数据中心空调系统节能设计中常见问题及对策

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  中国储能网讯：数据中心内聚集了大量服务器、存储设备、网络设备等IT设备，产热量极大。同时，由于数据中心机房内设备全年8760h不停运转，常年满负荷工作。为了保证机房内的温度、湿度和空气洁净度要求，机房一般是全封闭的，机房内的空调设备一般全年运行。数据中心能源消耗巨大，高性能服务器致使单个机柜的发热密度急剧升高，目前已经高达20～30kW/机柜，一个10万台服务器规模的数据中心的功率有时高达4.5万kW，年耗电约4亿kW·h。

  1. 数据中心机房空调系统的特点

  1）设备单机散热量大，散热量集中。机房内没有特定的湿源，湿负荷主要来自于渗入机房的外部空气以及偶尔进入机房的工作人员，散湿量小。

  2）机房的散热主要是显热，潜热量小，热湿比近似为无穷大；送风焓差小；空调器的空气处理过程可近似看作等湿降温过程，在此工况下，必然需要较大的送风量，对温湿度要求高。

  3）机房内部的通信设备全年不间断运行，即使是在冬季，也可能存在需要供冷的情况，空调运行周期长、能耗大。

  4）IT设备对空气洁净度要求严格，对新风和送风要进行空气净化处理。

  2. 空调系统设计应考虑的综合因素

  随着数据中心的发展，单机架功耗越来越大，空调负荷需求也越来越大，须高度重视空调水系统设计的合理性。选择何种空调系统，要综合考虑建筑规模、用途、机房等级、所在地区的气象条件、能源结构、政策、价格及环保规定等情况。设计的合理性和空调设备的效能将对通信设备安全、建筑节能和运营成本有很大影响。数据中心制冷空调原理如图1所示。（公众号：CHNDCOM）

  3. 空调水系统设计原则

  1）力求水力平衡。

  2）防止大流量、小温差。

  3）水输送系统要符合规范要求。

  4）变流量系统宜采用变频调节。

  5）要处理好水系统的膨胀与排气问题。

  6）要解决好水处理与水过滤问题。

  7）要注意管网的保冷与保暖效果。

  4. 数据中心设计常见问题及其对策

  （1）常见问题1　空调系统设计配置不满足国家标准的分类要求。

  对策：

  1）A级机房空调系统配置要求。

  ①空调系统制冷量满足主设备冷负荷，并应24h不间断运行。

  ②运行空调系统出现故障时，应设有一套独立的备份空调系统以完全保证温湿度要求。

  ③末端空调按N+X（X=1～N）原则备用，N不宜小于3台。

  ④空调水管道系统为环路或双管路。

  2）B级机房空调系统配置要求。

  ①空调系统制冷量满足主设备冷负荷，并应24h不间断运行。

  ②末端空调按N+X（X=1～N）原则备用，N不宜小于3台。

  ③空调水管道系统为环路或双管路。

  3）C级机房空调系统配置要求。

  ①空调系统制冷量满足主设备冷负荷要求，并应24h不间断运行。

  ②末端空调宜按N+1原则备用。

  （2）常见问题2　高密度机架区域空调系统设计不合理。

  对策：

  1）机房需要有良好的通风制冷条件，应有良好的送风和回风组织，机架应靠近空调设备安装。

  2）当机房内高功率密度设备数量较少时，宜在整个机房内平均分布，不宜聚集在一起安装。

  3）高功率密度区域应与低功率密度区域隔离，宜在封闭的小范围内设置专门的空调系统。

  4）布置机柜时应分冷、热通道，并充分考虑机柜的散热要求。

  5）空调系统送回风方式宜采用下送风、侧回风。

  6）机柜间距应根据空调的回风要求合理布置。

  （3）常见问题3　机房环境不达标。

  对策：

  1）数据中心室内环境设计参数、空调机组运行参数、空调的数量、送风方式及冷却方式，应根据设备具体的工艺要求以及机房的冷负荷情况并结合机房实际、机房的空调气流组织形式确定。在满足工艺要求的前提下，应尽量提高环境温度设定值。

