冷凍水空調系統在數據中心中的應用研究

1. 課題研究背景和目的 

數據中心機房空調中的空調系統主要服務對象是電子設備，應确保電子設備長期、連續、安全的運行。目前數據中心機房空調大多數采用風冷型專用空調機組，其具有裝置靈活、可靠安全的優點，但也存在性能系數較低、運行性能不穩定、受室外環境溫度變化動搖較大、室内外機組裝置管線較短、室外冷凝器占用大量建築面積的缺點。随着機架熱負荷在逐漸上升，考慮到室外冷凝器對建築立面影響較大且冷凝器的安裝位置受室内機位置和建築立面的限制，風冷型專用空調機組經常滿足不了需要。采用集中冷源空調系統即冷水機組+冷凍水型專用空調機組方案（以下統稱冷凍水空調系統）變得更為普遍。 

冷凍水空調系統使用集中冷源，制冷效率較高；采用冷卻塔蒸發冷卻，不需設置風冷冷凝器，降低環境噪音，對建築立面影響小；數據中心機房采用冷凍水空調系統具有一定水平的節電降耗價值，特别是一些中、大型項目上不但節能效益顯着，而且可以減少空調設備的投資。但凡事有利則有弊，由于冷凍水空調系統中安裝的設備及閥門等部件較多，系統單點故障點較多，為達到靈活、可擴展、可靠、适用、易維護和節能的需求，冷凍水空調中的水系統和控制系統的設計比較複雜。深入研究冷凍水空調系統在數據中心機房中的應用，對于目前移動數據中心機房建設工作具有極其重要的作用。 

本課題主要從方案角度探讨冷凍水空調系統在數據中心機房中的應用模式，包括冷源端和空調末端的管路模式，在保證機房的可靠性的前提下，分析冷凍水空調系統的各種節能措施，如高溫冷凍水、大溫差及利用自然冷源等，以期盡量降低數據中心機房的PUE值。

2. 冷凍水空調系統的一般組成

2.1 冷水機組 

冷水機組是指能生産冷凍水的機械制冷設備（見圖2－1），冷水機組為冷卻民用建築而生産的冷水溫度一般為7℃,若用于冷卻數據中心機房，此溫度常顯太低。較高的水溫能夠減少機房的加濕負荷，提高空調顯熱比，具有很大的節能潛力。冷水溫度較高的缺點是使空調末端換熱器配置規格加大。 

冷水可以是100%的水，或是水與乙二醇的混合物（如管路位于有凍結危險區域），當水中有乙二醇或添加劑時，冷水機組的容量會有所衰減。 

2.2 冷卻塔 

冷卻塔是将循環冷卻水在其中噴淋，使之與空氣直接接觸，通過蒸發和對流把攜帶的熱量散發到大氣中去的冷卻裝置（見圖2－2）。冷卻塔有各種形狀、規格、配置與冷卻容量。由于冷卻塔需要有環境空氣進出的通路，所以通常設置于室外，一般在屋面或架高平台上。對設有冷卻塔的數據中心機房空調系統，應有補水儲存，以避免在市政停水時冷卻塔失水。在大型空調系統中，冷卻塔通常選用橫流塔，每台塔由若幹相同模塊組成，根據空調負荷和室外溫度靈活台數控制，并配置風機變頻調速，能起到很好的節能效果。

圖2－1  離心式冷水機組

圖2－2  橫流式冷卻塔

2.3 水泵 

冷凍水空調系統中主要的水泵是冷凍水循環水泵和冷卻水循環水泵，泵系統設計應考慮節能、可靠性與冗餘度，在滿足安全的情況下，水泵配置設計時通常可配變頻調速裝置，并采用高效電機，這樣，對于每周7天，24小時運行的泵來說，節能效果很顯著。  

2.4 冷凍水型專用空調機組 

冷凍水型專用空調機組主要結構分為兩部份（見圖2－3）：風機段、制冷盤管，其它選配件包括電加熱器、電極式加濕器等。冷凍水管接管位置設置在機組的背面或側面；通常該機組的送風方式采用下送風，風機段安裝于高架地闆之下，空氣從機組頂部吸入，從機組底部送出；采用大風量小焓差設計原則，顯熱比大；在典型工況下（回風溫度24℃，相對濕度50%，進/出水溫度7/12℃）的制冷量範圍30~210KW，風量範圍9000~50000 m3/h；送風機配置EC調速外轉子式電機将有良好的節能效果；

