某既有通訊大樓數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)擴容改造方案探討

□ 覃振東 胡成輝 劉日明

隨著人工智能、云計算、5G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的體量迅速增加，自2013年以來，我國數(shù)據(jù)中心的總體規(guī)模和數(shù)量快速增長，截至2017年底，我國數(shù)據(jù)中心機架總體規(guī)模達(dá)到166萬架，中國規(guī)模以上的數(shù)據(jù)中心保有量約為5.9萬個，總面積超過1800萬m2[1～2]。同時，由于業(yè)務(wù)的發(fā)展需求以及在綠色、節(jié)能的趨勢下，既有的數(shù)據(jù)中心的擴容改造也呈現(xiàn)迅猛上升的趨勢[3]，如東北某數(shù)據(jù)中心的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造[4]、上海證券交易所內(nèi)數(shù)據(jù)中心對設(shè)備和控制策略進(jìn)行了更新和改造[5]等，改造后數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的整體效率都得到顯著提升。對數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，重點關(guān)注如何合理利用原有設(shè)備、降低投資、節(jié)約運行費用等問題。以南寧市某既有通訊大樓數(shù)據(jù)機房的空調(diào)系統(tǒng)擴容改造方案為例進(jìn)行概述，為數(shù)據(jù)機房的空調(diào)系統(tǒng)擴容改造提供一種參考及借鑒做法。

1 工程概況

該工程位于南寧，地下1層，地上裙房2層，主樓16層，功能為辦公樓。其中，改造前2樓為退網(wǎng)機房，3、6、8樓部分為數(shù)據(jù)機房，其余部分為辦公室?，F(xiàn)需將該棟樓全部改造為數(shù)據(jù)機房。根據(jù)目前安裝的空調(diào)數(shù)量及后期擴容安裝的空調(diào)數(shù)量，數(shù)據(jù)機房空調(diào)的冷量需求如表1所示。該大樓的原數(shù)據(jù)機房為風(fēng)冷型直接膨脹式機房精密空調(diào)，若需擴大容量，則面臨的主要問題是室外機安裝位置的問題。目前高樓層無安裝室外機的空間，低樓層的空調(diào)室外機可安裝空間不足。除上述的主要問題外，原空調(diào)系統(tǒng)還存在室外機氣流易短路、能效低且噪音擾民問題。其中，2樓、3樓和8樓的空調(diào)均為預(yù)估，尚未安裝，6樓有6臺100kW制冷量空調(diào)也尚未安裝，14樓的空調(diào)需求暫不考慮。

表1 通訊大樓冷量需求

2 空調(diào)系統(tǒng)擴容改造方案

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的擴容要求及現(xiàn)有條件，提出三種空調(diào)擴容改造方案：（1）水冷系統(tǒng)建設(shè)方案（開式冷卻塔）；（2）水冷系統(tǒng)建設(shè)方案（開+閉式冷卻塔）；（3）集中式冷凝器建設(shè)方案。

2.1 水冷系統(tǒng)建設(shè)方案（開式冷卻塔）

方案一是在16樓樓頂和2樓裙房屋面各設(shè)置一套開式冷卻水系統(tǒng)，分別負(fù)擔(dān)9、10、12、13樓（高區(qū)）和2、3、4、5、6、7、8樓（低區(qū)）的空調(diào)系統(tǒng)。2樓裙房屋面設(shè)置一套冷卻塔系統(tǒng)的主要原因是16樓屋面的空間有限，無法放置負(fù)擔(dān)低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的冷卻塔。由于低區(qū)冷卻塔的位置不在冷卻水系統(tǒng)的最高點，因此需增加板式換熱器，從而避免因冷卻塔安裝位置較低而導(dǎo)致冷卻水從塔體溢出的不利情況。方案一的原理圖如圖1、圖2所示，主要設(shè)備如表2所示，冷卻塔考慮N+1備份設(shè)計。

該方案采用冷卻塔提供冷卻水，各個數(shù)據(jù)機房采用水冷型直接膨脹式機房精密空調(diào)。水冷型直接膨脹式機房精密空調(diào)采用板式換熱器作為室外機，可設(shè)置在室內(nèi)，不存在風(fēng)冷冷凝器的噪聲及散熱問題。且將空調(diào)系統(tǒng)從風(fēng)冷改為水冷，提高了空調(diào)的能效。該方案有效地解決了上述提到的室外機安裝空間不足、能效低、噪聲擾民等問題。

