数据中心集中冷源空调系统设计综述.

1引言随着互联网与信息技术的发展,数据中心的数据量和处理能力持续增长,这种增长导致数据中心的发热密度持续增加,从而使数据中心的散热成为一个日益突出的技术难点和重点,这也就意味着数据中心对于空调制冷系统的依赖程度和要求逐年增高;而由于集中冷源式空调系统总体制冷效率更高,且可以方便采用多种可靠的节能技术(自然冷却技术等,所以越来越多的数据中心采用了集中冷源式空调系统。一个数据中心的设计使用寿命一般都会在10年以上,而空调系统是除IT设备以外最大的耗能系统,无论是从社会责任还是企业内部的经济效益考虑,我们都要努力打造一套长寿命、低能耗、低故障、可扩展的数据中心空调系统。而一个好的、合理的设计方案会大量地节省初投资,能够采用更加成熟的产品和技术来满足数据中心寿命期内的需要,并且可以通过有效地降低PUE、初投资(CAPAX,来实现TCO的节省。2集中冷源式空调系统集中冷源系统主要由制冷设备和管路组成,由于传统的集中冷源式空调系统中可能存在单点故障,而发生单点故障必然会导致空调系统无法制冷;传统建筑可以容忍短暂的抢修时间,但对于发热量特别大的数据中心机房,空调系统即便仅停止工作几分钟,就会造成IT设备的高温和宕机,所以冷冻水系统存在的单点故障隐患对数据中心威胁巨大,必须尽量消除。水管路、阀门、冷水机组、冷冻水型末端均需考虑冗余设计。由于系统扩容相对复杂,设计之初就要考虑好管路设计和接口预留。集中冷源式空调系统架构还需要根据数据中心的用途和设计级别来进行相应调整,目前主要参考国内(GB50174和国际(TIA-942的相应标准进行,具体参见表1。数据中心集中冷源空调系统设计综述朱洪波阿尔西制冷工程技术(北京有限公司数据中心事业部总经理,博士摘要介绍了数据中心空调系统中集中冷源式空调系统的节能设计要点,包括冷水机组、水泵、冷却塔、蓄冷装置、水系统管路的分类及选型。并根据不同气候条件提出了不同的制冷系统架构的建议。关键词数据中心集中冷源式空调系统节能自然冷却部份自然冷却全部自然冷却冷水机组机房空调水泵冷却塔蓄冷水管路表1TIA-942标准与GB50174标准关于集中冷源式空调系统的冗余配置对比集中冷源式空调系统架构的常见形式参见图1。3制冷设备集中冷源系统中的制冷设备种类较多,最重要的几种包括制冷机、水泵、冷却塔、水处理设备、蓄冷设备等。3.1制冷机数据中心制冷机的选择,应按各类制冷机的特性,结合当地的室外气象条件、水源(包括水量、水温及水质、电源和热源(包括热源性质、品位高低等情况,结合数据中心全年供冷的特点,从初投资和运行费用进行综合技术经济比较来选择可靠、高效、节能、合理的图1数据中心主机房流程图(仅供参考制冷机。(1适合数据中心的制冷机种类电驱动的制冷机按压缩机形式分为离心式、螺杆式、活塞式,这3种形式制冷机的能效由高到低的顺序是:离心式机组、螺杆式机组、活塞式机组。各类机组各有其特点,应用其所长。电驱动的制冷机按冷凝器冷凝方式分为风冷机组和水冷机组。●风冷机组风冷机组通过风冷冷凝器与外界空气换热,利用风(空气换热带走热量,产生冷水。风冷机组的优势:节约水资源,环保;安装在室外,如屋顶,无需建造专用机房,不占有效建筑面积;省去了冷却水系统:冷却塔、冷却水泵、管网及其水处理设备,节省了这部分初投资和运营费用。●水冷机组水冷机组通过水冷冷凝器与冷却塔提供的冷却水换热,利用冷却水带走热量,来产生冷水。水冷机组的优势:应用范围广,技术成熟,造价低;夏季制冷能效高,节能;噪音源低于风冷机组。数据中心风冷机组或水冷机组两种形式均有选用,冬季寒冷地区多选用带自然冷却的风冷机组,长江流域或以南地区多选用水冷机组。根据数据中心有无生活热水需求,还可以选用是否带热回收装置的风冷机组或水冷机组。数据中心选用离心式或螺杆式两种类型机组,数据中心经常根据自身需要同时配备离心式与螺杆式两种类型的冷水机组。