1　項目概況

項目位于上海市某科技園區(qū)，機房標(biāo)準(zhǔn)按照Ａ級機房＋T4級別設(shè)計，數(shù)據(jù)機房建筑面積為28 657 m2，機房區(qū)2層、辦公區(qū)4層（局部6層），框架結(jié)構(gòu)。機房1層層高為5 m，2層層高為4.2 m，辦公區(qū)層高為3 m。IT機房和精密空調(diào)機房區(qū)域設(shè)架空層，1層機房區(qū)域架空地板高度為1 m，2層機房區(qū)域架空地板高度為0.75 m。1，2層共設(shè)計16個模塊化數(shù)據(jù)機房，其中5 kV·A機柜2 823個，3 kV·A機柜1 377個，總機柜達(dá)4 200個。

2　數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)

2.1　空調(diào)負(fù)荷及設(shè)計參數(shù)

機房內(nèi)空調(diào)負(fù)荷主要有圍護(hù)結(jié)構(gòu)、人員、燈光、新風(fēng)、IT設(shè)備負(fù)荷等；濕負(fù)荷主要為工作人員進(jìn)入機房產(chǎn)生的偶然性濕負(fù)荷。主要特點如下：新風(fēng)量小、顯熱負(fù)荷大、濕負(fù)荷很小、空調(diào)送風(fēng)量大、空調(diào)系統(tǒng)全年制冷運行，IT設(shè)備負(fù)荷占比最大（70％～99％）。該項目數(shù)據(jù)機房冷負(fù)荷14 083 kW，占總冷負(fù)荷的95％；預(yù)留后期發(fā)展增容負(fù)荷4 200 kW。因該項目對安全性要求較高，考慮機房全年無故障運行，結(jié)合項目所在地極端最高溫天氣，按照夏季室外計算干球溫度45 ℃、濕球溫度31.5 ℃配置冷卻塔。該數(shù)據(jù)中心核心區(qū)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1　核心區(qū)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

2.2　空調(diào)冷源設(shè)計

數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷源形式有：風(fēng)冷直接膨脹制冷型、水冷直接膨脹制冷型、冷水制冷型。該數(shù)據(jù)中心設(shè)置集中冷源，采用冷水制冷型。根據(jù)GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》A級機房的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，參照TIA-942—2005《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)規(guī)定，在1層設(shè)置2個冷源（N＋N配置），每個冷源內(nèi)的冷水機組、冷水泵、冷卻水泵和屋頂冷卻塔等設(shè)備均相同配置（兩機房輪值），以保證在一路電源喪失時，另一個冷源能夠100％保證數(shù)據(jù)中心的安全運行。制冷機的安裝可根據(jù)業(yè)主實際的增容過程分期投入，在初期建設(shè)至最終滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)過程中，均可實現(xiàn)實際運行負(fù)荷率在25％～100％之間變化。

10 kV冷水機組相比380 V的冷水機組初投資更省，變壓器損耗也小很多，該數(shù)據(jù)中心每個制冷站設(shè)計4臺39 742 kW（11 300 rt）的10 kV高壓離心冷水機組，機組中各設(shè)置1臺變頻機組以加強低負(fù)荷工況的調(diào)節(jié)能力。冷水管道按照A/B雙路設(shè)計，可互為備用。A/B環(huán)路公共區(qū)域用防火板作物理分隔。夏季工況：冷水供回水溫度12 ℃/18 ℃，冷卻水進(jìn)出水溫度39 ℃/34 ℃；冬季工況：冷卻水進(jìn)出水溫度15.5 ℃/10.5 ℃，制冷站1（同制冷站2）冷源系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　制冷站1冷源系統(tǒng)原理

考慮柴油發(fā)電機啟動時間10 min，電制冷冷水機組啟動時間5 min，蓄冷罐作為應(yīng)急冷源能保證在滿負(fù)荷下持續(xù)供冷15 min，設(shè)計蓄冷罐容積480 m3，位于室外。連續(xù)供冷由蓄冷罐、空調(diào)冷水泵和精密空調(diào)保證?？照{(diào)冷水泵、精密空調(diào)機組由UPS供電，供電時間15 min。平時蓄冷罐處于蓄冷狀態(tài)，充滿12 ℃的冷水。當(dāng)雙路市電斷電，系統(tǒng)向柴油發(fā)電機供電轉(zhuǎn)換期間，在冷水系統(tǒng)恢復(fù)正常運行之前，冷水泵、機房精密空調(diào)連續(xù)運行，蓄冷罐處于放冷狀態(tài)，提供IT機房精密空調(diào)機組冷水，保證IT機房的不間斷供冷。

