深圳某綠色低PUE政務數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)設計

譚薇薇 邢云梁

1.北京嘉木科瑞科技有限公司

2.深圳市建筑工務署工程設計管理中心

0 引言

在我國提出“3060”雙碳目標下，數(shù)據(jù)中心行業(yè)高能耗問題再次受到關注。過去十年間，我國數(shù)據(jù)中心整體用電量以每年超過10%的速度遞增。2018年全年約消耗1 608億kWh電量[1-2]，到2030年用電量將突破4 000億kWh，占全社會用電量的比重3.7%，因此，數(shù)據(jù)中心行業(yè)積極踐行能效提升，對于我國實現(xiàn)雙碳目標意義重大。深圳市政府在2019年就出臺了相關政策引導新建數(shù)據(jù)中心采用綠色先進技術提升數(shù)據(jù)中心能效，對PUE值低于1.25的數(shù)據(jù)中心給予最高用能支持。

某綠色低PUE政務數(shù)據(jù)中心作為深圳市政務數(shù)據(jù)中心“兩地三中心”架構重要節(jié)點之一，要在綠色數(shù)據(jù)中心方面作出表率。該數(shù)據(jù)中心按深圳市“雙一流”綠色政務數(shù)據(jù)中心進行設計規(guī)劃，設計PUE值要求小于1.25。但某政務數(shù)據(jù)中心所處地區(qū)氣候以及建筑地塊狹小的特點，給實現(xiàn)低PUE值的空調系統(tǒng)設計帶來了挑戰(zhàn)，許多新型高效空調技術應用受到了限制。

1 項目概況及特點

某綠色低PUE政務數(shù)據(jù)中心擴建項目位于深圳市福田區(qū)中心區(qū)地段，用地面積狹小，僅有1 727 m2，地上建筑可用單層建筑面積僅837 m2，與常規(guī)數(shù)據(jù)中心采用多層建筑、大面積“平鋪式”布局不同。為最大化地發(fā)揮土地的社會價值，滿足最大機架產出數(shù)，該項目建筑規(guī)劃地上12層/地下1層，采用“垂直式”布局，建設成一座非常規(guī)的高層數(shù)據(jù)中心（見圖1）。

圖1 某綠色低PUE政務數(shù)據(jù)中心效果圖

某綠色低PUE政務數(shù)據(jù)中心共設計了926個服務器機柜，單機柜設計功率5 kW。變壓器總裝機容量為15 200 kVA。冷凍站（制冷主機、水泵、蓄冷罐等）設置在負1層。柴油發(fā)電機組設置在1層。動力變配電所分別設置在2層和6層。3層到5層、7到12層分別為數(shù)據(jù)機房層。

2 數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)節(jié)能設計

數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)一般占整個數(shù)據(jù)中心20%~30%，提高空調制冷系統(tǒng)制冷效率，降低其運行能耗，對數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)低PUE值意義重大。

某綠色低PUE政務數(shù)據(jù)中心由于受建筑高度和單層建筑面積的限制，為保證出柜率，在空調制冷系統(tǒng)選擇時，未采用對場地空間占用較大的間接蒸發(fā)冷卻AHU系統(tǒng)[3]，而是采用高溫（20/28℃）冷凍水空調系統(tǒng)+直接蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板系統(tǒng)相結合的方式。

2.1 空調設計指標優(yōu)化

根據(jù)《GB 50174-2017數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》[1]對某綠色低PUE政務數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境溫度的要求，將本項目機房冷/熱通道設計溫度確定為26/38℃，為高溫冷凍水空調系統(tǒng)的應用和深圳地區(qū)冬季使用室外自然冷源創(chuàng)造了條件。另外，為確保服務器運行安全，末端機柜采用冷熱通道封閉形式，杜絕冷熱氣流短路影響服務器進風溫度。

2.2 高溫（20/28℃）冷凍水空調系統(tǒng)

高溫（20/28℃）冷凍水空調系統(tǒng)負責3至9層機房制冷需求，設計總額定冷量1 950 USRT。該系統(tǒng)主要由磁懸浮變頻冷水機組、板式換熱器、蓄冷罐、列間空調等設備組成。

