fēng)口保持低溫，提高冷空氣的有效利用率。封閉熱通道將服務(wù)器產(chǎn)生的高溫空氣全部封閉在列間空調(diào)的回風(fēng)區(qū)域內(nèi)，使冷風(fēng)和熱風(fēng)有效隔離，冷熱不混合，冷量損失更小;同時(shí)冷風(fēng)進(jìn)入機(jī)柜，利用率更高。同時(shí)通過提高熱通道溫度（空調(diào)回風(fēng)溫度），如提升至35℃，可提高空調(diào)制冷能力和制冷效率，達(dá)到節(jié)能目的。

3結(jié)論

空調(diào)系統(tǒng)采用帶自然冷卻功能的系統(tǒng)。而本項(xiàng)目機(jī)架數(shù)量少，冷負(fù)荷需求較小，綜合考慮數(shù)據(jù)中心規(guī)模和自然冷源利用，采用帶自然冷卻功能的風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)。空調(diào)主機(jī)采用帶自然冷源模塊的風(fēng)冷磁懸浮離心式冷水機(jī)組，空調(diào)主機(jī)和水泵均采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)冷量輸出，達(dá)到節(jié)能的目的。

本站選擇列間空調(diào)+封閉熱通道方式給IT機(jī)房使用，以配合機(jī)房的模塊化、一體化和智能化實(shí)施。機(jī)架采用面對(duì)面、背對(duì)背方式布置，避免冷、熱空氣摻混，提高冷空氣的有效利用率，可提高空調(diào)制冷能力和制冷效率，達(dá)到節(jié)能目的。而電力室等區(qū)域則選擇傳統(tǒng)的水冷精密空調(diào)+風(fēng)管送風(fēng)方式，保證電力室的溫濕度。

采用新型末端，優(yōu)化氣流組織。本站數(shù)據(jù)中心采用冷凍水列間空調(diào)和封閉熱通道方式，有效降低機(jī)房的空調(diào)能耗，降低機(jī)房PUE。

空調(diào)主機(jī)、水泵、空調(diào)末端、管路系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)均納入空調(diào)自控系統(tǒng)中。自控系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)水溫、流量、機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度的情況實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行。同時(shí)對(duì)機(jī)房空調(diào)能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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作者簡(jiǎn)介

朱興龍——研究生，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽冸娬镜慕ㄖ?、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從事變電土建設(shè)計(jì)工作。

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