2.3　空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)中心冷水系統(tǒng)為2個獨立的系統(tǒng)，并且獨立于大樓舒適性空調(diào)系統(tǒng)，每個冷水系統(tǒng)均采用一級泵變流量系統(tǒng)，根據(jù)最不利回路末端壓差控制水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水泵變頻器頻率，改變用戶側(cè)水量。為提高系統(tǒng)的安全性，冷水主干管布置成環(huán)路，設(shè)置于1層走道和空調(diào)機房間內(nèi)，2層走架空層，為遠(yuǎn)期建設(shè)擴(kuò)容預(yù)留條件。機房擴(kuò)容充分考慮機房空調(diào)的預(yù)留位置及檢修條件。

每個制冷站的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計采用母管制，冷卻塔進(jìn)出水管道采用并聯(lián)，冷卻水泵與冷水機組一一對應(yīng)，冷卻水泵定流量，冷卻塔風(fēng)機變頻。

每個制冷機房附近設(shè)有冷卻水補水池，由兩路市政給水，當(dāng)市政給水出現(xiàn)故障時，水池容積最少滿足系統(tǒng)滿負(fù)荷連續(xù)運轉(zhuǎn)24 h。

兩路冷水經(jīng)不同路由送至各樓層及各空調(diào)機房，滿足容錯系統(tǒng)的物理分割要求。冷水管路系統(tǒng)及機房精密空調(diào)均為2N配置，任何一路冷水或任何一臺精密空調(diào)故障，均不影響關(guān)鍵負(fù)荷100％運行，保證在線維護(hù)的需要。當(dāng)空調(diào)設(shè)備突發(fā)故障時，能及時關(guān)斷故障設(shè)備兩側(cè)的閥門，檢修或更換故障設(shè)備，同時還能保證除關(guān)斷閥門管路之外的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的正常運行。

2.4　免費供冷技術(shù)應(yīng)用

該工程設(shè)計采用冷卻塔免費供冷系統(tǒng)，每臺制冷機配有1臺板式換熱器。根據(jù)室外環(huán)境溫度的變化，制冷站分為制冷機供冷模式、部分免費供冷模式、完全免費供冷（節(jié)能）模式。制冷機供冷模式由冷水機組供冷，板式換熱器不工作，冷水不經(jīng)過板式換熱器直接被旁通之后進(jìn)入制冷機。部分免費供冷模式是制冷機與板式換熱器同時工作，冷水先進(jìn)入板式換熱器預(yù)冷后再進(jìn)入制冷機。完全免費供冷模式是當(dāng)室外溫度降到一定值時，完全由冷卻塔通過板式換熱器間接向末端空調(diào)供冷。

當(dāng)冷卻塔出水溫度高于16 ℃（對應(yīng)濕球溫度10 ℃左右）時應(yīng)采用制冷機供冷模式；當(dāng)出水溫度低于10 ℃（對應(yīng)濕球溫度約5 ℃）時，采用完全免費供冷模式；當(dāng)出水溫度高于10 ℃且不超過16 ℃時，可以采用部分免費供冷模式。

基于上海地區(qū)的累年氣象參數(shù)統(tǒng)計，全年中約27.9％的時間可以利用免費供冷，其中16.3％的時間（1 430 h）為完全免費供冷，11.6％的時間（1 022 h）為部分免費供冷。上海地區(qū)日平均溫度在5 ℃左右的時間大約有３個半月，其中冷卻水出水溫度低于10 ℃的時間累計約2個月，最高出水溫度高于10 ℃而低于16 ℃的時間超過1個半月，因此約有２個月的時間可以使用完全免費供冷，1個半月時間可以部分使用免費供冷，節(jié)能優(yōu)勢明顯。

2.5　空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

該數(shù)據(jù)中心采用溫濕度獨立控制的空調(diào)方式，數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部濕負(fù)荷很小，通常由新風(fēng)機組承擔(dān)。

