高效節能雙冷源空調架構在某新建DC中的應用

　　隨著網際網路、通訊、金融等行業的發展，資料中心產業邁入高質量發展新階段，在國家“雙碳”戰略目標和“東數西算”工程的有力指引下，資料中心加快向創新技術、強大算力、超高能效為特徵的方向演進。資料中心已經成為支撐經濟社會數字化轉型必不可少的“算力地基”，是數字經濟蓬勃發展的重要引擎。

　　資料中心作為高顯熱的大型計算機房，IT裝置全年散熱能耗巨大。根據Uptime最新報告指出，全球大型資料中心年均PUE為1.59，其中空調系統的能耗佔比大於30%。空調系統能耗是制約資料中心PUE值的關鍵因素，透過空調系統架構的創新，降低空調系統能耗，是未來資料中心走向綠色低碳方向發展恆久的主題。

　　本文針對國內某新建大型資料中心專案，提出了一種高效節能的冷源空調架構。

　　 01 專案概況

　　專案位於夏熱冬冷地區，建築面積約2萬平方米，從建築規模上可以歸類為大型資料中心

　　 02 原理概述

　　系統主要裝置包括：冷卻塔、冷水機組、迴圈水泵、蓄冷罐、雙盤管空調末端等。

　　 03 冷源系統

　　1）冷源配置

　　冷源系統按照《資料中心設計規範》A級標準設計。設定4套製冷單元為末端空調提供冷水，製冷單元3+1套冗餘配置，由冷水機組提供冷凍水作為主冷源，冷卻塔提供冷卻水作為預冷冷源，冷卻塔布置於建築屋面。冷凍水系統和冷卻水系統的介質均採用軟化水，定壓補水分別採用各自的自動定壓補水排氣裝置，補水來自生產加壓給水。

　　2）管網形式

　　冷凍水和冷卻水系統均採用一次泵變流量系統。冷凍水變頻迴圈泵、冷卻水變頻迴圈泵與變頻離心式冷水機組採用一對一形式，冷卻水泵和冷卻塔採用一對多形式，冷卻水泵採用並聯執行方式。

　　冷凍水系統和冷卻水系統的主幹管都採用環狀管網形式，保證單點故障時系統的正常執行，兩個系統均可以根據末端IT裝置的冷負荷變化，進行流量調節，達到供水引數的穩定及節能的目的。

　　3）連續製冷

　　為保證資料中心的連續供冷，保證冷凍水系統和冷卻水系統的供冷可靠性，防止突然停電或機器故障引起製冷系統中斷事故，造成資料中心機房的送風溫度急劇升高，使伺服器高溫當機，影響業務安全，故而在冷凍水系統的供水環路上串聯設定閉式蓄冷罐，蓄冷罐總的供應冷凍水時間為15分鐘，與UPS後備電源蓄電時間相同，蓄冷罐佈置於一層室外地面。另外，在地下一層設定冷卻水系統的補水池、軟化水處理裝置和變頻供水機組，為屋面上的方形閉式冷卻塔進行補水，補水池的有效儲水量可以滿足冷卻塔12小時的補水用量。當市政自來水停水時，可以透過後備儲水池支撐製冷系統連續12小時不間斷執行。

　　 04 末端系統

　　1）末端配置

　　IT機房內設定雙盤管空調末端，N+1冗餘配置，用於IT伺服器的製冷，送風采用瀰漫送風形式。

　　2）氣流組織

　　空調裝置送出的冷風透過百葉風牆至IT機櫃冷通道內，封閉熱通道，熱迴風經過吊頂回至空調裝置。此水平置換送風的氣流組織，改變了傳統地板下送風、上送風和水平行級送風等形式，熱通道封閉，提高了IT機房整體熱流密度，氣流組織更優，且無需架空地板，降本增效。另外，採用瀰漫送風形式，可以最大化利用機房的空間，相比於同製冷量的其他形式精密空調，單位冷量下的佔地面積更小，供冷密度更高，透過密排佈置，更容易實現後期擴充套件，方便部署，尤其適用於大型資料中心高密度部署，適應更高伺服器機架的設計。氣流組織和氣流場如圖1、圖2所示。　　

圖1 機房氣流組織示意圖　　

圖2 機房CFD氣流場和溫度場模擬結果

　　3）末端形式

　　空調裝置的冷源接管採用雙盤管形式。第一道盤管的冷媒為冷卻水，夏季提供預冷冷源，冬季時關閉；第二道盤管的冷媒為冷凍水，提供再冷冷源。

　　4）工況設定

　　夏季和過渡季節時，熱通道內的空氣先經過第一道冷卻水盤管預冷，然後再經過第二道冷凍水盤管冷卻後送入冷通道內。冬季時，關閉第一道冷卻水盤管段，僅開啟第二道冷凍水盤管，熱通道內的空氣直接透過第二道冷凍水盤管冷卻後送入冷通道內。

　　5）節能原理

　　● 延長自然冷卻時間

　　空調裝置採用雙盤管的形式，全年均可實現自然冷卻，尤其在過渡季和冬季時可以更好地利用自然冷源，減少冷水機組的能耗。同時，IT伺服器機櫃採用較高的送、迴風溫度，可以提高冷凍水系統和冷卻水系統的供、回水溫度，進而提高冷水機組的製冷效率，同時獲得更多的自然冷卻時間，降低整個資料中心專案的PUE值。

　　● 合理分配冷量

　　在每臺空調裝置的冷凍水回水支管和冷卻水回水支管上分別設定能量閥，透過控制能量閥的開度，調節進入冷凍水盤管和冷卻水盤管的水流量，從而滿足資料機房內的送風溫度要求。能量閥由流量計、供回水溫度感測器和電動調節閥等組成，可以確保透過閥體的最大流量等於盤管的額定流量，精準控制，不產生過流現象，避免能量浪費。同時可以進行壓力無關型的調節，杜絕大流量小溫差現象，從而實現節能目的。

