寒冷地区某银行数据中心空调系统分析与设计

颜晓光 王 波 吴双云

（1.北京首钢国际工程技术有限公司 北京 100041；2.首钢京唐钢铁联合有限责任公司 唐山 063000）

0 前言

数据中心制冷系统能耗约占整个数据中心能耗的30～45%，降低制冷系统能耗是提高数据中心能源利用效率的必然途径。据统计，国外数据中心的PUE 值约为2.0[3]，国际上先进数据中心的PUE值可达到1.7 以下。而我国数据中心的PUE 值普遍高于2.0，特别是中小规模的数据中心，PUE 测量值在2.5 左右。国内数据中心在前期规划设计时对节能问题考虑不足，在影响数据中心能源消耗的重要环节—空调制冷环节上设计深度不足、方案选择不合理是导致PUE 值偏高的重要原因。

数据中心全年运行，根据国内外的运行经验，根据所在地的气候条件，充分利用自然冷源进行冷却，是降低制冷系统能耗的最直接、有效手段。因此，数据中心在规划设计阶段能因地制宜的正确选择空调制冷方案极为关键。

1 数据中心制冷与空调设计要求

本数据中心位于内蒙古包头市，为某银行数据中心，设置在银行办公楼内，按A 级数据中心进行设计。数据中心主机房区分为网络区、PC 服务器区和存储/小机区，网络区布置在单独的房间内，共设置部署网络机柜38 台；PC 服务器区和存储/小机区布置在同一房间内，部署服务器机柜96 台，部署存储机柜和小型机共32 台。布置如图1 所示。

本数据机房为A 级数据机房，可靠性和可用性等级要求较高，依据《数据中心设计规范》的要求，机柜进风区域的温度应为18℃～27℃，相对湿度度≤60%，制冷与空调系统应满足最大散热量的需求，且应设置冗余，任一组件故障或维护时，不应影响电子信息设备的正常运行。

2 数据机房冷负荷分析

根据本项目数据中心所处位置及内部设施情况，其空调冷负荷主要包含：机房内设备散热、照明散热、建筑围护结构得热（包含通过外窗进入的太阳辐射热）、人员散热、新风负荷及新风和人体散湿的潜热。空调冷负荷计算值如表1 所示。

根据表1 分析，数据机房冷负荷主要由设备散热、围护结构、新风负荷产生，设备散热占比在75%以上，围护结构得热和新风负荷占15%～20%，显热冷负荷和潜热冷负荷分别占总负荷的93.2%和95.4%。说明数据机房的负荷变化主要受设备运行状态的影响，室外环境对其影响有限。

3 气流组织方案的分析与设计

数据机房的气流组织是保证数据中心可靠运行、节能降耗的关键点。现代化的数据中心已普遍采用机柜面对面或背对背的冷热通道分离的布置方式，可以提高冷风的利用率，是简单易行的节能手段。如将冷通道或热通道封闭，可以避免冷、热气流的短路，将有效提升送回风温差，进一步提升冷风的利用率和制冷机的效率。

数据中心常用气流组织形式主要有下送风+冷（热）通道、上送风+风管+冷池、行间空调+冷池的方式，详见图2～图5。其特点及适用条件如表2 所示。

图2 地板下送风+冷通道Fig.2 Under-floor air supply+cold channel

图3 地板下送风+热通道Fig.3 Under-floor air supply+hot channel

图4 上送风+风管+冷通道Fig.4 Upper air supply+cold channel

图5 行间空调+冷通道Fig.5 Inter row air conditioning+cold channel

表2 气流组织形式及特点Table 2 Air distribution form and characteristics

通过对比分析，地板下送风+封闭冷通道的形式具有热损失小、布置美观，易于维护等优点，可适应高热密度机房，得到广泛应用。本工程机柜的单机功率密度3～5kW，机房具备设置架空地板的条件，采用地板下送风+封闭冷通道的气流组织形式。设计送、回风温差为10℃，网络区空调系统循环风量为35700m3/h，服务器区空调系统循环风量为141900m3/h。架空地板采用模块化高架地板，空间高度600mm。送风口采用全钢通风格栅，具备手动调节开度的功能，通风面积0～80%范围可调。

在机柜前端设置温度传感器，根据机柜前端的温度要求自动调节空调机组的风机转速，调节空气流量，匹配机柜的制冷需求。同时设置压力控制平衡系统，在地板下设置压力传感器，将地板下气压维持在额定压力范围内（20～80Pa），优化系统的效率，有效避免热点的产生。

4 制冷方案的分析与设计

数据中心全年运行，利用自然冷却，降低运行能耗是数据中心发展趋势。现有的自然冷却技术可以分为两大类：空气侧自然冷却和水侧自然冷却。每类自然冷却方式又可以分成若干不同类型，如表3 所示。

表3 自然冷却方式分类Table 3 Classification of natural cooling modes

数据中心制冷方案的选择应考虑的主要因素：（1）所处地理位置和该地区的全年气候条件；（2）数据中心热环境的要求；（3）不同自然冷却技术的适用范围，能达到的节能效益；（4）数据中心的规模及建设条件。