為了保證機房內(nèi)空氣的品質(zhì)與濕度，滿足機房內(nèi)工作人員健康的要求以及保證機房內(nèi)正壓，機房區(qū)的新風(fēng)量根據(jù)以下原則確定：1）按工作人員新風(fēng)量40 m3/（人·h）；2）維持室內(nèi)正壓5～10 Pa；3）夏季采用等室內(nèi)露點溫度送風(fēng)，控制室內(nèi)濕度。

該機房的新風(fēng)量按換氣次數(shù)1 h－1設(shè)計，采用自帶冷源風(fēng)冷獨立新風(fēng)機組，向房間供應(yīng)新風(fēng)。在2層和屋頂層共設(shè)有16臺組合式集中新風(fēng)機組。新風(fēng)對IT和電氣機房施加正壓，使?jié)B入的灰塵和微粒減到最低的水平，同時控制室內(nèi)濕度，防止靜電和凝結(jié)水聚集，保證機房內(nèi)人員新風(fēng)要求。

夏季新風(fēng)是以等室內(nèi)露點溫度送入室內(nèi)，冬季新風(fēng)加熱至12 ℃（高于室內(nèi)露點溫度）后送入室內(nèi)吊頂，與機房空調(diào)機組回風(fēng)混合后再送入室內(nèi)，濕度由安裝在數(shù)據(jù)機房架空層或送風(fēng)管內(nèi)的濕膜加濕器控制。當(dāng)機房內(nèi)部相對濕度低于40％時啟動濕膜加濕器進(jìn)行加濕。

2.5.1　空調(diào)系統(tǒng)配置及氣流組織

采用機房精密空調(diào)機組，2N冗余配置，下送風(fēng)、上回風(fēng)，高效EC風(fēng)機變風(fēng)量運行，配置微電子控制器與效率為65％的空氣過濾器（0.5 μm顆粒）。機組需要雙路（A路、B路）供電，末端相互切換。其中部分精密空調(diào)設(shè)計加濕功能；下送風(fēng)各空調(diào)機組采用導(dǎo)風(fēng)管送風(fēng)進(jìn)入活動地板，利用集中回風(fēng)口進(jìn)行回風(fēng)。機房精密空調(diào)機組的冷水供回水溫度為12 ℃/18 ℃，冷通道送風(fēng)溫度16 ℃，熱通道回風(fēng)溫度29 ℃。精密空調(diào)機組設(shè)定送風(fēng)溫度（16 ℃）高于室內(nèi)露點溫度（12.8 ℃），機組為干工況運行，全部承擔(dān)顯熱負(fù)荷。

2.5.2　機房冷熱通道設(shè)計

機房內(nèi)部機柜采用面對面／背對背的擺放方式，面對面之間的通道為冷通道，背對背之間的通道為熱通道。機列與機列之間形成相對封閉的冷通道和熱通道，目的是對發(fā)熱設(shè)備進(jìn)行精確送冷風(fēng)，然后再從隔離通道回風(fēng)，讓設(shè)備有效地排出熱空氣，該方式消除了冷熱氣流的短路現(xiàn)象，而且可以針對不同發(fā)熱量的設(shè)備進(jìn)行風(fēng)量匹配和冷量調(diào)節(jié)，冷風(fēng)利用率很高，實現(xiàn)了定點、定量輸送冷風(fēng)，大大提高冷空氣的利用率，提高末端精密空調(diào)的制冷效率，從而極大提高機柜冷卻效率。研究表明，采用精確送冷風(fēng)方式，送風(fēng)量下降42％，能耗明顯降低。

該數(shù)據(jù)中心通道間距按8塊地板的寬度設(shè)置。冷通道設(shè)2塊可檢視地板塊（600 mm×600 mm），開孔率40％。熱通道上方吊頂設(shè)置回風(fēng)口。冷熱通道設(shè)計見圖3。