  2）数据中心空调宜采用大风量、小焓差、高显热比的恒温恒湿空调，机房需补充新风，新风设备宜设置过滤网和电动调节阀。

  3）新风量应满足机房的正压要求和现行国家标准GB50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》的要求。

  4）主机房与其他房间、走廊间的正压差应不小于4.9Pa。

  5）新风系统或空气系统应设粗效、中效空气过滤器，末端过滤装置宜设在正压端。

  6）空调设备宜选择高效、低噪声、低振动的设备。

  7）空调系统的运行噪声要求应满足国家现行相关规范要求。

  8）机房洁净度要求：每升空气中大于或等于0.5μm的微尘粒数不大于18000粒。

  （4）常见问题4　机房空调和气流组织不利。

  对策：

  1）数据中心的空调设备及数据设备均应根据设备的散热需求合理布置，宜将冷风直接送达服务器的进风口，回风气流应能够顺畅回到空调机，减少在机房内的滞留时间。

  2）机架设备的布置应与空调机房送风面和回风面垂直。机房的柱位不应布置在热通道上。

  3）数据中心内气流组织形式应结合建筑条件，通信设备本身的冷却方式和结构，设备布置方式、布置密度，设备散热量，室内风速，防尘、噪声等要求选择。新建机房宜采用下送风的气流组织方式。高功率密度机架可采用列间空调、背板空调等供冷方式。

  4）数据中心空调系统布置时宜遵循“先冷设备、后冷环境” 的原则，改造机房宜采用精确送风的气流组织方式，以节省空调能耗。

  5）数据中心根据实际情况，宜采用冷热通道封闭方式。

  6）架空地板的高度应通过计算确定，确保将地板下断面风速控制在1.5～2.5m/s。

  7）对于单机架安装功率不大于1.5kW的机房，也可选用上送风的气流组织方式。

  8）采用上送风方式的机房，宜通过风管、调节阀门、送风器等对冷通道进行封闭，直接把冷风送至机柜内部进风口，送风量可通过自动或手动的方式分配。

  9）数据中心采用高功率密度机柜时，空调气流组织宜采用列间送风、背板等与机柜功耗相匹配的气流组织方式。

  （5）常见问题5　冷源系统方案选择不合理。

  对策：

  数据中心的冷源应根据数据中心空调负荷的规模，建设地点的能源条件、能源结构、能源价格，以及国家节能减排和环保政策的相关规定等，通过综合论证确定。

  1）选择水冷电动压缩式冷水机组时，宜按照表1中所列冷量范围，经性能价格综合比较后确定。

  2）冷水机组的选型应采用名义工况制冷性能系数（COP）较高的产品，并同时考虑满负荷和部分负荷因素，其性能系数应符合现行国家标准GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》以及其他相关标准的规定，并应优先选用能效等级较高的节能型产品。

  3）电动压缩式冷水机组中电动机的供电方式应符合下列规定：

  ①当单台电动机的额定输入功率大于1200kW时，应采用高压供电方式。

  ②当单台电动机的额定输入功率大于900kW而小于或等于1200kW时，宜采用高压供电方式。

  ③当单台电动机的额定输入功率大于650kW而小于或等于900kW时，可采用高压供电方式。

  4）选择电动压缩式制冷机组时，其制冷剂应符合国家现行有关环保政策的规定。

  5）选择冷水机组时，应考虑机组水侧污垢等因素对机组性能的影响，应采用合理的污垢系数对供冷量进行修正。

  6）冷水机组的工作压力不应大于其额定工作压力。

  7）有安全可靠的可供利用的废热或工业余热时，冷源宜采用吸收式冷水机组。

  8）天然气供应充足且安全的地区，当数据中心能够充分发挥三联供系统的能源综合利用效率且经济技术比较合理时，宜采用分布式燃气冷热电三联供系统。

  9）具有多种能源的地区，可采用复合式能源供冷。

  （6）常见问题6　自然冷源利用方案不合理。

  对策：

  1）数据中心空调系统应满足国家节能、环保的相关要求，在保证机房安全生产的前提下，宜充分考虑空调系统运行的节能性。根据当地气候条件，严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、温和地区应充分利用自然冷源。在室外温度较低时，可利用冷却塔及热交换器进行制冷。

