極寒缺水條件下數(shù)據(jù)中心暖通系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)研究

高黎駿

（上海市安裝工程集團(tuán)有限公司，上海 200080）

0 引言

2020年以來，為滿足高質(zhì)量發(fā)展要求，國家開始大力發(fā)展新基建。未來幾年，全國各地將在新基建領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，作為新基建重要內(nèi)容的大數(shù)據(jù)中心建設(shè)亦將如火如荼地進(jìn)行[1]。近來，國家部委、地方政府委辦局密集出臺了大量關(guān)于建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心，降低數(shù)據(jù)中心PUE的政策性文件[2]。由于數(shù)據(jù)中心整年均處于熱負(fù)荷的空調(diào)運(yùn)行工況，為了降低PUE，數(shù)據(jù)中心往往選址于嚴(yán)寒且偏離城市中心區(qū)的地區(qū)[3]，在施工及調(diào)試過程中，常面臨在極寒條件下進(jìn)行空調(diào)制冷工況的調(diào)試[4]。做好極寒條件下的暖通制冷調(diào)試，總結(jié)相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，不僅可供今后相似條件下的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目施工借鑒，同時(shí)也對其他類型的北方項(xiàng)目具有一定的參考價(jià)值，可提高該領(lǐng)域相關(guān)項(xiàng)目的施工競爭力。

1 項(xiàng)目概況

背景工程云計(jì)算數(shù)據(jù)中心位于河北省張家口市張北縣中都草原，項(xiàng)目地處北方高原，冬季溫度最低至-30℃，嚴(yán)冬長達(dá)6個(gè)月且西北風(fēng)強(qiáng)烈，周邊無市政給排水但是有大量風(fēng)力發(fā)電。該項(xiàng)目選址環(huán)境有利于降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營能耗，但對于施工來說則十分不利。項(xiàng)目建筑面積2萬m2，作為A級數(shù)據(jù)中心，采用2（N+1）雙系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行（即采用雙路市電電源沿不同路由入戶，樓內(nèi)互備使用，末端需要不間斷供電的設(shè)備電源經(jīng)UPS供電）、高壓直流系統(tǒng)、風(fēng)冷式冷水機(jī)組冷源系統(tǒng)。項(xiàng)目開工時(shí)間為2020年7月，竣工時(shí)間為2021年3月30日，根據(jù)施工進(jìn)度安排，項(xiàng)目調(diào)試工作于2020年12月上旬開始，至2021年1月中旬結(jié)束，期間正處于張北縣地區(qū)最寒冷的時(shí)節(jié)。

2 極寒環(huán)境調(diào)試的條件分析

2.1 項(xiàng)目工期及經(jīng)濟(jì)綜合條件

項(xiàng)目工期緊張，第二年開春必須達(dá)到竣工及投產(chǎn)使用的目標(biāo)，而冬季施工及暖通調(diào)試工作無法避開嚴(yán)冬天氣，故必須有經(jīng)過審核的極寒條件下暖通系統(tǒng)調(diào)試的專項(xiàng)方案。另一方面，極寒缺水條件下的施工和調(diào)試會造成大量人力、物力成本的增加，并伴隨一定的風(fēng)險(xiǎn)成本，故還需做好經(jīng)濟(jì)成本預(yù)算分析和控制。

2.2 調(diào)試期間項(xiàng)目場地環(huán)境條件分析

（1）水源條件：項(xiàng)目位置偏遠(yuǎn)且無市政給排水，空調(diào)系統(tǒng)采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，平時(shí)運(yùn)行時(shí)依靠深井泵補(bǔ)水，但水量并不能滿足調(diào)試階段沖洗及測試需求，故暖通調(diào)試所需水源需要外運(yùn)外排，進(jìn)水需要提供生活水水質(zhì)報(bào)告，以達(dá)到?jīng)_洗管道的要求。排水需確定排水點(diǎn)，且需具備污水站排水資質(zhì)，尤其是化學(xué)藥劑的清洗和鍍膜階段的排水，必須確保排至指定的污水站處理。由于沒有市政排水系統(tǒng)，故該工程系統(tǒng)排水先排放至室外總體的污水池，再由污水站安排污水運(yùn)輸車來抽取，運(yùn)至指定的污水站處理。