圖3　冷熱通道設(shè)計

2.5.3　機房氣流組織設(shè)計

數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)系統(tǒng)氣流組織有下送風(fēng)上回風(fēng)、上送風(fēng)前回風(fēng)（或側(cè)回風(fēng)）等方式。地板下送風(fēng)方式是目前數(shù)據(jù)中心送風(fēng)的主要形式。按照冷熱通道設(shè)計，空調(diào)送風(fēng)由高架地板送入冷通道，冷風(fēng)精確分配到IT服務(wù)器，熱排風(fēng)經(jīng)由熱通道頂部設(shè)置的回風(fēng)口，回至精密空調(diào)機組，氣流組織更為合理，在大大降低空調(diào)能耗的同時，也保證了設(shè)備的安全穩(wěn)定可靠運行。精密空調(diào)機組設(shè)置在專用空調(diào)間，機房精密空調(diào)沿機房長邊側(cè)進(jìn)風(fēng)，單側(cè)單排且垂直于機架布置，送風(fēng)距離控制在20 m以內(nèi)。機柜的散熱氣流基本為從正面吸進(jìn)冷風(fēng)，從背面排出熱風(fēng)，機柜也多采用前后網(wǎng)孔門。網(wǎng)孔門的通孔率取決于設(shè)備的發(fā)熱量和通風(fēng)量的要求。機柜前進(jìn)風(fēng)，前門開孔率≥60％，孔徑應(yīng)為4.5～8.0 mm，開孔區(qū)域面積比≥80％；后門開孔率≥50％，孔徑應(yīng)為4.5～8.0 mm，開孔區(qū)域面積比≥70％。

2.6　機房CFD模擬

數(shù)據(jù)中心機房氣流組織模擬的目的是檢驗空調(diào)輸出的冷空氣是否按照設(shè)計的意圖、按照設(shè)計的流量和流速，均勻分配到目標(biāo)設(shè)備上以達(dá)到冷卻效果。對于地板下送風(fēng)，地板下為靜壓箱，只有保持靜壓箱中有足夠的靜壓且靜壓的分布相對均勻，才能保證每個機柜的冷風(fēng)量。通過CFD技術(shù)對機房的氣流組織進(jìn)行了模擬和驗證。

靜壓箱內(nèi)的氣流在機組出風(fēng)口處速度較大，隨著送風(fēng)進(jìn)一步擴(kuò)散，氣流速度逐漸衰減，在氣流末端，即靜壓箱中間位置，氣流速度最小。壓力分布整體比較均勻，靠近送風(fēng)口處氣流壓力擾動較大，送風(fēng)末端氣流壓力趨于穩(wěn)定。

低溫送風(fēng)氣流可以較好地通過發(fā)熱機柜后由排風(fēng)口排出，機組降溫效果明顯。由于機柜是主要的熱源，溫度分布呈現(xiàn)明顯的冷熱通道。送風(fēng)通道溫度較低，排風(fēng)通道溫度較高；發(fā)熱機柜整體上溫度都被降低，靠近送風(fēng)通道側(cè)的機組溫度降低較快，滿足機柜運行需要，與設(shè)計意圖一致。從模擬結(jié)果看，由于冷量集中在通道內(nèi)，服務(wù)器得到更好的冷卻，減少了氣流短路現(xiàn)象，室內(nèi)氣流組織路線清晰，空調(diào)的無效送風(fēng)量大大減少，空調(diào)的運行時間縮短，運行費用降低，制冷和節(jié)能效果顯著。

3　數(shù)據(jù)中心通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)中心機房和電氣機房均設(shè)置氣體滅火，在氣體滅火區(qū)域設(shè)置災(zāi)后廢氣排除系統(tǒng)。換氣次數(shù)設(shè)計為5 h－1。

電池室設(shè)有機械排風(fēng)，換氣次數(shù)平時3 h－1，災(zāi)后5 h－1。電池室排風(fēng)系統(tǒng)兼災(zāi)后排風(fēng)。電池室排風(fēng)支管上設(shè)2個排風(fēng)口，一個設(shè)在上部，排除可能產(chǎn)生的少量氫氣，另一個靠近地板，用以排除災(zāi)后廢氣。

鋼瓶間設(shè)有排風(fēng)系統(tǒng)，分為平時通風(fēng)和緊急通風(fēng)2種模式。平時通風(fēng)換氣次數(shù)2 h－1，常年運行。緊急通風(fēng)在室內(nèi)消防氣體濃度超過安全值時啟動，關(guān)閉系統(tǒng)中其他房間的風(fēng)閥，事故房間風(fēng)閥全開，換氣次數(shù)5 h－1。

