数据中心空调系统节能案例分析

数据中心空调系统节能案例分析

徐政

浙江省 杭州市 杭州赫智电子科技有限公司  310000

摘要：空调系统是当今建筑物、生产场所、公共场所的主要基础设施，其作用在于控制室内温度、湿度、清洁度，可以说空调系统质量如何直接关系到生产工艺和人体健康，还关系到能源消耗。本文结合某数据中心空调系统设计项目实际，在分析了空调系统设计情况的基础上，阐述了空调系统的节能工艺设计要点，希望能够给同行今后工作提供一定的参考。

关键词：数据中心；空调系统；信息设备；节能

近些年来，随着信息技术、IT技术和计算机技术的迅速发展，各类通信企业数量不断的增加。为了满足当今市场要求和行业竞争，越来越多的企业不断投入大量的人力物力进行硬件改造，这也让数据中心数量持续的增加。而数据中心的服务器、网络交换设备以及其他配套设施要想得到持续、稳定、安全运行，普遍都需要一个湿度、温度相对稳定的运行环境，这也给空调系统的运行稳定性和安全性提出了更高的要求，因而空调系统逐渐成为数据中心的主要耗能部分。相关数据统计表明，数据中心的耗能部分主要包括IT设备、制冷系统、供配电系统、照明系统及其他设施（包括安防设备、灭火、防水、传感器以及相关数据中心建筑的管理系统等）。整体来看，由服务器、存储和网络通信设备等所构成的IT设备系统所产生的功耗约占数据中心总功耗的45%，电源系统和照明系统分别占数据中心总耗电量的10%和5%，空调系统作为数据中心提高能源效率的重点环节，它所产生的功耗约占数据中心总功耗的40%。因此，如何在满足供冷可靠性的前提下，实现空调系统的节能降耗是当下关注的一个重点，这里结合项目实际阐述了数据中心空调系统的节能工艺设计要点，以供参考。

一、项目概况

本项目为北京某数据中心机房改建工程，空调系统设计为全年供冷，冷源采用4台离心式冷水机组，三用一备，且与冷水机组对应设置了4台板式换热器。为避免冷水机组遇突发情况失电后影响机房区域正常供冷，本项目还设置了蓄冷罐作为应急冷源，日常存储15分钟冷水，保障冷水机组停电恢复前一小段时间机房区域冷量的正常供应。末端方面，项目主机房部分采用机房专用空调机组供冷，气流组织方式为下送风上回风方式；变配电室、UPS室采用精密空调机组供冷，气流组织方式为上送风侧回风方式；电池室部分采用风机盘管供冷；舒适性空调区设置VRV空调或分体空调。该项目空调系统设计过程中，在确保满足数据中心对供冷连续性的要求的前提下，还采取了一系列的节能措施，大大降低了空调运行能耗。

二、项目设计

1、温湿度设计参数：冷通道温度18±2℃，湿度40~55%；热通道温度30±2℃，湿度20~45%；UPS设备用房温度25±3℃；UPS电池室温度20~30℃，办公类用房温度26℃；库房温度28℃；变电室、配电室温度28±3℃。

2、冷负荷与新风负荷：本项目冷冻水系统负荷7752.6kW，新风负荷348kW。

3、空调冷源

1）电制冷机组：本项目空调系统全年供冷，制冷机组采用3+1配置，选用设计工况制冷量为2638kW的4台380V水冷冷水机组，三用一备。

2）免费空调：本项目为提高系统效率，降低空调制冷能耗，与离心式冷水相组相对应，设置板式换热器，在过渡季及冬季室外气象参数允并的条件下，通过冷冻水与冷却水之间的换热，达到（过渡季湿球温度≤16℃）部分免费供冷及（冬季湿球温度≤4℃）全部免费供冷的目的。