（2）封閉及采暖條件：樓體已經(jīng)具備外墻封閉的條件，采取內(nèi)部加熱措施。樓體外部暖通管路經(jīng)過的區(qū)域，檢查封閉條件，配合使用采暖設(shè)備，保證管道經(jīng)過區(qū)域的環(huán)境溫度能達(dá)到零度以上。部分保溫措施如圖1所示。

圖1 新風(fēng)口、空調(diào)機(jī)房及出入口的保溫措施

（3）市政送電條件：若市政電尚未送達(dá)，需配備獨(dú)立穩(wěn)定的額外電源，滿足調(diào)試需求。

（4）熱負(fù)荷條件：在極寒條件下進(jìn)行暖通系統(tǒng)的調(diào)試，冷機(jī)的啟動(dòng)需要足夠的熱負(fù)荷。

3 極寒條件下暖通調(diào)試的技術(shù)措施

3.1 暖通管道的試壓

極寒條件下，一旦管道漏水，管道內(nèi)的水將無法進(jìn)行整體循環(huán)，極易造成管道內(nèi)水發(fā)生冰凍現(xiàn)象，導(dǎo)致管道損壞從而影響工期及增加成本。并且該項(xiàng)目沒有市政水源，向外采購調(diào)試用水的成本本來就比較高，一旦管道嚴(yán)密性不夠造成漏水，此部分水便無法重復(fù)利用，將造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。為避免漏水問題，應(yīng)先采用氣體測試管道密封性，經(jīng)氣壓檢查后再注水試壓。

3.2 樓體整體采暖

為保障樓內(nèi)的溫度兼顧安全性，且考慮到采暖效果、成本，對成品設(shè)備的保護(hù)和運(yùn)行的穩(wěn)定性等因素，優(yōu)先采用安全性高的電加熱設(shè)備。項(xiàng)目在調(diào)試初期，由于市政用電尚未正式送入，采用小型的燃油加熱設(shè)備（圖2），單個(gè)功率為100kW，可避免敷設(shè)燃油管道。在使用過程中，需在設(shè)備口布置臨時(shí)圍擋，安排專人看護(hù)。由于燃油加熱器的油箱不大，全天需安排人員定時(shí)加油，否則油量不足會發(fā)生中斷供暖的情況。后期正式送電后，及時(shí)調(diào)整為電加熱設(shè)備（圖3），功率在40～80kW之間，根據(jù)使用位置，布置專用的臨時(shí)電纜和臨時(shí)電箱。采暖期間在關(guān)鍵位置設(shè)置溫度監(jiān)控點(diǎn)，安排專人巡檢，并在附近設(shè)置滅火器。

圖2 燃油加熱器

圖3 電加熱風(fēng)扇

3.3 樓外管道保暖措施

項(xiàng)目地處北方，冬季溫度非常低，在所有室外管道及靠近通道門口位置的管道都設(shè)有電伴熱系統(tǒng)，分區(qū)域單獨(dú)設(shè)置電伴熱箱。電伴熱帶的布置采用螺旋纏繞法，確保管道均勻受熱；在系統(tǒng)設(shè)置上，確保管道內(nèi)的水溫始終在5℃以上，檢查調(diào)試室外管道及靠近進(jìn)出口處的管道電伴熱和保溫設(shè)施，臨時(shí)進(jìn)水管也需設(shè)置電伴熱和保溫設(shè)施。

3.4 系統(tǒng)沖洗循環(huán)保證措施

該項(xiàng)目根據(jù)模塊機(jī)房的使用分為A、B兩個(gè)系統(tǒng)，單個(gè)系統(tǒng)自成回路，冷源為6+1臺風(fēng)冷式冷水機(jī)組，設(shè)置在屋面上。采用二級泵系統(tǒng)，一級泵與冷機(jī)一一對應(yīng)，二級泵3+1+1臺，并設(shè)置一座備用冷源蓄冷罐及其他附屬設(shè)備，如定壓裝置、加藥裝置、水處理裝置等。因項(xiàng)目外部送水并不穩(wěn)定，如果水量不足不能充滿管道，則無法及時(shí)穩(wěn)定完成系統(tǒng)循環(huán)，且若中途斷水導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)行，易產(chǎn)生管道凍裂現(xiàn)象。故利用系統(tǒng)自帶的蓄冷罐作為臨時(shí)儲水點(diǎn)，單個(gè)蓄冷罐的儲水量為318m3，蓄冷罐自帶電伴熱帶，可確保其內(nèi)水源溫度不低于5℃。外部采購的水源先全部注入蓄冷罐內(nèi)，待蓄冷罐內(nèi)水量充足后，利用臨時(shí)接管連通蓄冷罐的排水管和系統(tǒng)快速補(bǔ)水口，快速往系統(tǒng)內(nèi)注水，盡快完成系統(tǒng)沖洗循環(huán)。中溫冷凍水系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 中溫冷凍水系統(tǒng)原理圖

