数据中心空调设计

数据中心空调设计

唐华

上海航天建筑设计院上海200000

摘要：数据中心空调系统不同于其他空调系统，其具有显热负荷密度大、显热比高，但对温、湿度要求高等特点。本文针对数据中心的设计中的注意点以及机房的节能进行了简单探讨。

Abstract：Theairconditioningsystemofdatacenterisdifferentfromotherairconditioningsystems.Ithasthecharacteristicsofhighheatloaddensity,highheatandhightemperature,butitisveryimportanttotherequirementoftemperatureandhumidity.Inthispaper,thedesignandenergysavingindatacenterarediscussed.

关键词：数据中心；系统设计；控制

Keywords：Datacenters；Systemdesign；Control

1概述

数据中心是容纳计算机房及其支持区域的一幢建筑物或建筑物中的某个部分，主要设置进行数据处理和数据交换的计算机、网络设备、电子设备。随着科技的发展数据中心呈现指数性发展，随之而来的其能源消耗指数性增长，据统计数据中心的能耗约占总耗电量的2.5%。数据中心用空调用负荷约占54%，空调节能至关重要。

2数据中心环境要求

2.1数据中心IT设备对环境的要求

数据中心在运行过程中会产生巨大的发热量，为了保证设备工作安全可靠，必须为IT类设备提供正常工作的温度、湿度、灰尘等环境。电子设备环境分级如下：

a.1级。它是一个能严格控制环境参数（露点温度、干球温度和相对湿度）及执行重要任务操作的数据通信环境。此工作环境所对应的数据处理设备主要是企业服务器和存储设备。

b.2级。它是一个对环境参数（露点温度、干球温度和相对湿度）能进行某种程度控制的数据通信环境。此工作环境所对应的数据处理设备主要是小型服务器、存储设备、个人计算机及工作站。

c.3级。它是一个只对个别环境参数（如温度）进行控制的办公室、家庭或可移动区域环境。此环境所对应的设备是个人电脑、工作站及打印机等。

d.4级。它是一个只需通风，在冬季能满足供热要求，对气候状况进行适当控制的零售点、轻工业及工厂环境。此环境所对应的设备是零售设备、工业控制器、计算机，以及掌上电脑等便携式电子产品。

e.NEBS。一般指对环境参数（露点温度、干球温度和相对湿度）进行某种程度控制的数据通信环境。按此环境要求进行设计的产品类型包括开关、传输设备、路由器等。

2.2环境对数据中心的危害

2.2.1空气温度

温度与平均无故障运行时间的关系：由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来越高，使元器件之间的传导、辐射和对流产生热耦合。热应力成为影响电子元器件的一个重要因素。对某些电路来说，可靠性几乎完全取决于热环境。

空气温度过高、过低对元器件都有影响。数据中心长期处于高温环境中，可能因温度过高而出现宕机现象。温度太高，可使数据处理设备工作环境恶化，长此以往，将缩短电子设备的使用寿命，使数据通信设备的可靠性降低。温度过低时部分IT设备将无法正常运行。机房温度过低导致设备无法运行；低温也会使绝缘材料变硬、变脆，使结构强度降低；低温影响电池放电容量下降。

2.2.2空气湿度

同样湿度过高过低对机房都有影响。较高的相对湿度会使数据通信设备的电极导电失效、湿度计积尘失效、磁带介质出错和过度磨损以及产生腐蚀现象。在极端的情况下，液体冷却设备的冷表面还可能出现冷凝现象。较低的相对湿度将产生影响设备运行的静电，甚至可能损坏设备。磁带和存储介质在低相对湿度下也会产生过度磨损。数据中心环境湿度应控制在推荐的湿度范围内。

2.2.3空气含尘度

过高的含尘空气将影响数据通信设备运行。灰尘会腐蚀设备电路板；降低绝缘性能；此外，尘粒在散热板上堆积也将增加热阻，降低换热效率。在进入数据通信机房之前，室外新风必须经过过滤和预处理，去除尘粒和腐蚀性气体。

