引言

目前數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程行業(yè)里形成一個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，針對(duì)安裝在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的設(shè)備功率密度、可靠性、靈活性等要求，空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際方式也不盡相同，本文擬就國(guó)內(nèi)某大型企業(yè)自用數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際案例做一介紹，以供同行參考。

1.工程概況

本工程數(shù)據(jù)中心大樓為一個(gè)4層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑，包含主機(jī)房、支持區(qū)（空調(diào)機(jī)房、變配電所及UPS間、氣瓶間）、冷水站、辦公區(qū)、裝卸貨等功能區(qū)域。

主機(jī)房按照“整體B級(jí)，局部高可用”的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，共有10個(gè)主機(jī)房模塊：1、6個(gè)模塊為常規(guī)高密度機(jī)房，功率密度可達(dá)到2kVA/m2，每個(gè)模塊的使用面積為500m2,布置在3層和4層；2、3個(gè)模塊為可兼容非常規(guī)高密度機(jī)房，功率密度可達(dá)到5kVA/m2，每個(gè)模塊的使用面積為500m2，布置在3層和4層；3、1個(gè)模塊為高可用機(jī)房，功率密度為1kVA/m2，該模塊的使用面積為300㎡，布置在1層。

數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2.數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

先進(jìn)性：模塊化配置，滿足中遠(yuǎn)期要求，符合IT發(fā)展趨勢(shì)；

可靠性：系統(tǒng)冗余備份，管路多路由，從冷源、管路、末端配置各方面考慮；

靈活性：模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具備彈性及可擴(kuò)充能力；

功能性：空間設(shè)計(jì)以及功能區(qū)設(shè)置符合服務(wù)流程，并能靈活組合；

可服務(wù)性：易維護(hù)、可更新，設(shè)施滿足監(jiān)控和運(yùn)營(yíng)服務(wù)；

經(jīng)濟(jì)性：節(jié)能、綠色環(huán)保、自動(dòng)運(yùn)行、節(jié)能控制與低PUE的綠色數(shù)據(jù)中心。

3.末端空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1氣流組織

3.1.1常規(guī)高密度機(jī)房和高可用機(jī)房

機(jī)房空調(diào)氣流組織，擬采用冷、熱通道隔離的方式。機(jī)房計(jì)算機(jī)柜以面對(duì)面和背靠背成排方式布置，熱通道上方設(shè)置透明的軟隔斷，將冷熱通道完全隔離?？照{(diào)系統(tǒng)采用架空地板下送風(fēng)、天花吊頂回風(fēng)的氣流組織方式，送風(fēng)口設(shè)置在冷通道的架空地板上，送風(fēng)口采用孔板分扣600㎜×600㎜，根據(jù)送風(fēng)量設(shè)計(jì)開(kāi)孔率，配套調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)每個(gè)風(fēng)口的送風(fēng)量，回風(fēng)口設(shè)置在熱通道的吊頂天花上，風(fēng)口采用格柵風(fēng)口600㎜×600㎜。

新風(fēng)直接從室外經(jīng)過(guò)過(guò)濾后引入吊頂回風(fēng)空間內(nèi)，與回風(fēng)混合，平時(shí)用于滿足工作人員的新風(fēng)需求和保證機(jī)房密封所需要的正壓需求。新風(fēng)處理采用常規(guī)吊頂式新風(fēng)機(jī)組。常規(guī)高密度機(jī)房氣流組織圖如圖2所示。

圖2 常規(guī)高密度機(jī)房氣流組織圖

3.1.2非常規(guī)高密度機(jī)房

本計(jì)算機(jī)樓房的3個(gè)非常規(guī)高密度機(jī)房，計(jì)算機(jī)設(shè)備平均裝機(jī)用電密度為5kVA，這和到單臺(tái)機(jī)柜的用電量約10kW。該部分空調(diào)氣流組織擬采用架空地板下送風(fēng)和機(jī)柜局部冷卻相結(jié)合的方式。地板下送風(fēng)擔(dān)負(fù)1/3空調(diào)負(fù)荷，機(jī)柜局部冷卻裝置負(fù)擔(dān)2/3的空調(diào)負(fù)荷。