  2）集中式空调系统冷源设计应考虑制冷机组的合理选型配置，以保证空调系统部分负荷时的制冷效率。

  3）设计集中式空调系统的数据中心时，宜根据机房所在地的热源状况、供热需求，通过技术经济比较，设置机房余热回收装置，利用机房余热提供供暖和生活热水，以提高能源的综合利用率。

  4）过渡季节及冬季室内需要降温时，在兼顾安全性和经济性的前提下，宜根据项目所在地的气候特点和空气质量，通过直接、间接等方式引入室外自然冷源。

  5）重要性高或高功率密度机架的机房，宜考虑不间断供冷保障措施。不间断供冷时长宜按停电后发电机起动后制冷机起动并能恢复供冷的总时长确定。

  6）集中式空调系统冷水主机的冷却方式应根据数据中心建设地区的水资源状况进行选择。水资源满足需要且可靠性有保证时，应优先采用水冷却方式。水资源供应只有一路或可靠性无法保证时，也可采用风冷式方式。

  （7）常见问题7　空调系统设计节能措施不得当。

  对策：

  1）空调系统应根据当地气候条件，充分利用自然冷源，可采用机械制冷与自然冷却相结合的方式。

  2）大型数据中心宜采用水冷冷水机组或风冷冷水机组的空调系统，其中采用水冷冷水机组的空调系统在低温季节可利用室外冷却塔作为冷源，并应通过换热器对空调冷冻水进行降温；采用风冷冷水机组的空调系统，其室外冷水机组应具备低温季节的自然冷却功能。

  3）具备余热回收利用条件时，应在对自然冷却和余热回收利用进行综合的经济技术分析后，确定空调系统设计方案。

  4）空调系统工艺复杂，节能技术手段丰富，宜设置必要的检测与集成控制系统，对系统进行自动控制与能量管理。

  （8）常见问题8　防水安全性欠考虑。

  对策：

  如图2所示，通过土建隔墙将空调区域与主设备区域隔开，冷冻水管只经过空调区域，并在空调区域做排水地漏和防水处理。

  （9） 常见问题9　单点故障安全性欠考虑。

  对策：

  如图3所示，机房空调的供水管由两路管线组成，分别来自两个水管井，即使有一路管路出现故障，另外一路供回水管路仍然能保证空调的正常运行。

  （10）常见问题10　水冷空调系统安全性欠考虑。

  对策：

  1）水冷空调系统机组备份安全性考虑。为保证机组设备出现故障情况下的机房安全性，冷水机组和末端空调设备均需要考虑设置安全备份。一般情况下，可采用主机N+1备份方案：冷冻机房的N台冷水机组能满足整个机房楼的负荷要求，另外再增加1台主机作为备份。末端空调设备也做N+1的安全备份考虑。

  2）水冷空调系统机组供电安全性考虑。引入两路市电，每台机组接一路不同市电。另外，还可以考虑采用蓄冷罐作为瞬时停电时冷冻水系统的备用系统，其在保障机房空调不间断工作上具有一定意义。

  3）水冷空调系统市政断水的安全考虑。由于冷却塔在散热过程中是依靠水的蒸发散热的，因此存在冷却水损失，需要不断进行补水。一旦市政断水，将无法及时补充冷却水，冷却塔的散热将受到影响，进而影响冷水机组的正常运行。因此，采用水冷空调系统时，需考虑市政断水情况下的冷却水补水问题。一般考虑设置冷却水蓄水池，设计两路冷却塔补水管，平时由市政自来水补水，在市政断水时，切换至蓄水池补水。