考慮到蓄冷罐水量無法滿足系統(tǒng)整體沖洗循環(huán)用水量，采取分區(qū)循環(huán)的方式，將冷站的內(nèi)循環(huán)管路及對應(yīng)冷機(jī)的一級泵回路先一步循環(huán)，二級泵系統(tǒng)對應(yīng)的末端空調(diào)設(shè)備區(qū)可以分為一層的變電所環(huán)路及二層的包間空調(diào)區(qū)環(huán)路，彼此可以單獨(dú)逐個(gè)進(jìn)行沖洗循環(huán)（圖5）。

圖5 外部采購水源向蓄冷罐儲水

需要注意的是，在沖洗循環(huán)及加藥鍍膜的過程中會涉及多次排水注水，而由于冷機(jī)至冷站內(nèi)循環(huán)管路是與一級泵一一對應(yīng)的，如果一臺水泵出現(xiàn)故障，相應(yīng)的冷機(jī)管路必然水流量不足，室外管道內(nèi)若有大量存水則極易造成管道凍壞，故每次注水都需要嚴(yán)格計(jì)算水量并密切觀察水泵的狀態(tài)及水溫。

3.5 設(shè)備旁通切斷

在調(diào)試過程中，還需考慮設(shè)備與系統(tǒng)的切斷。在系統(tǒng)循環(huán)沖洗和加藥鍍膜未完成前，為避免設(shè)備內(nèi)的銅管受影響，需在設(shè)備前端設(shè)置臨時(shí)旁通，包括冷機(jī)、末端空調(diào)設(shè)備。作為系統(tǒng)臨時(shí)補(bǔ)水的蓄冷罐，在補(bǔ)水完成后也應(yīng)當(dāng)及時(shí)關(guān)閉臨時(shí)補(bǔ)水管閥門。

3.6 設(shè)置溫度和流量監(jiān)測儀表

該項(xiàng)目運(yùn)行工況是全年冷負(fù)荷的狀態(tài)，冷機(jī)的運(yùn)行工況始終保持在有熱負(fù)載的狀態(tài)下。設(shè)備本身的使用環(huán)境溫度相對較差，例如冷機(jī)的所在位置是室外屋頂，因此配置了內(nèi)部電伴熱系統(tǒng)，并配溫度感應(yīng)元件，由設(shè)備自身根據(jù)環(huán)境溫度啟用。

沖洗過程中需確保水溫至少不低于5℃，尤其需監(jiān)測末端過濾器前后的壓差、水溫，以防末端管路阻塞，水流循環(huán)不暢，出現(xiàn)管道凍裂現(xiàn)象。因此，在系統(tǒng)關(guān)鍵部位設(shè)置溫度和流量監(jiān)測儀表，以監(jiān)測水溫和水流量通路情況。如表1和表2所示，在沖洗過程中，各監(jiān)測點(diǎn)的溫度都在5℃以上，且溫度和流量都非常穩(wěn)定，表明前期的保溫和疏通檢查工作比較到位。

表1 沖洗過程中各監(jiān)測點(diǎn)溫度統(tǒng)計(jì)表

表2 沖洗過程中各監(jiān)測點(diǎn)流量統(tǒng)計(jì)表

水質(zhì)達(dá)標(biāo)，水系統(tǒng)進(jìn)設(shè)備前，再次檢查設(shè)備前端的過濾器，設(shè)備自身的電加熱系統(tǒng)調(diào)試完畢，電加熱啟動(dòng)后才可進(jìn)水。此外，設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)的銅管管徑更小，保溫措施更少，極易產(chǎn)生凍裂現(xiàn)象，故設(shè)備的電加熱及管理必須保持正常狀態(tài)。