4　空調(diào)系統(tǒng)安全要求

數(shù)據(jù)機房的功率密度由20世紀(jì)90年代初的0.1 kW/機柜逐步提升到21世紀(jì)初的1 kW/機柜以上，現(xiàn)代刀片式服務(wù)器的出現(xiàn)，使功率密度驟然提升到10 kW/機柜甚至100 kW/機柜以上。數(shù)據(jù)中心空調(diào)負(fù)荷強度高，即使在冬季仍然需要空調(diào)供冷。一旦空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，IT設(shè)備散熱量無法及時消除，機房溫度很快超過設(shè)備對工作溫度的要求，可能會導(dǎo)致IT設(shè)備損壞，造成巨大損失。因此設(shè)計時須避免空調(diào)制冷系統(tǒng)的單點故障，保證系統(tǒng)24 h全天不間斷供冷，并且能在線維護(hù)（保證系統(tǒng)不間斷供冷的情況下維修或更換部分設(shè)備或者配件）。首先冷源方面，設(shè)計采用備份甚至雙冷源系統(tǒng)，空氣源熱泵系統(tǒng)供新風(fēng)機組及輔助區(qū)域空調(diào)；冷水機組供數(shù)據(jù)機房的精密空調(diào)。主機均按N＋x（x＝１～N）設(shè)置備用，同時蓄冷罐作為應(yīng)急備用冷源，保證系統(tǒng)斷電時不間斷供冷。在管路方面，冷源側(cè)及末端均采用復(fù)線或環(huán)路設(shè)計，以提高水系統(tǒng)的可靠性與安全性，保證系統(tǒng)不間斷運行。數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)按容錯2N配置為：兩路市電電源、備用電源、2套低壓配電系統(tǒng)、2N冗余的機房專用空調(diào)系統(tǒng)、機柜系統(tǒng)。共同實現(xiàn)不間斷的數(shù)據(jù)信息服務(wù)，系統(tǒng)就有高可用性、高可靠性、高安全性、高可擴(kuò)展性。

5　數(shù)據(jù)中心節(jié)能要求

評價數(shù)據(jù)中心的能源效率，行業(yè)中采用PUE值來衡量，PUE越接近１，表明能效水平越好。目前全球數(shù)據(jù)中心的平均PUE為2.0，發(fā)達(dá)國家的PUE約為1.5～1.8，我國80％以上的數(shù)據(jù)中心PUE大于2.0，有的甚至高達(dá)3.0，該項目設(shè)計PUE為1.42。

數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)能耗巨大，其節(jié)能潛力也很大，空調(diào)節(jié)能設(shè)計體現(xiàn)在以下5個方面。1）冷源方面，提高冷水供回水溫度至12 ℃/18 ℃，制冷機COP可達(dá)6.28，部分負(fù)荷下可達(dá)8.1，以及采用變速驅(qū)動的離心機有效提高其滿負(fù)荷及部分負(fù)荷的性能系數(shù)。4）冬季采用免費供冷技術(shù)。3）數(shù)據(jù)機房采用溫濕度獨立控制的空調(diào)方式。4）數(shù)據(jù)機房服務(wù)器采用封閉冷熱通道的冷卻方式、避免冷風(fēng)和熱風(fēng)的混合，從而提高末端冷卻的效率。5）數(shù)據(jù)機房與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)間設(shè)置走廊或輔助設(shè)備用房，同時數(shù)據(jù)機房樓不設(shè)外窗，減少數(shù)據(jù)機房與外界的直接接觸。這種機房布局方式也使外圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷對機房負(fù)荷的影響降至最低，使機房負(fù)荷維持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

6　結(jié)語

近年來，我國通信產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，服務(wù)于各行業(yè)的大型數(shù)據(jù)中心越來越多，機架設(shè)備功率越來也大，對空調(diào)節(jié)能技術(shù)提出了新的更高要求，需要進(jìn)一步拓展機房節(jié)能潛力的空間。數(shù)據(jù)機房設(shè)計時，要各專業(yè)緊密配合，考慮將綜合的節(jié)能集成技術(shù)應(yīng)用在項目中達(dá)到遠(yuǎn)期和近期統(tǒng)一、合理?？照{(diào)專業(yè)要保證為機房提供良好的運行環(huán)境，采用機房專用恒溫恒濕精密空調(diào)，合理設(shè)計氣流組織，充分考慮機房空調(diào)系統(tǒng)安全性和節(jié)能性，為未來5～10年預(yù)留一定的擴(kuò)容空間

文章來源：精密空調(diào) http://m.mygoldentreasures.com/

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