  4）空调系统的安全考虑总结如下：

  ①主机和末端设备N+1备份，在任一机组出现故障的情况下，保证机房的正常运行。

  ②水管采用双管路设计，避免单点故障，即使有一路管路出现故障，另外一路供回水管路仍然能保证空调的正常运行。

  ③断电时的不间断供冷。设置蓄冷罐，满足数据中心15min的不间断供冷需求，在市电断电且发电机未起动的情况下，由蓄冷罐作为应急冷源对数据中心进行供冷。

  ④断水时的不间断供冷。设置蓄水池，满足数据中心12h的冷却塔补水需求，在市政断水时，由蓄水池对冷却塔进行补水，保证空调系统的正常运行。（公众号：CHNDCOM）

  （11）常见问题11　冷源的选择不合理。

  对策：

  冷源即制冷主机，通常包括离心式机组和螺杆式机组，两种机组的对比如下。

  离心式机组是依靠离心式压缩机中高速旋转的叶轮产生的离心力来提高制冷剂蒸汽压力，以获得对蒸汽的压缩过程，然后经冷凝、节流、降压、蒸发等过程来实现制冷的。其组成部件主要有离心式压缩机、蒸发器、冷凝器、节流机构、抽气回收装置、润滑系统和电气控制柜等。它具有单机制冷量大、机组效率高等特点。

  螺杆式机组是利用螺杆式压缩机中两个阴、阳转子的相互啮合，在机壳内回转而完成吸气、压缩与排气过程的。其组成部件主要有螺杆式压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀以及其他控制元件，部件数量较离心机要少。它具有结构紧凑、运行平衡可靠、易损件少、部分负荷效率高等特点。

  离心式机组与螺杆式机组都具有较高技术水平，一般都采用微计算机自动控制，具有自动诊断、自动调节功能及各种安全保护装置，对操作水平要求不高。在低负荷状态下，离心机组有一个“喘振”的问题。一般来说，离心式机组的能量调节范围为40%～100%，在低于40%负荷运行时，离心式机组比较容易发生“喘振”现象，“喘振”严重时，会使机组的整个核心部件——叶轮损坏，使离心压缩机受损。螺杆式机组是利用油压推动滑阀开关控制容量的，部分负载时，绝无不平衡冲击现象。而对于多机头的螺杆式机组来说，其能量调节范围一般在7.5%～100%之间，而且可以连续进行能量调节。

  对于400冷吨以上的机组，选用离心式水冷机组较为经济合理。虽然单台离心式水冷机组的一次投资高于相同容量的螺杆式冷水机组，但是离心式冷水机组的运行效率比螺杆式冷水机组高10%以上，大大地降低了选用机组的数量及运行费用。

  一般应根据数据中心夏季总冷负荷需求选择冷水机组。考虑数据机房的安全性，空调冷源需考虑备份，一般为N+1备份。鉴于通信设备是分期安装的，建设初期设备功耗较少，机房总冷负荷需求较少，考虑制冷主机的运行效率，选型时宜考虑制冷主机容量大小合理搭配，离心式机组、螺杆式机组合理搭配，定频、变频合理搭配，真正适应冷负荷的全年变化规律。

  也有室外冷源选用风冷热泵机组（空气水热泵机组），以室外空气作为冷却介质的。该系统整体性好，安装方便，可直接安装在室外，不占用有效建筑面积，没有冷却塔、水泵和冷却水系统等其他附属设施。但机组依靠空气冷却，COP值比水冷式主机低；制冷量随室外气候变化明显，气温升高，效率降低；使用寿命比制冷主机低；机组容量小，适用于中小系统，一般不推荐用于大型数据中心。

【责任编辑：孟瑾】

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