(2制冷机选型数据中心选择制冷机时,要考虑数据中心全年空调冷负荷的分布规律,结合制冷机在满载运行和部分负载运行时的COP值,合理地选择机型、台数和调节方式,提高制冷系统在部分负荷下的运行效率,以降低全年总能耗。数据中心的冷水机组一般选用2台以上机组,以满足N+1~2N的冗余方式。冷水机组之间要考虑其互为备用和轮换使用的可能性。冷水机组采用冗余配置,具备不间断供冷,保证系统安全稳定运行。同一站房内可采用不同类型、不同容量的机组搭配的组合式方案,以节约能耗。并联运行的机组中至少应选择一台或几台自动化程度较高,调节性能较好,能保证部分负荷下能高效运行的机组。选择制冷机时应考虑其对环境的污染:一是噪音和振动,要满足周围环境的要求;二是制冷剂对大气臭氧层的危害程度和产生温室效应的大小,要采用ODP(消耗臭氧潜能值和GWP(全球变暖潜能值较小的环保制冷剂。3.2水泵(1冷冻水泵流量:1.05~1.1倍机组额定流量。扬程:闭式循环,仅克服系统的阻力损失,考虑10%的富裕量。数据中心冷冻水泵的循环系统按照从冷机到末端采用一次供水,或是二次供水分为单式泵循环和复式泵循环系统。●单式泵环路系统如图2所示,数据中心集中冷源空调系统的单式泵环路系统多采用冷水机组与一次泵一一对应配置方式。一次泵环路系统存在以下3类形式:图2单式泵系统示意图——用户侧定流量(用户侧采用三通阀变冷水温差调节,冷水机组侧也为定流量,一次泵为工频泵。——用户侧变流量(用户侧采用二通阀变冷水流量调节,冷水机组侧为定流量,一次泵为工频泵。为了恒定供回水管的水力工况,保持机组侧冷水流量的稳定,在分水器与集水器之间装设旁通管和压力控制的调节阀。当用户侧流量减少,供回水压差变大,旁通阀开度增大,反之减少。——用户侧变流量,冷水机组侧也为变流量,一次泵为变频泵;一次泵变流量系统选择可变流量的冷水机组,即蒸发器侧流量随用户侧流量变化而改变,从而最大限度地降低水泵能耗。系统特点:系统设计简单,初投资少,适用于系统较小或各环路负荷特征或压力损失相差不大的中小型数据中心。●复式泵环路系统如图3所示,数据中心集中冷源空调系统的冷水机组与一次泵一一对应配置,二次泵大多采用多台泵并联的方式。复式泵环路系统的一次回路包含机组、一次泵、供回水管路、旁路管;二次回路包含用户侧末端装置、二次泵、供回水管路、旁通管。复式泵环路系统存在以下两类形式:——用户侧定流量(用户侧采用三通阀变冷水温差调节,冷水机组侧也为定流量,一次泵和二次泵均为工频泵。——用户侧变流量(用户侧采用二通阀变冷水流量调节,冷水机组侧为定流量,一次泵为工频泵,二次泵为变频泵。系统特点:节省运行费用,初投资大,自控要求高,占地面积大,适用于规模较大的空调系统或各用户侧阻力相差甚大的场合,适用于大型数据中心。(2冷却水泵●流量:1.05~1.1倍机组额定流量。●扬程:H=H1+H2+P1+P2+P3。●H:水泵计算扬程(m。●H1:允许吸上高度(m。●H2:冷却塔喷水压力,一般为5m。●P1:机组内的阻力损失。●P2、P3:管路系统的沿程和局部阻力损失。(3水泵并联一台泵单独工作时的流量,大于并联工作时每台泵的流量。两台泵并联工作时,其流量不能比单台泵工作时成倍增加,这在多台泵并联时就更明显。图4为5台同型号水泵并联的工作特性曲线,对比数据参见表2。由以上的分析不难得出:在总流量一定的情况下,并联的水泵数量越多,流量损失越大。因此,建议尽量选择单台大流量的水泵替代多台并联的小流量水泵,这样效率更高,初投资更俭省。3.3水处理在空调水系统中,由于腐蚀物、微生物、Ca+、Mg+等物质的存在,在运行一段时间后,会在机组蒸发器、冷凝器、末端空调设备的表冷器及管道内壁形成污垢和腐蚀。随着污垢的增大,水流阻力增大,机组效率下降,寿命缩短。因此,必须对数据中心空调的水系统进行处理。空调水系统的水处理方法可采用化学处理,软化图3复式泵系统示意图水装置及电子水处理仪等。另外,水过滤也是必须重视的问题。在空调系统实施完成后,管道中通常会存在许多杂物,如焊渣、生料带、砂石等;安装水过滤器的目的是去除管道中的这些杂物,保证空调系统的正常运行。