圖2－3   冷凍水型專用空調機組

冷水機組、冷卻塔、水泵和專用空調等4部分是冷凍水空調系統的主要耗能設備，除以上主要設備外，還有一些附屬設備，包括分水器、集水器、水處理器、補水泵、定壓裝置、蓄冷罐等，在此不一一贅述。    

3. 冷凍水空調系統管路設計  

在數據中心機房冷凍水空調管路設計中，最重要的一點是可靠性，在可靠性的基礎上兼顧易用和節能。根據數據中心機房的面積、高度、工藝負荷、功能要求等，可采用各種不同的管路方式，這些管路方式應在不增加機房風險情況下，有不同程度的管道冗餘、可調節及在線維護功能。 

3.1 制冷機房管路設計 

制冷機房基本的水系統流程是：空調回水通過冷水機組蒸發制冷降溫成空調供水，供給各空調末端使用，冷卻塔将冷水機組冷凝器熱量通過蒸發冷卻散發到大氣中，完成冷凍水和冷卻水兩系統水系統的循環。通常最基本的管道形式如圖3-1所示，空調冷凍供回主水、冷卻供回水主管均無備份冗餘，如主管有故障時，需停機檢修，這種管路系統在一些要求不高、允許制冷中斷的建築采用（如民用建築的制冷系統），但通常滿足不了數據中心機房安全性的需要。

圖3－1  制冷機房管道系統圖（基本型）

為滿足機房安全性的需求，雙制冷系統經常被采用。如圖3-2所示，采用二套獨立制冷系統，每套制冷系統各承擔數據中心機房50~100%的冷負荷，每套系統與基本型的管路系統一樣，均存在單點故障，如發生故障，一套系統可能需要停機檢修，在檢修期間，隻能利用另外一套制冷系統供冷。 

理論上說，在雙制冷系統中，如每套制冷系統承擔的數據中心機房負荷不到100%，當一套系統出現單點故障停機檢修時，另一套系統是不能完全保證機房使用要求的，但如果配合機房分級制度，在系統故障情況下允許部分設備停機，且盡量減少檢修時間，在單套系統70%負荷左右的情況下，數據中心機房的安全性還是能夠保證的。采用雙制冷系統的一個缺點是管路數量比較多，制冷機房的管路數量較基本型系統要增加一倍。 

在這種系統下，各制冷系統所聯接的末端空調也應根據制冷系統設計容量承擔相應負荷，如每套制冷系統承擔70%空調負荷，則對應該制冷系統的機房空調末端也應按70%負荷選配，這樣一個機房的總的空調末端是按140%的空調負荷配置的。如每套系統承擔100%空調負荷，則機房空調末端需按200%負荷選配，末端要比基本型要增加一倍數量，機房空調布置區域相應要增加一倍面積。因此，按100%負荷配置雙制冷系統需要付出更高的投資費用且獲得更少的數據中心設備裝機面積，這點是需要在設計時加以考慮的。

圖3－2  制冷機房管道系統圖（雙系統型）

另一種更常見的制冷機房管路設計是采用環狀封閉回路，如圖3－3所示，凍凍水管路設計為環狀，在各點上開口為負荷提供冷凍水。從冷源開始，回路中的液體可以向兩個方向流動。環狀封閉回路應采用閥門分成若幹獨立段。閥門的布置，應保證有一段幹管可被切斷，以進行維護或檢修。如切斷一側的末端負荷供水則由回路幹管的另一側供水，即使某處發生故障，整個系統不受影響，仍然可以正常運行，提高系統的安全性。與冷凍水系統相似，相應的凍卻水管道也布置成環路。環狀系統的一個缺點是管路比較複雜，控制閥門較多。