1）高溫冷凍水設計

采用供回水溫度20/28℃冷凍水系統(tǒng)，提高冷凍出水溫度和供回水溫差，大幅提高空調主機制冷能效，減少冷凍水輸送能耗，同時減少不必要的除濕負荷，可節(jié)省空調能耗高達30%，節(jié)能效果顯著。

2）自由冷卻板式換熱器設計

自由冷卻板式換熱器設計在北方數(shù)據(jù)中心已得到普遍應用。在深圳地區(qū)，通過提升冷凍水設計溫度實現(xiàn)完全或部分使用室外自然冷源供冷5個月以上[4]。系統(tǒng)根據(jù)室外濕球溫度采用制冷、預冷（部分自由冷卻）、完全自由冷卻三種運行模式（見表1）。

表1 三種運行模式數(shù)據(jù)

3）磁懸浮變頻冷水機應用

磁懸浮變頻冷水機組已有大量應用案例，節(jié)能效果顯著。數(shù)據(jù)中心為確?？照{系統(tǒng)運行安全性，一般會讓冷水機組運行在85%負荷以下，使數(shù)據(jù)中心應用場景更能發(fā)揮磁懸浮變頻機組在部分負荷工況下的高制冷效率優(yōu)勢（見圖2）。

圖2 三種機組運行情況

4）接近空調負荷中心減少輸送半徑

末端機柜空調采用行間空調，接近服務器機柜熱源，減少輸送半徑，提高冷風輸送效率，消除了垂直溫度梯度，有利于節(jié)能及提高供冷彈性（見圖3）。

圖3 末端機柜空調采用行間空調

2.3 蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板系統(tǒng)

雖然上述高溫冷凍水空調系統(tǒng)采用了多種節(jié)能設計和節(jié)能技術，但單純使用此方式無法將數(shù)據(jù)中心PUE值做到1.25以下，所以本項目10至12層采用蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板空調系統(tǒng)以滿足機房制冷需求。蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板空調系統(tǒng)是由磁懸浮氟泵、變頻磁懸浮壓縮機、蒸發(fā)冷卻室外機、機柜冷背板組成高效制冷形式[5]（見圖4）。

圖4 蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板系統(tǒng)

背板散熱模塊為室內機的核心換熱部件，其由微通道背板換熱器、風機、進出風溫度傳感器、背板風壓力傳感器、冷媒流量調節(jié)閥、冷媒管出口溫度及壓力傳感器組成（見圖5）。

圖5 背板散熱模塊

該制冷系統(tǒng)形式由于只有2次熱交換過程，大幅減少換熱損失，且可根據(jù)室外環(huán)境溫度自動選擇壓縮機制冷模式和自然冷卻模式（見圖6和表2）。在深圳地區(qū)全年綜合能效COP≥14。

表2 自然冷卻和壓縮機運行模式數(shù)據(jù)

圖6 蒸發(fā)冷卻多聯(lián)機背板系統(tǒng)圖

蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板空調系統(tǒng)雖然制冷效率非常高，但由于本項目屋頂面積狹小，空間有限，無法全部采用蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板空調系統(tǒng)制冷，所以高溫冷凍水空調系統(tǒng)+直接蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板系統(tǒng)相結合方式是實現(xiàn)某數(shù)據(jù)中心PUE值低于1.25的最佳選擇（見圖7）。

圖7 高溫冷凍水空調系統(tǒng)+直接蒸發(fā)冷卻多聯(lián)背板系統(tǒng)

本數(shù)據(jù)中心除空調系統(tǒng)采用新型高效制冷設計和設備外，電氣方面采用了I級能效干式變壓器、變配電接近負荷減少損耗、LED照明等節(jié)能手段，最終實現(xiàn)某數(shù)據(jù)中心PUE值達到1.248。

3 結語

本文以深圳某綠色低PUE政務數(shù)據(jù)中心項目為實例，介紹了在華南地區(qū)實現(xiàn)高層數(shù)據(jù)中心超低PUE的空調系統(tǒng)設計思路及技術手段，以期為暖通設計人員進行同類項目的空調設計規(guī)劃時提供幫助和參考。