杨志恒
乙酸乙酯实验装置
广东省电信规划设计院有限公司，广东广州５１００００
摘要：伴随着信息技术的发展，数据中心的建设需求增大㊂大中型数据中心作为一个庞大的工程，承载着数据接收㊁数据储存及数据对接等重要功能㊂而在大中型数据中心的建设过程中，空调系统有着举足轻重的地位㊂由于数据中心空调系统极其复杂，所以着重分析大中型数据中心空调系统的设计㊂
关键词：大中型数据中心；空调系统；绿节能；能耗
中图分类号：ＴＵ２０１．５
电机线束０引言
数据中心空调系统与通常的舒适性空调系统有
很大不同㊂数据中心空调系统的服务对象主要是网
络设备㊁ＩＴ服务器及安装在机柜中的设备，而舒适性
空调系统的服务对象主要是人［１］㊂因为通信设备是不间断运行的，对环境的温度㊁湿度有特定的要求，
一旦环境失控，将会导致不可估量的损失㊂因此，数
据中心空调系统的设计需要更加严谨㊂
在数据中心空调系统设计的过程中，首先应了
解数据中心设计参数及负荷计算，之后选择可靠的
空调系统方案，并模拟分析该系统的气流组织
情况［２］㊂
１数据中心设计参数及负荷特点１．１数据中心设计参数
２０１８年１月１日开始实施的‘数据中心设计规范“对各级数据中心的环境提出了明确要求，详见表１㊂
表１㊀数据中心环境要求
项目要求
冷通道或机柜进风区域温度１８ ２７ħ
冷通道或机柜进风区域相对湿度ɤ６０％
冷通道或机柜进风区域露点温度５．５ １５ħ
辅助区温度及相对湿度１８ ２８ħ㊁３５％ ７５％
不间断电源系统电池室温度２０ ３０ħ１．２数据中心空调负荷特点分析
为了实现大中型数据中心绿节能㊁高可靠性的目标，空调系统须在保证安全运行的前提下，尽量降低数据中心总体ＰＵＥ值（评价数据中心能效指标，基准是２，越接近１说明能效越好）㊂数据中心的发热量主要来源于服务器设备，热负荷主要为显热负荷，相比较而言，数据中心的建筑围护结构热负荷占总负荷的比例通常不超过２０％㊂因此，空调制冷系统的冷负荷主要受设备功率影响，在进行空调系统设计时必须充分考虑设备负荷［３］㊂
数据中心的冷负荷大㊁湿负荷小，因此在消除机房室内余热的同时，通常还必须对室内空气进行除湿或加湿处理，以保证机房相对湿度满足要求（３５％ ７５％）㊂由于设备每天２４ｈ不间断运行，不
断地向机房散发大量热量，因此数据中心空调系统需要不间断运行，且持续对机房供冷㊂而机房内的湿负荷占比极小，设备在运行时并没有向外散湿，机房内的湿气主要来源于新风系统和人体㊂
２数据中心空调系统方案选择
在掌握数据中心空调负荷特点之后，计算出空调系统所产生的制冷量，制订合理的空调系统方案㊂在大中型数据中心系统中，由于设备量较大，通常按照 终期规划㊁分期建设 的原则进行设计，这样既可以保证初期低负荷设备的安全运行，也能够满足终期系统运行，更有利于数据中心系统绿节能运行㊂２．１空调主系统方案设计
在数据中心中，空调系统主要有风冷空调系统和水冷集中空调系统两种㊂大中型数据中心规模大㊁能耗高，因此宜选择水冷集中空调系统，以达到
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㊀㊀２０１９年第０３期㊀
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㊀图１㊀空调水系统流程图
系统稳定㊁可靠㊁节能等目的㊂
水冷集中空调系统主要包括冷冻水系统和冷却水系统两大部分㊂冷冻水系统主要包括空调主机㊁冷冻水泵㊁蓄冷设备及定压装置等；冷却水系统主要包括制冷主机㊁冷却水泵㊁冷却塔及水处理装备等㊂在空调主系统的设计过程中，制冷主机的设计关系着这两大系统，即冷冻水泵㊁冷却水泵及冷却塔的设计应与制冷主机的设计相匹配㊂
以南方某大中型数据中心的空调系统设计为例，其空调系统水系统运行流程如图１所示㊂该空调系统终期提供的制冷量为１２０００ｋＷ（３４１２ＵＳＲＴ），数据中心分两期建设完成，其中一期满负荷运行时所需制冷量为３５００ｋＷ，且一期初始阶段只运行一期１／２的数据机柜㊂综合以上情况，一期空调系统设置２台制冷量为２０００ｋＷ的离心冷水主机（简称小机）及１台制冷量为４０００ｋＷ的离心冷水主机（简称大机），二期空调系统建设时再增加２台制冷量为
４０００ｋＷ的离心冷水主机㊂综合以上主机设计原则，一期完成２台小机和１台大机及其对应的冷冻水泵㊁冷却水泵及冷却塔的建设，并完成所有的蓄冷设备和水处理设备的安装㊂
该数据中心空调系统的运行模式如下：一期初始阶段开启１台小机，另１台小机作为备用主机；一期满负荷运行时开启１台大机，２台小机作为备用主机；终期满负荷运行时开启３台大机，２台小机作为备用主机㊂该数据中心采用大机㊁小机搭配设计，这样既能够满足一期及终期系统满负荷运行的需求，又能使在一期初期负荷偏小时开启小机运行，更加绿节能㊂