　　● 高效精準送風

　　IT機房中的空調裝置採用群控方式，在每個冷通道內均勻佈置溫度感測器，採取最不利點處的送風溫度，透過空調裝置的群控控制器，控制機組的EC風機轉速，調節空調裝置的送風風量，達到節能目的。空調裝置採用EC風機技術，可以節省裝置內部的空間，風量大且效率高，功耗和噪音更低，可以實現10%~100%的無極調速，同時可以軟啟動，無需皮帶傳動，散熱效能更好，故障率更低，從而可以降低資料中心專案中空調裝置的能耗，降低PUE值。

　　 05 冷源控制及執行模式

　　1）群控系統

　　製冷單元設定群控系統，冷水機組可以根據冷凍水系統的供回水溫度和機組電流自動選擇執行臺數，以便達到更優的節能狀態。系統管理器監測製冷單元的執行時間，當末端負荷減少時關閉執行時間最長的冷水機組，保持所有冷水機組的執行時間相當。

　　冷卻塔的進出水分別配置溫度感測器，可以根據進出水溫度來調節風機頻率，降低冷卻塔的能耗。冷卻塔接受來自資料中心大樓BA系統的整體啟動和停止控制指令，並將機組的已啟動或已停止狀態訊號、綜合報警訊號和主要工藝引數送入自控系統。

　　2）工況控制

　　● 溫度控制

　　檢測冷凍水系統和冷卻水系統供、回水管路上的溫度、壓力和流量。冷凍水系統的供回水溫度設定值全年恆定。冷卻水夏季供回水溫度設定值根據所選擇的冷卻塔逼近度確定，冬季冷卻水供回水溫度設定值與冷凍水一致。當冷卻水系統的供水溫度低於設定值時，調節冷卻塔的風機頻率，當閉式冷卻塔的風機處於最低頻率時，調節冷卻水系統供回水旁通管上的電動調節閥控制此溫度。

　　● 蓄冷控制

　　在每個閉式蓄冷罐的出水管上安裝溫度感測器，監測出水溫度。當閉式蓄冷罐的出水溫度大於設定值，且冷凍水系統主管溫度等於設定值的時間長達2min時，蓄冷罐進行衝冷。另外，在屋面上設定乾球溫度和溼球溫度的檢測，為冷源系統的執行模式切換提供室外引數依據。

　　● 壓力控制

　　系統末端設定壓差感測器，可以根據最不利環路壓差來控制冷凍水迴圈泵和冷卻水迴圈泵的頻率以及壓差旁通閥的開度，保證供回水管路的壓差不大於0.10MPa。當末端負載增加時，最不利環路的實際壓差變小，這時透過提高迴圈泵的執行頻率使得最不利環路的壓差達到設定值。反之，末端負載減小時，最不利環路的實際壓差變大，這時透過降低迴圈泵的執行頻率使得最不利環路的壓差達到設定值。當迴圈水泵的執行頻率降低至最低頻率時，開啟供、回水旁通管上的電動調節閥，閥門的開度由最不利環路的壓差來控制。

　　3）模式轉換

　　夏季和過渡季節，末端空調裝置開啟第一道冷卻水盤管進行預冷，同時開啟第二道冷凍水盤管進行再冷，此時冷卻塔、冷卻水泵、冷水機組、冷凍水泵全部開啟，蓄冷罐進行蓄冷執行狀態。當市電斷電時，蓄冷罐進行放冷執行狀態，此時冷凍水泵處於全部開啟狀態，冷卻水泵全部關閉。當市電恢復或者柴油發電機系統供電正常後，蓄冷罐進行充冷，充冷完成後，蓄冷罐再次進入正常的蓄冷執行狀態。

　　冬季，冷卻水系統的供回水溫度達到冷凍水設計溫度時，空調裝置關閉第一道冷卻水盤管，只開啟第二道冷凍水盤管，系統將冷卻塔提供的冷卻水轉換至第二道冷凍水盤管進行供冷。此時，冷卻塔和冷卻水泵全部開啟，負擔末端空氣處理機組AHU的全部冷負荷，冷水機組和冷凍水泵全部關閉，節省製冷所需能耗。蓄冷罐進行蓄冷執行狀態，當市電斷電時，蓄冷罐進行放冷執行狀態，此時冷卻水泵處於全部開啟狀態，冷凍水泵全部關閉。當市電恢復或者柴油發電機系統供電正常後，蓄冷罐進行充冷，充冷完成後，蓄冷罐再次進入正常的蓄冷執行狀態。

　　冷水機組和冷卻塔的配電方式為市電供電。夏季和過渡季節時，冷凍水泵的配電方式為UPS電源供電，冷卻水泵的配電方式為市電供電；冬季時，冷卻水泵的配電方式為UPS電源供電，冷凍水泵的配電方式為市電供電。服務於冷凍水泵和冷卻水泵的UPS電源可以在冬夏季時根據執行模式進行切換，共用一套UPS電源，從而降低動力UPS的數量，節省初投資。

　　 06 結束語

　　在我國大力發展資料中心的時期，資料中心的能源消耗佔比逐步增大，資料中心的PUE值面臨著嚴峻的挑戰。透過本文中高效節能冷源系統和雙盤管空氣處理機組相結合的空調架構形式，可以使整個資料中心專案的PUE值達到1.25以下，滿足國家節能政策的要求，對助力我國完成“雙碳”目標，推進新一代綠色節能資料中心建設具有重要意義。