3）蓄冷装置：本项目为保障人工冷源系统失电后数据机房区的正常供冷，设置了蓄冷罐装置，日常存储15分钟冷水，当冷水机组由于失电而停机后，蓄冷罐作为应急冷源与循环水泵—循环水管路—末端装置一同构成应急的空调供冷系统为数据机房区供冷，直至油机启动，向冷水机组正常供电，冷水机组重新启动（所需时间约15分钟）恢复向系统提供冷源，此时蓄冷罐停止供冷，重新切换为蓄冷工况。

4、冷冻水系统：本项目冷冻水采用一次泵变流量系统，设计冷冻水供回水温度为12/18℃。本项目在地下一层设置环形管道，地上供水采用4个独立的可在线维护的双向供水架构，当系统中某段管路故障时，可通过人工手动关断阀门隔离故障管段，并保障非故障管段仍能使所有机房水系统正常循环。

5、冷却水系统：本项目冷却水系统夏季设计工况水温32/37℃，冬季工况水温10.5/15.5℃，4台冷却塔设于屋顶，通风良好，无热湿空气回流。冷却塔采用变频风机，以适应不同工况的调节，冷却水泵变频调速运行。

三、节能措施

1、选用高效制冷机组：项目制冷机性能系数效率满足《公共建筑节能设计标准》要求，水冷冷水机组COP≥6.1。

2、能量自控调节：本项目空调末端、冷热源设备和空调水系统设有能量调节的自控装置。

3、冷机优化控制：离心式冷水机组由冷量优化控制运行台数。根据冷冻水供回水温差、供水总流量及冷水机组最佳负荷系数（70%-90%）编程进行自动增减冷水机组运行台数。控制器通过监测供回水管路上的温度及回水管路的流量传感器，计算出空调末端需冷量，同时监测每套冷冻单元的流量和供回水温差（计算产冷量），当计算负荷达到运行的制冷机组额定容量的90%，持续时间20分钟（可调），控制器增开一组运行时间累计最短的冷冻单元。当空调末端需冷量低于运行制冷机组总额定容量的40%，持续时间20分钟（可调），控制器将逐步关闭运行时间累计较长的冷冻单元。

4、应用免费空调：冬季可利用冷却塔制冷为精密空调提供冷源。当室外湿球温度5℃＜t≤12.5℃（可调）时，冷却塔出水温度10.5℃＜t≤16.5℃时，冷机、板换工作，进入部分自然冷却模式；当室外湿球温度t≤5℃（可调）时，冷却塔出水温度t≤10.5℃时，冷机停止工作，板换工作，进入自然冷却模式。

5、水泵变频运行：空调冷冻水泵、冷却水泵等采用变频机启停（转速），及时切调速运行。冷冻水泵根据末端最不利环路压差控制水泵变频及压差旁通阀的开度，保证供回水压差不大于0.1MPa（可调）。当末端负荷增加，最不利环路的实际压差变小，通过提高冷冻水泵的运行频率使得末端压差达到设定值，当水泵运行频率超过90%长达半分钟，则开启额外的运行时间最短的冷冻水泵以及冷水机组，直到满足末端负荷的要求。当末端负荷减小，最不利环路的实际压差变大，通过降低冷冻水泵的运行频率使得末端压差达到设定值，当水泵变频无法满足时，则开启压差旁通阀，阀门开度由最不利环路压差控制。

6、采用大温差供水：空调冷水采用6℃大温差运行，以减少系统流量，节省水泵电能。

四、结束语

总之，因近几年信息技术、计算机技术的不断发展，各类数据中心不断涌现，其设备运行由最初的十几千瓦到现如今的数千、数万千瓦，以后肯定还会出现荷载更大的数据中心。因此在数据中心机房空调系统设计的时候，需要充分考虑设备的运行和优化条件，在满足当前供冷条件的同时，充分考虑今后的更新和升级空间，有针对性对空调系统进行优化设计，稳定供冷的同时，让系统更加高效、节能。

参考文献

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[3]李文双,谢拥华,李凯.中小型数据中心空调系统节能改造探究与设计[J].科技视界,2021,000(030):129-130.