表1所列数据为1级、2级及NEBS级数据中心推荐的环境设计参数值和允许的环境设计参数值。这些参数主要是数据通信设备所处环境的空气温度、空气温度变化速率、湿度、空气过滤要求及空气污染、通风状况等。

3数据中心空调冷负荷

数据中心空调系统负荷主要包括：机房内设备发热量、维护结构的传热、通过外窗进入的太阳辐射热、热体散热、灯光等散热、新风负荷等，其中设备发热占主要因素，其发热量占到空调负荷的60%以上，数据中心负荷具有显热负荷密度大、显热比高的特点。工程设计时，设计人员应根据设备布置状况及数据通信设备制造商提供的设备实际散热量数据进行负荷计算。数据中心负荷具有显热负荷密度大、显热比高的特点。

4数据中心的空调设计

4.1数据中心常用空调方案

4.1.1风冷型机房空调系统

风冷型机房空调使用空气作为传热介质，是最常见的数据中心机房空调方案，属于直接膨胀式系统。风冷型空调可实现每台空调独立循环、控制，属于分散式空调系统；机房无需引入冷冻水或冷却水，易于实现模块化配置，冗余运行，可靠性高，是数据中心广泛采用的空调方案。

4.1.2冷冻水型机房空调系统

冷冻水型机房空调系统采用冷冻机组+机房空调单元方式制冷。其具有制冷量大并节能、室内机简单、价格低、管道集中布置、且能源利用率高等特点，被广泛运用于大型数据中心的工程中。由于数据中心引入了水循环系统，需要相应的漏水检测和防护措施，日常维护工作复杂。

4.1.3水冷型机房空调系统

水冷型空调的内部结构与风冷型空调类似，不同的是增加了一套板式换热器，实现冷却水与制冷剂的热交换，冷却水由冷却水塔制冷。

4.1.4双冷源型机房空调系统

双冷源空调结合了风冷型、冷冻水型空调的特点，空调内有两套制冷循环系统。

4.2数据中心的气流组织

数据中心设备密集布置，发热集中，显热量大，合理的气流组织能有效地移除机房内散热，保证满足机房内设备对温湿度、洁净度、气流速度等空调环境的要求。

4.2.1风帽上送风

风帽上送风式的安装较为简便、整体造价较低，对机房的要求也较低，适用于中小型机房。风帽上送风存在冷热空气短路现象，效率低。

4.2.2风管上送风

风管上送风方式与一般性空调风管送风方式类似。在风帽上送风无法满足送风距离的情况下，空调房间又要求各处空调效果均匀的场所，一般采用风管上送风形式。

4.2.3地板下送风

地板下送风为数据中心空调送风方式的主要形式，其具有效率高、方案简单、安静整洁等特点。

5数据中心空调系统实例分析

5.1工程概况

本数据中心是国内某网络公司位于天津市数据机房，一期项目为一栋三层总面积15000㎡的机房中心。空调系统采用水冷型机房空调系统，冷水由位于一层的动力机房中的冷水机组提供，采用10~17.8℃冷水，最大用冷量为6000kW。热源采用60～50℃热水，由换热站提供，用于屋面新风机组，电加热为备用。空调加湿：采用直接蒸发式加湿器，加湿水采用生活用水，最大加湿量为2960kg/h。

5.2通风设计

本工程设计了5套全室排风系统;2套全室排风兼事故排风系统。其中冷冻站设计一般性通风换气系统，风机采用离心风机箱，用于消除室内余热余湿；电池间全室设置一般性通风系统，发生事故时兼作事故排风，风机采用离心风机箱，一用一备。

5.3空调形式

根据运行要求确定设置一套新风系统，新风经初、中效过滤器两级过滤、电加热、冷盘管、加湿后和回风混合后送入设备运行区。

T3、T4级标准模块机房采用冷冻水机房空调，空调回风和处理过的新风混合后经架空送风地板送入模块机房空调区域。气流形式为下送上回。机房空调设备为15+3冗余设置；T1级标准模块机房采用冷冻水组合空调机组，空调回风和处理过的新风混合后经架空送风地板送入模块机房空调区域。气流形式为下送上回。部分季节采用airside节约模式，空调系统原理图，组合空调机组为4+1冗余设置，其中冗余设置主要处于系统安全可靠性考虑。。

