深圳某绿色低PUE政务数据中心空调系统设计

谭薇薇 邢云梁

1.北京嘉木科瑞科技有限公司

2.深圳市建筑工务署工程设计管理中心

0 引言

在我国提出“3060”双碳目标下，数据中心行业高能耗问题再次受到关注。过去十年间，我国数据中心整体用电量以每年超过10%的速度递增。2018年全年约消耗1 608亿kWh电量[1-2]，到2030年用电量将突破4 000亿kWh，占全社会用电量的比重3.7%，因此，数据中心行业积极践行能效提升，对于我国实现双碳目标意义重大。深圳市政府在2019年就出台了相关政策引导新建数据中心采用绿色先进技术提升数据中心能效，对PUE值低于1.25的数据中心给予最高用能支持。

某绿色低PUE政务数据中心作为深圳市政务数据中心“两地三中心”架构重要节点之一，要在绿色数据中心方面作出表率。该数据中心按深圳市“双一流”绿色政务数据中心进行设计规划，设计PUE值要求小于1.25。但某政务数据中心所处地区气候以及建筑地块狭小的特点，给实现低PUE值的空调系统设计带来了挑战，许多新型高效空调技术应用受到了限制。

1 项目概况及特点

某绿色低PUE政务数据中心扩建项目位于深圳市福田区中心区地段，用地面积狭小，仅有1 727 m2，地上建筑可用单层建筑面积仅837 m2，与常规数据中心采用多层建筑、大面积“平铺式”布局不同。为最大化地发挥土地的社会价值，满足最大机架产出数，该项目建筑规划地上12层/地下1层，采用“垂直式”布局，建设成一座非常规的高层数据中心（见图1）。

图1 某绿色低PUE政务数据中心效果图

某绿色低PUE政务数据中心共设计了926个服务器机柜，单机柜设计功率5 kW。变压器总装机容量为15 200 kVA。冷冻站（制冷主机、水泵、蓄冷罐等）设置在负1层。柴油发电机组设置在1层。动力变配电所分别设置在2层和6层。3层到5层、7到12层分别为数据机房层。

2 数据中心空调系统节能设计

数据中心空调系统一般占整个数据中心20%~30%，提高空调制冷系统制冷效率，降低其运行能耗，对数据中心实现低PUE值意义重大。

某绿色低PUE政务数据中心由于受建筑高度和单层建筑面积的限制，为保证出柜率，在空调制冷系统选择时，未采用对场地空间占用较大的间接蒸发冷却AHU系统[3]，而是采用高温（20/28℃）冷冻水空调系统+直接蒸发冷却多联背板系统相结合的方式。

2.1 空调设计指标优化

根据《GB 50174-2017数据中心设计规范》[1]对某绿色低PUE政务数据中心机房环境温度的要求，将本项目机房冷/热通道设计温度确定为26/38℃，为高温冷冻水空调系统的应用和深圳地区冬季使用室外自然冷源创造了条件。另外，为确保服务器运行安全，末端机柜采用冷热通道封闭形式，杜绝冷热气流短路影响服务器进风温度。

2.2 高温（20/28℃）冷冻水空调系统

高温（20/28℃）冷冻水空调系统负责3至9层机房制冷需求，设计总额定冷量1 950 USRT。该系统主要由磁悬浮变频冷水机组、板式换热器、蓄冷罐、列间空调等设备组成。

1）高温冷冻水设计

采用供回水温度20/28℃冷冻水系统，提高冷冻出水温度和供回水温差，大幅提高空调主机制冷能效，减少冷冻水输送能耗，同时减少不必要的除湿负荷，可节省空调能耗高达30%，节能效果显著。

2）自由冷却板式换热器设计

自由冷却板式换热器设计在北方数据中心已得到普遍应用。在深圳地区，通过提升冷冻水设计温度实现完全或部分使用室外自然冷源供冷5个月以上[4]。系统根据室外湿球温度采用制冷、预冷（部分自由冷却）、完全自由冷却三种运行模式（见表1）。

表1 三种运行模式数据

3）磁悬浮变频冷水机应用

磁悬浮变频冷水机组已有大量应用案例，节能效果显著。数据中心为确保空调系统运行安全性，一般会让冷水机组运行在85%负荷以下，使数据中心应用场景更能发挥磁悬浮变频机组在部分负荷工况下的高制冷效率优势（见图2）。

图2 三种机组运行情况

4）接近空调负荷中心减少输送半径

末端机柜空调采用行间空调，接近服务器机柜热源，减少输送半径，提高冷风输送效率，消除了垂直温度梯度，有利于节能及提高供冷弹性（见图3）。

图3 末端机柜空调采用行间空调

2.3 蒸发冷却多联背板系统

虽然上述高温冷冻水空调系统采用了多种节能设计和节能技术，但单纯使用此方式无法将数据中心PUE值做到1.25以下，所以本项目10至12层采用蒸发冷却多联背板空调系统以满足机房制冷需求。蒸发冷却多联背板空调系统是由磁悬浮氟泵、变频磁悬浮压缩机、蒸发冷却室外机、机柜冷背板组成高效制冷形式[5]（见图4）。

图4 蒸发冷却多联背板系统

背板散热模块为室内机的核心换热部件，其由微通道背板换热器、风机、进出风温度传感器、背板风压力传感器、冷媒流量调节阀、冷媒管出口温度及压力传感器组成（见图5）。

图5 背板散热模块

该制冷系统形式由于只有2次热交换过程，大幅减少换热损失，且可根据室外环境温度自动选择压缩机制冷模式和自然冷却模式（见图6和表2）。在深圳地区全年综合能效COP≥14。

表2 自然冷却和压缩机运行模式数据

图6 蒸发冷却多联机背板系统图

蒸发冷却多联背板空调系统虽然制冷效率非常高，但由于本项目屋顶面积狭小，空间有限，无法全部采用蒸发冷却多联背板空调系统制冷，所以高温冷冻水空调系统+直接蒸发冷却多联背板系统相结合方式是实现某数据中心PUE值低于1.25的最佳选择（见图7）。

图7 高温冷冻水空调系统+直接蒸发冷却多联背板系统

本数据中心除空调系统采用新型高效制冷设计和设备外，电气方面采用了I级能效干式变压器、变配电接近负荷减少损耗、LED照明等节能手段，最终实现某数据中心PUE值达到1.248。

3 结语

本文以深圳某绿色低PUE政务数据中心项目为实例，介绍了在华南地区实现高层数据中心超低PUE的空调系统设计思路及技术手段，以期为暖通设计人员进行同类项目的空调设计规划时提供帮助和参考。