２．２空调末端系统方案设计
针对数据中心机房的设备功率密度和布置形式，应考虑不同的空调送回风方式㊂为保证机柜散热良好，同时降低空调系统的运行能耗，本案例采用 封闭冷通道 的方式以解决机柜散热问题㊂本案例的机房单机柜功率为５ｋＷ，采用恒温恒湿空调地板下送风㊁上回风的送回风方式即可满足设计要求㊂为了能够直观地看到机房环境效果，建立数学物理模型并运用ＣＦＤ模拟技术进行分析㊂从图２可知，封闭冷通道区域的温度为１６．４ １８．８ħ，满足‘数据中心设计规范“对机房温度的要求
㊂
图２㊀机房温度场模拟分析
西瓜连２．３空调系统安全性设计
为保证空调系统不间断运行，在空调系统设计过程中应充分考虑系统在运行过程中可能出现的各种安全隐患㊂
本案例中，空调主机㊁冷冻水泵㊁冷却水泵㊁冷却
隔离dcdc电源
１
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塔及末端空调风柜均设置了备用设备，主要是考虑
到设备出现故障时将不能提供数据中心所需的冷
量，很可能导致设备宕机㊂设置备用设备后，任何一
台设备出现故障都可以启动该设备的备用机㊂为了
避免系统中任何一点出现故障导致全部要停机检
修，空调冷冻水供回水管网及冷却水供回水管网采
用 双供双回㊁环形布置 的设计原则㊂同时，还应考
虑到数据中心空调系统供电系统出现故障时，随着设
备散热量不断增加，机房的环境很难确保设备的正常
运行［４］㊂按照‘数据中心设计规范“要求，Ａ级机房的蓄冷设备供应冷冻水的时间不应小于不间断电源设备
的供电时间，因此，需要配备一定的蓄冷设备㊂２．４空调系统节能性设计
据分析，数据中心的耗电量约占社会总耗电量
的２％，而空调系统的能耗约占数据中心能耗的３０％㊂因此，降低空调系统能耗成为节约数据中心系统能耗的一个关键因素［５］㊂
如前所述，由于数据中心空调系统主要的服务
对象是各种设备，而设备的散热主要是显热，因此适
当提高空调冷冻水供回水温度可以减少不必要的除
湿负荷㊂案例中的冷冻水供回水温度为１０ħ／１６ħ，与传统的舒适性空调系统相比，空调冷水主机的能耗节约１５％左右，同时随着冷冻水供回水温度的提高，进一步提高了机房空调的使用效率㊂另一方面，由于空调冷冻水供回水温差由传统的５ħ提高到６ħ，空调冷冻水泵的流量相应降低了约１７％，直接减少了冷冻水泵约７％的耗电量㊂光滑爪蟾
90DYW1为了进一步降低空调系统的能源消耗，选用节
能空调设备，采用自动智能化控制系统㊂空调水系
统所带来的能源消耗占整个空调系统总能耗的较大
比例，如果采用截止阀等设备调节空调水流量将会
导致大量的能量浪费㊂因此，本案例中的冷冻水泵
和冷却水泵采用变频设计㊂变频水泵不仅能够通过
合理地调节及智能化控制对空调主机和水泵进行保
护，还可以根据空调系统中设置的温差㊁压差及水
温，通过变频技术实现水系统的变流量控制，减少空调水系统能耗㊂同理，空调制冷主机和冷却塔也相应地采用变频设计㊂由图３可知，在低负荷运行的情况下，变频主机也能够高效运行
㊂
图３㊀部分负荷变频主机与定频主机的ＣＯＰ对比曲线３结论
（１）虽然空调系统是数据中心能耗的主要担当，但仍可以通过合理的设计来降低空调系统能耗，例如本文中提到的提高冷冻水供回水温度和温差㊁采用变频技术等㊂
（２）在大型数据中心空调系统设计过程中，需要综合考虑将来空调系统运行过程中可能出现的故障点，通过合理的方法，解决所有的安全隐患㊂（３）在空调系统设计过程中有必要对机房进行气流组织分析，通过模拟分析，到最可靠㊁节能㊁高效的空调末端送回风方式㊂
总之，随着信息化进程的深入，大型数据中心的设备越来越多，而空调系统是一个复杂的系统，在其设计过程中，更应该从安全性㊁节能性㊁高效性等多方面进行探索和创新㊂
参考文献
［１］曾伟．数据中心用空调系统设计探讨［Ｊ］．建筑热能通风空调，２０１８（８）：９０⁃９３．
［２］姜皓遐．数据中心空调系统的设计㊁节能解决方案［Ｊ］．洁净与空调技术，２０１６（４）：６４⁃６８．
［３］钱晓栋，李震．数据中心空调系统节能研究［Ｊ］．暖通空调，２０１２（３）：９１⁃９６．
［４］段轶伊．水蓄冷技术在数据中心的应用实例分析［Ｊ］．制冷与空调，２０１５（９）：８１⁃８６．
［５］朱慧宾．探索数据中心空调系统的节能［Ｊ］．智能建筑电气技术，２０１４（４）：３７⁃４１．
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