配电室、电池室等采用机房空调机组或组合空调机组。空调气流形式为上送侧下回方式或上送上回方式,空调设备为N+1设置。

5.4空调自动控制以及节能分析

5.4.1新风控制

以MAU出口处的温度敏感元件T来控制室外压缩机或热水管路上的电动两通阀使空调器出口处的温度Tdb=17℃；当热水系统故障时，启用备用电加热器；以MAU出口处的露点温度敏感元件Tdp来控制MAU的压缩机或蒸发式加湿器,由室内露点温度敏感元件Tdp取平均值连续重新设定新风机组出口处的Tdp值，以达到室内相对湿度参数(φ=50%)。MAU送风机变频，以送风管上最不利环路1/3处的压力(300Pa)控制风机变频。新风控制图见图2新风控制图。

5.4.2AHU系统控制

AHU控制以新风与回风焓值为依据，将控制分为waterside模式和airside节约模式。

waterside模式：当新风焓值大于等于回风焓值时，启用waterside模式,在此模式下，排风机01-R1-GEX-F-1~8停止运行,电动密闭调节阀MD2全开，MD3和MD4全闭,AHU的加湿器电磁阀关闭，加湿器处于禁用状态。其温度控制主要通过控制冷水管上的两通阀，调节冷水量以保证室内的温度参数。AHU采用变频风机，以架空地板下的压力平均值(25Pa)控制风机变频。

airside节约模式：当新风焓值低于回风焓值时，启用airside节约模式,且混风温度满足设定值15.5℃，启用完全节约模式。此模式下，冷冻水阀完全关闭处于禁用状态,电动密闭调节阀MD5全闭。如果在新风调节阀MD4完全开启下混风温度高于设定值2℃时，开启冷冻水阀提供额外的冷量。此模式下，电动密闭调节阀MD5全闭。由AHU进风管上的温度敏感元件T和Tdp控制AHU系统风管上的电动密闭调节阀MD2~MD4，以保证混风焓为42.4kj/kg干空气。以房间的露点温度敏感元件Tdp来控制AHU的蒸发式加湿器,满足房间相对湿度要求。

5.4.2CRAH系统控制(T4机房模块)

由室内温度敏感元件T控制CRAH内冷水管上电动两通阀,调节冷水量以保证室内的温度参数。

CRAH采用EC风机，配备10个探头及传感系统安装与架空地板下，以架空地板下的压力平均值(25Pa)控制EC风机转速。可以首先进行台数控制，然后调整转速，单个房间运行的CRAH应有相同的转速。每台空调器运行的最小风量不得低于厂家给出的不出现潜冷的最小风量。

双盘管CRAH每个盘管接各自独立的冷冻水管路及独立控制系统，一半数量的CRAH工作在A路冷冻水管路，另一半数量的CRAH工作在B路冷冻水管路，CARH的控制器能应能够控制CRAH在A路和B路之间转换,间隔30分钟转换一次。当两通阀达到最大开度且送风温度超过设定值0.5?C超过5分钟时，自动切换到另一路冷冻水管路及控制系统，并自动关闭原工作的冷冻水管路及控制系统，同事声光报警至BMS。

每台CRAH自带两套独立的控制系统，包括温度探头、电动两通阀及控制线等。每台CRAH自带一个控制器且能够作为主控制器。选取一台CRAH控制器作为主控制器，负责本模块机房18台CRAH的台数控制、轮换，并接收外部信号和输出信号至BMS及各台CRAH。当在用主控制器故障时，自动切换到另一主控制器并声光报警至BMS，至少两台主控制器与BMS之间可单独进行信号传输。

控制详见图4CRAH系统控制原理图。

6结论

数据中心根据机房类型设定房间温湿度环境。

数据机房安全可靠是空调设计的根本出发点，在这基础上综合考虑机房空调运行的节能等。

数据机房出于安全可靠原因，一般都设置备用系统，以备空调器出现问题不影响数据中心的继续运行。

数据机房在过度季节中应尽量采用室外新风进行机房冷却，以达到节能的目的。