本项目地处内蒙古包头市，按照我国建筑气候分区，属于严寒地区，一月平均气温≤-10℃，7月平均气温≤25℃，7月平均相对湿度≥50%，图6 为其全年气温分布的统计，其中的干球温度来自DEST 模拟软件中的气象参数（取距离最近的呼和浩特市气象参数），湿球温度为根据DEST 软件中的干球温度、湿度等参数经计算得出。

图6 当地全年气温分布Fig.6 Local annual temperature distribution

根据全年气温分布分析，该地区全年10℃以下的时间约占全年的57%，湿球温度低于2℃的时间占全年的41%，全年具有较长的时间可采用自然冷却。考虑本项目的特点及可靠性要求，可供选择的制冷方案主要有带自然冷却的风冷冷水机组、带自然冷却的干式水冷直膨机组（干冷器+机组双盘管）、制冷剂自然冷却机组及冷却塔间接自然冷却系统，本文主要将这四种方案进行阐述。制冷方案的原理如图7～图10 所示，各种方案的特点如表4所示。

图7 带自然冷却的风冷冷水机组Fig.7 Air cooled chiller with natural cooling

图8 带自然冷却的干式水冷直膨机组Fig.8 Dry type water cooled air conditioner with natural cooling

图9 制冷剂自然冷却Fig.9 Natural cooling of refrigerant

图10 冷却塔间接自然冷却Fig.10 Indirect natural cooling of cooling tower

表4 各种空调系统的特点Table 4 Characteristics of various air conditioning systems

续表4 各种空调系统的特点

上述四种方案均能实现全压缩制冷、压缩制冷与自然冷却混合制冷、全自然冷却，但由于设计上的差异，每种方案的切换控制存在较大差异。表5为各种系统全年运行的分析统计，切换控制根据目前常用设备的切换控制方式确定，冷水机组按照机组出水温度10℃，回水温度15℃考虑。

表5 各空调系统全年运行分析Table 5 Annual operation analysis of each air conditioning system

根据上述分析，采用带自然冷却的干式水冷直膨机组的方案全自然冷却时间最长，制冷剂自然冷却的方案全压缩制冷的时间最短，这两种方案在中小型数据中心中使用具有较大的优势，本数据中心所在地区冬季气候较低，选用具有更高运行稳定性的带自然冷却的干式风冷直膨机组，采用乙二醇溶液作为循环液，有效解决冬季防冻问题。制冷原理如图3-7 所示。

本工程空调按照N+1 的冗余进行配置，网络区设置3 台精密空调，服务器区设置7 台精密空调。设备参数如表6 所示。

表6 精密空调参数Table 6 Precision air conditioning parameters

当室外温度tw＞18℃时，机组纯机械制冷模式运行，仅制冷剂回路制冷，乙二醇回路仅冷却制冷系统的冷凝器。当12℃＜tw≤18℃时，机组采用机械+自然冷却的混合模式运行，乙二醇在制冷盘管中循环，制冷剂回路和乙二醇回路同时制冷，减少压缩机的功耗。当室外温度tw≤12℃时，机组纯自然冷却模式运行，乙二醇回路全部通过制冷盘管实现制冷，压缩机制冷系统就会完全关闭，其中8℃＜tw≤12℃时系统可根据需要自动将备用机组投入工作。

该工程总冷负荷约657kW，新风由双冷源新风机组处理（本文不详细介绍），预计空调全年平均负荷约600kW。根据该种空调在不同室外温度条件下的能效比及不同工况的运行时间，经专业空调商模拟计算，预测固定制冷量为600kW 时的全年制冷耗电量为94.4 万kWh，与采用传统风冷空调相比每年可节省41.9%的电耗，全年空调能耗预测分布如图11 所示。

图11 全年空调能耗分布预测Fig.11 Annual air conditioning energy consumption forecast

5 结语

（1）数据机房冷负荷主要由设备散热产生，占总冷负荷的75%以上，冷负荷的变化主要受IT设备实际运行的负载率影响。冷负荷几乎全部为显热冷负荷，占总负荷的90%以上。

（2）数据机房气流组织的设计应避免热气流和冷气流的短路，一方面可提高冷气流的利用率，另一方面可提高空调回风温度，从而提高空调制冷效率。对于高热密度机房应采用封闭冷通道的气流组织形式。

（3）冷却方案的确定应考虑数据中心全年运行特点，结合当地的气候特点，采取可行的自然冷却方案，节省全年运行能耗。为延长使用自然冷却的时间，有条件时应提高空调送风温度及冷冻水供水温度。

（4）根据分析，本项目采用带自然冷却的干式水冷直膨机组，全年有57.9%的时间采用完全自然冷却，与采用传统风冷空调相比每年可节省41.9%的电耗。

（5）寒冷地区，采用带自然冷却的干式水冷直膨机组，具有较好的节能效益，制冷回路采用乙二醇溶液能够适应冬季的低温环境，运行稳定性高。