圖3－3  制冷機房管道系統圖（環狀管路型）

對一些規模不大的數據中心機房，制冷機房采用單機單泵形式的接管方式可能在經濟上比較合理，且能夠獲得滿意的可靠性及安全性，如圖3－4所示，為保證數據中心機房全年供冷，冷水機組、水泵、冷卻塔采用N+1原則布置，分集水器采用1+1原則布置。冷水機組、冷卻塔、冷凍水循環泵、冷卻水循環泵均一一對應設置，不設進出水總管，每套系統的進出水管均接至分集水器，系統設置必要的閥門以保證在管道維護、更換閥門及出現意外故障時可切換，确保無單點故障。該系統的一個缺點是對于冷機總數量超過4台的制冷系統，系統管路數量較多，布置較為不易，因此更适合應用于中小規模的機房。

圖3－4  制冷機房管道系統圖（單機單泵型）

3.2 空調末端管路設計 

數據中心機房内設備較少，管路設計較為簡單，但根據制冷機房管道系統的不同，數據中心機房空調末端接管形式也有所不同。 

基本的機房内管路系統如圖3－5所示單立管系統，通常同一豎向的空調末端采用同一根立管相連接，如立管出現故障，則該豎向機房均不能制冷。

 圖3－5  空調末端單立管系統圖

為避免末端的單點故障，通常一個豎向機房組會采用雙立管系統，對于制冷機房采用環狀管路設計的系統中，雙立管系統也通過水平支管連接成環路，如圖3－6所示，環狀封閉回路應采用閥門分成若幹獨立段。閥門的布置，應保證有一段幹管可被切斷，以進行維護或檢修。如切斷一側的末端負荷供水則由回路幹管的另一側供水，即使某處發生故障，整個系統不受影響，仍然可以正常運行，提高系統的安全性。

圖3－6 空調末端雙立管系統圖（環狀管路）

如制冷機房采用雙系統設計，空調末端如采用環狀雙立管系統可能會造成問題，由于兩套制冷系統是獨立的，在末端将兩套系統的管路連接可能會造成水力不平衡現象。為安全起見，在這種情況下，雙立管系統不互相連接，各立管所連接的空調末端采用間插式連接，間插式連接的目的是為了在一套制冷系統發生故障的情況下，機房還能有比較好的末端氣流組織。如圖3－7所示。

圖3－7 空調末端雙立管系統圖（間插連接）

4. 冷凍水空調系統節能設計  

4.1 高溫冷凍水設計 

通常冷凍水空調中采用機械壓縮冷水機組，其節能性主要體現在能效比EER（energy efficiency ratio）和部分負荷效率IPLV （Integrated Part Load Value）。同樣溫差情況下，提高壓縮機蒸發溫度可以提高壓縮機效率，按粗略估計，蒸發溫度每升高1℃， EER能提高2~3%。同樣，提高蒸發溫度對于利用自然冷源是有利的，對于同一個氣候區來說，蒸發溫度越高，每年可資利用的自然冷卻時間則越多，以北京地區為例，在一個标準年内，溫度在7℃（标準工況蒸發溫度）以下的時間是3025小時，溫度在10℃以下的時間是3562小時。

數據中心機房環境控制設備的傳統運行是保持機房空調的回風工況。典型的回風溫度20~24℃，導緻了來自空調的送風溫度在10~16℃之間。若熱通道/冷通道環境設計合理，則可采用較高的送風溫度，由此可用較高的冷水溫度或蒸發溫度。最終能在滿足冷負荷的需要下以可能的最高溫度運行供冷系統，達到最大程度的節能效果。 

從另一個方面，數據中心機房露點控制是控制加濕和除濕的一種有效辦法。數據中心機房一般推薦的相對濕度範圍是40~60%之間，相對濕度過高有可能給數據中心設備帶來諸多問題，包括導電陽極故障、吸濕性粉塵故障和腐蝕等，極端情況下，水蒸汽在電子元器件或電介質材料表面形成水膜，容易引起電子元器件之間出現形成通路。當相對濕度過低時，容易産生較高的靜電電壓。機房濕度的設計值對機房運行時加濕和除濕的能耗有很大的影響。大多數數據中心機房主要的濕源是室外空氣，目前新建的數據中心機房密閉性都較好，從外界空氣傳入的水蒸汽不多，機房除濕能耗相對不大，主要能耗體現在加濕過程中，降低機房設計濕度将減少加濕能耗，提高機房空調末端的顯熱比。在機房設定相比濕度較低的情況下，當冷凍水空調進水溫度高于機房熱通道露點溫度（一般12℃以上），則在空調末端也許無需加濕，機房在幹工況下運行，即提高衛生标準，又起到節能作用。因此，總的來說，應放棄越冷越好的想法，冷水供水溫度和機房送風溫度應盡可能提高，運行在可允許的較高的機房溫度和較低的相對濕度設定範圍内，不僅可以提高制冷效率，而且能降低加濕能耗，在大多數氣候條件下還能大大增加利用自然冷源的時間。