圖1 方案一高區(qū)開式冷卻水系統(tǒng)原理圖

圖2 方案一低區(qū)開式冷卻水系統(tǒng)原理圖

表2 方案一主要設(shè)備表

2.2 水冷系統(tǒng)建設(shè)方案（開+閉式冷卻塔）

方案二是在16樓樓頂設(shè)置一套開式冷卻水系統(tǒng)，在2樓裙房屋面設(shè)置一套閉式冷卻水系統(tǒng)，分別負(fù)擔(dān)高低區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)。方案二與方案一的區(qū)別在于方案二的低區(qū)冷卻塔采用閉式冷卻塔，無須采用板式換熱器。方案二的高區(qū)原理圖與方案一相同，低區(qū)原理圖如圖3所示，主要設(shè)備表如表3所示。

表3 方案二主要設(shè)備表

該方案采用閉式冷卻塔冷卻水系統(tǒng)為閉式循環(huán)，具有水質(zhì)條件好、維護(hù)工作量小、系統(tǒng)較簡單的優(yōu)點。與方案一相比，閉式冷卻塔可節(jié)省板式換熱器的投資費用，減少室內(nèi)的安裝空間，但閉式冷卻塔尺寸大1倍、重量大3倍、冷卻塔風(fēng)機耗電量大7倍，對結(jié)構(gòu)加固帶來很大的困難，運行能耗也很高且在總投資方面與方案一差別不大。

2.3 集中式冷凝器建設(shè)方案

方案三為在2樓裙樓、15樓外露臺和16樓樓頂建設(shè)集中式冷凝器，并結(jié)合氟泵，與原風(fēng)冷精密空調(diào)配合，供全樓使用。方案三的主要設(shè)備如表4所示。

表4 方案三主要設(shè)備表

圖3 方案二低區(qū)閉式冷卻水系統(tǒng)原理圖

表5 改造方案對比

集中式冷凝器相較于傳統(tǒng)風(fēng)冷型空調(diào)冷凝器，具有占地面積小、集中安裝、模塊化設(shè)計等優(yōu)點。集中式冷凝器結(jié)合氟泵系統(tǒng)的應(yīng)用，解決了機房空調(diào)負(fù)落差的問題，由于管路中氟泵設(shè)備的輔助增壓性能，可降低壓縮機的工作負(fù)荷，因此可延長機房精密空調(diào)器件的使用壽命。且由于氟泵體積小，可集成在集中式冷凝器室外機底部安裝，因此通訊大樓空調(diào)室外機改造繼續(xù)使用一對一的風(fēng)冷型室外機，既能繼續(xù)使用原來風(fēng)冷型精密空調(diào)的工況，也能使得每臺空調(diào)機為獨立系統(tǒng)，減少系統(tǒng)風(fēng)險。但氟利昂系統(tǒng)管路長度對制冷量的衰減比較嚴(yán)重，并且風(fēng)冷散熱的效率遠(yuǎn)低于水冷散熱的效率。

3 方案對比

通過在初投資、技術(shù)難度、運行維護(hù)和能效比方面，對三種改造方案進(jìn)行了對比，如表5所示。

從表5中可以看出，方案三在初投資、運行維護(hù)、施工難度、建設(shè)周期等方面都較優(yōu)，但單位制冷量的投資高，且由于冷量衰減大，能效比低，不符合綠色節(jié)能的趨勢，因此不作為主推方案。而方案一和二初投資雖然較多，但單位制冷量的投資少，且能效比高，其中方案一比方案二應(yīng)用更為廣泛，對結(jié)構(gòu)承重要求較低。綜上所述，方案一是較為合適的方案。

4 結(jié)語

該工程通過將風(fēng)冷型直接膨脹式機房精密空調(diào)改造為水冷型，解決了室外機安裝空間不足、噪聲擾民等問題，且提高了空調(diào)系統(tǒng)的能效比，可為數(shù)據(jù)機房的空調(diào)系統(tǒng)擴容改造提供一種參考及借鑒做法。