3.7 系統(tǒng)末端配置假負(fù)載

數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目全年需要供冷，所以在調(diào)試時(shí)為了模擬后期的使用工況，會在末端機(jī)柜處配置假負(fù)載，在提供電路負(fù)載的同時(shí)，也能提供空調(diào)測試的熱負(fù)載，模擬空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行工況。機(jī)房包間的熱負(fù)載主要來自IT機(jī)柜的運(yùn)行散熱，所以在假負(fù)載布置時(shí)，需要保證單根熱通道的熱負(fù)載相同，并且在熱通道無封閉處設(shè)置臨時(shí)封閉（圖6）。圖7為中溫水系統(tǒng)示意圖，每8臺空調(diào)箱服務(wù)1個(gè)機(jī)房包間，每個(gè)包間有10列IT機(jī)柜，機(jī)柜之間通道為冷通道和熱通道相間排列。

圖6 通道處臨時(shí)封閉處理

圖7 中溫水系統(tǒng)圖

嚴(yán)禁在無熱負(fù)載的情況下調(diào)試新風(fēng)模式，調(diào)試新風(fēng)模式過程中應(yīng)時(shí)刻注意機(jī)房包間的溫度。全新風(fēng)/半新風(fēng)模式會導(dǎo)致設(shè)備區(qū)域溫度急速下降，因此需要時(shí)刻觀察空調(diào)區(qū)域的溫度和空調(diào)水溫度，保證一定的熱負(fù)載作為溫度的提升源，否則極易造成暖通系統(tǒng)整體凍壞。

以包間一1模塊機(jī)房為例，每列機(jī)柜布置12臺12.5kW的假負(fù)載，10列機(jī)柜共計(jì)120臺。機(jī)柜間通道在全回風(fēng)模式下的空調(diào)工況如表3所示，機(jī)房內(nèi)空調(diào)箱運(yùn)行參數(shù)如表4所示。

表3 全回風(fēng)模式下機(jī)柜間通道的空調(diào)工況

表4 全回風(fēng)模式下空調(diào)箱的運(yùn)行工況

4 結(jié)語

在極寒缺水條件下進(jìn)行暖通系統(tǒng)調(diào)試，需長期維持室內(nèi)環(huán)境溫度，消耗大量的燃油和電力。在運(yùn)行過程中對環(huán)境溫度、水流量、水溫的額外觀測記錄，需耗費(fèi)大量的人力。末端所需的假負(fù)載、熱負(fù)載，也是一筆昂貴的費(fèi)用，再加上在調(diào)試過程中面臨的風(fēng)險(xiǎn)問題，在極寒條件下調(diào)試面臨諸多困難。但是如果能夠做好成本、風(fēng)險(xiǎn)和成果的平衡，將帶來可觀的效益。本文通過分析不利條件下暖通系統(tǒng)調(diào)試的技術(shù)措施，提出以下建議：

（1）極寒條件下數(shù)據(jù)中心的暖通系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)將保暖措施放在首位，利用采暖設(shè)備保證環(huán)境溫度大于5℃，室外區(qū)域保證電伴熱系統(tǒng)的穩(wěn)定使用；

（2）極寒缺水條件下數(shù)據(jù)中心的暖通調(diào)試應(yīng)確保充足的水源，注意系統(tǒng)運(yùn)行通暢，保證水流量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，避免局部管道堵塞；

（3）極寒條件下數(shù)據(jù)中心的暖通調(diào)試還應(yīng)在系統(tǒng)末端保證相應(yīng)的熱源，必要時(shí)可設(shè)置假負(fù)載，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的運(yùn)行工況。

在北方一些地區(qū)，冬季的持續(xù)時(shí)間可能有半年之久，工程建設(shè)中及時(shí)的調(diào)試能節(jié)約半年的工期，做好極寒條件下的調(diào)試工作將提高工程整體效益。此外，本文提出的技術(shù)措施對寒冬搶險(xiǎn)類項(xiàng)目的調(diào)試運(yùn)行也具有一定的借鑒意義。