4.2 大溫差設計

根據某冷水機組樣機特性曲線顯示，蒸發器兩側冷水溫差對于冷水機組的效率影響很小，因此，從節能的角度考慮，加大冷凍水供回水溫差是有利的。較大的溫差可使流量減少，于是冷凍水泵的能耗降低，通常冷凍水空調供回水溫差是5℃，如溫差加大到6℃，冷凍水量将減少17%。但應該注意，對于具體設備，系統設計者應獲得産品的特性曲線，采用大溫差設計可能會潛在地降低冷水機組效率或加大冷水盤管規格。

而通過資料顯示，冷水機組效率随冷卻水溫差的加大而降低。想通過增大冷卻水溫差以降低水泵能耗将明顯導緻冷水機組的效率降低，因此，在考慮采用冷卻水大溫差設計前，需以年為基礎對冷卻水泵能耗和冷水機組能耗進行詳細的分析。

4.3 自然冷源利用

冷凍水空調系統即使采用高效設備、系統設計優秀，其全年運行能耗也是十分顯著的。一般情況下，如果沒有利用自然冷源，數據中心機房PUE值很難低于1.7。要降低PUE，通常主要的途徑是利用自然冷源。根據氣候區的不同采用合理的免費制冷方案，數據中心機房制冷系統全年能耗通常能節約10~50%，甚至有時可能更高。 

通常利用自然冷源方式分為直接自然冷卻和間接自然冷卻兩種方式，直接自然冷卻意味着直接利用室外的空氣來冷卻室内/設備，這類自然冷卻通常應用在低熱負載的戶外數據中心機櫃和在溫度濕度低要求的場所，與冷凍水空調系統聯系不大，不在此贅述。 

間接自然冷卻意味着通過使用幹冷器，冷卻塔或者通過冷水機組的自然冷卻盤管利用室外冷空氣把水冷卻到一定的程度，這樣冷水就能通過機房空調機組的冷凍水盤管進行制冷。圖4－1表示通過幹冷器、自然冷卻盤管進行自然冷卻的原理圖

圖4－1 采用幹冷器間接自然冷卻原理圖

間接自然冷卻與冷凍水空調系統結合可采用冷凍水加閉式冷卻塔的雙冷源系統。空調系統制冷冷源選擇：由冷水機組（配開式冷卻塔）和閉式冷卻塔（提供自然冷源）兩部分作為制冷冷源，根據室外氣溫的變化采取相應的組合運行方式來滿足制冷需求，空調末端采用高顯熱供冷的雙盤管機房空調機組。如圖4－2所示。

圖4－2 冷凍水加閉式冷卻塔的雙冷源系統

夏季運行模式為冷水機組（開式冷卻塔運行）獨立運行，由冷水機組為空調末端提供冷凍水；冬季運行模式為閉式冷卻塔利用室外低溫自然冷源獨立為空調末端提供冷凍水；過渡季節，高壓離心式冷水機組和閉式冷卻塔同時運行，由于機房内采用了雙盤管機組，過渡季節優先采用閉式冷卻塔提供的冷凍水對空調末端進行冷卻，當冷量不能滿足機房要求時再啟動冷水機組供冷，從而減少壓縮機的運行時間，降低空調系統能耗。由于該空調系統冷源為雙冷源，空調末端為雙盤管系統，在冬季和過渡季節的使用不但不存在自然冷源和冷水機組供冷切換控制的風險，管道系統還能互為備用，運行可靠，控制簡單。與傳統的冷凍水空調系統相比，增加了閉式冷卻塔、室内單盤管機組改為雙盤管機組，雖然增加部分管路和設備投資，但運行節電。