水过滤器通常设置在水泵、制冷机组、空调器等进水管上。3.4冷却塔系统(1数据中心集中冷源空调系统通常采用开式循环冷却水系统,具体参见图5。开式循环冷却水系统注意事项:●每台冷却塔应布置在同一水平高度上。●每台塔的集水盘上都应装平衡管,防止水盘的水位产生高低落差。●由于空气中的污染物质(如尘土、杂物、细菌、可溶性气体等易进入水中,使微生物大量繁殖,形成生物淤泥、藻类等,因此每台塔的出水管上应设置过滤器,最低点应设置排污口。●冷却塔的集水盘必须有足够的容积,存水量约取循环量的1%~3%。(2冷却塔的分类●按形状分:方形、圆形。图45台同型号水泵并联表25台同型号水泵并联对比图5开式循环冷却水系统●按通风形式分:逆流式、横流式。●按处理温差分:普通型△T=5℃、中温型△T=8℃、高温型△T8℃。数据中心多选用普通型横流式方形冷却塔。(3冷却塔的选用●循环水量的计算:qv=(1.05~1.10qv1。其中,qv为冷却水量(m3/h;qv1为机组所需的冷却水额定循环量(m3/h。●冷却水进出口温度:数据中心选普通型冷却塔或由制造厂家进行具体的选型。●环境湿球温度:参照规范及实际情况,如市区比郊区高1℃~2℃;当湿球温度从28℃提高到29℃,冷却塔冷却能力下降16%~19%,这样选型时应适当加大型号。●必须满足环境允许噪音标准。●其他还应考虑冷却塔的漂水率、比电耗、使用寿命、材料等参数。(4冷却塔的性能●进出水温度。●冷幅:冷却水出水温度与进风湿球温度之差;冷幅越小,塔热工性能越好。●冷效:进出水温差与冷幅之比;冷效越大,塔热工性能越好。●噪音:分为普通型、低噪音型、极低噪音型。●比电耗:冷却塔将1水处理到要求的温度风机耗电量;国家规定普通型冷却塔在标准状态下(进出水32℃/37℃、环境湿球温度28℃的比电耗应小于0.04。●耗水量:水量的消耗有蒸发水量(约占循环量的0.97%、漂水量(占循环量的0.1%~0.2%,带有挡板的小于0.01%以及为降低电解质的排污量(约占循环量的0.3%。以上3部分取1.3%~2%。●气水比:指单位时间内,冷却塔流通空气的质量和流通冷却水质量的比值;太小,蒸发不好;太大,风机噪音增大。(5冷却塔的主要结构●填料(散热片:基本热交换媒介,大大增加了水和空气的接触面积。●集水器:将气流中的水滴隔出,引导气流到适当的流向,减少风机马力,降低冷却塔的总阻力。●布水系统:布水系统把循环水均匀地分布到填料上。●百叶窗:将飞溅的水滴阻挡在冷却塔内,及辅助导入空气。●冷却塔的围护结构。3.5蓄冷系统空调系统的动力来源均为电力,虽然主要系统、部件都设置了冗余、备份,但还需要考虑为空调系统供电的电力系统发生意外停电故障时,空调系统仍然需要维持正常运行。在常规电力系统发生故障时,备用的柴油发电机组可以紧急启动提供后备电力,从柴油发电机组启动至稳定供电的过程一般需要3min。冷水机组在正常供冷过程中遇到停电故障时会进入故障保护状态,在电力供应恢复后,离心式冷水机组的压缩机导叶先恢复至正常开机的初始状态,再经过冷水机组控制系统对冷水循环水泵、冷却水循环水泵、冷却塔等相关部件进行巡检,并确认正常运行后,冷水机组才能正常启动,这段恢复冷水机组系统恢复正常供冷过程一般需要1~10min不等。在数据中心的设计中为了能很好地解决这一安全隐患,在空调系统中可通过设置蓄冷设施,储备备用冷量来解决这一问题。配置的蓄冷设施提供的持续供冷时间一般为10~15min。数据中心的蓄冷方式主要有冰蓄冷系统及水蓄冷系统两种:通过制冰方式,以相变潜热储存冷量,并在需要时融冰释放出冷量的系统称为冰蓄冷系统;利用水的显热储存冷量的系统称为水蓄冷系统。数据中心的空调冷负荷主要为机房内设备的散热负荷,在一天24h中的每个时刻都基本不会变化,属于一个稳定负荷,这部分负荷占整个数据中心空调冷负荷的比例可达到90%以上。根据数据中心这一负荷结构情况的特点,水蓄冷系统更适合数据中心冷量备份的需求。水蓄