空調(diào)系統(tǒng)采用架空地板下送風(fēng)、天花吊頂回風(fēng)的氣流組織方式，送風(fēng)口設(shè)置在冷通道的架空地板上，送風(fēng)口采用孔板風(fēng)口600㎜×600㎜，根據(jù)送風(fēng)量設(shè)計(jì)開(kāi)孔率，配套調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)每個(gè)風(fēng)口的送風(fēng)量，回風(fēng)口設(shè)置在熱通道的吊頂天花上，風(fēng)口采用格柵風(fēng)口600㎜×600㎜。

機(jī)柜配套局部冷卻系統(tǒng)由制冷主機(jī)+制冷末端單元組成。制冷主機(jī)仍采用冷水作為冷源，制冷主機(jī)與制冷末端單元通過(guò)銅管鏈接，內(nèi)部充注R134a環(huán)保冷媒進(jìn)行熱交換，通過(guò)主機(jī)控制器控制，保證制冷末端單元蒸發(fā)器表面溫度高于露點(diǎn)溫度，避免蒸發(fā)器及冷媒管路表面結(jié)露產(chǎn)生冷凝水。非常規(guī)高密度機(jī)房氣流組織圖如圖3所示。

圖3 非常規(guī)高密度機(jī)房氣流組織圖

3.2室內(nèi)空氣溫度

（1）計(jì)算機(jī)機(jī)房溫濕度的確定對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)有較大的影響，也是很關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。關(guān)于機(jī)房的設(shè)計(jì)溫濕度，最新的《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50172-2008）規(guī)定，溫度為23±1℃，相對(duì)濕度為40%~~55%，但是機(jī)房區(qū)各個(gè)區(qū)域的溫度差異比較大，規(guī)范中并沒(méi)有明確此溫度的準(zhǔn)確定義點(diǎn)。

（2）根據(jù)美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)）的建議，分冷、熱通道分別定義溫度。這樣更科學(xué)和更合理的體現(xiàn)機(jī)房計(jì)算機(jī)設(shè)備的要求，所以本工程設(shè)計(jì)的冷通道設(shè)計(jì)溫度為18~23℃，熱通道為28~33℃。這樣設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)如下的優(yōu)點(diǎn)：1）提高了送風(fēng)溫度，從而提高了換熱的效率，即提高冷水機(jī)組的能效比，明顯節(jié)約能源；2）為過(guò)渡季節(jié)和冬季使用免費(fèi)冷源冷卻提供使用的可能，并增長(zhǎng)了可使用的時(shí)間；3）為末端精密空調(diào)的干況運(yùn)行提供有利條件，對(duì)空氣處理過(guò)程的節(jié)能有較大的好處。冷、熱通道溫度示意圖如圖4所示。

圖4 冷、熱通道溫度示意圖

3.3空氣處理過(guò)程

（1）根據(jù)計(jì)算機(jī)房的負(fù)荷你，計(jì)算機(jī)房主要為顯熱負(fù)荷，機(jī)房專用空調(diào)設(shè)計(jì)為干工況運(yùn)行，因?yàn)橛?jì)算機(jī)房無(wú)工作人員，對(duì)于偶爾因少數(shù)工作人員進(jìn)入而帶入的濕符合忽略不計(jì)。末端空調(diào)設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度為18℃，回風(fēng)設(shè)計(jì)溫度為28℃。

（2）新風(fēng)處理過(guò)程在夏季將室外空氣處理到室內(nèi)空氣的溫濕度，即23℃和50%，送入空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)，冬季僅作過(guò)濾處理，不做溫濕度的處理直接送入空調(diào)機(jī)房。新風(fēng)量的設(shè)計(jì)采用維持機(jī)房正壓要求的送風(fēng)量。

3.4設(shè)備設(shè)置

機(jī)房空調(diào)中的空調(diào)末端采用機(jī)房專用精密空調(diào)機(jī)組，分別設(shè)置于每個(gè)機(jī)房模塊兩側(cè)的空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)，空調(diào)系統(tǒng)均為模塊化配置。

常規(guī)密度的計(jì)算機(jī)房模塊（6個(gè)模塊），機(jī)房主要采用冷水型機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組，每個(gè)計(jì)算機(jī)房模塊采用N+1冗余配置，每個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)置1臺(tái)新風(fēng)機(jī)，同時(shí)每個(gè)模塊內(nèi)設(shè)置1臺(tái)自動(dòng)加濕機(jī)。

非常規(guī)高密度計(jì)算機(jī)房模塊（3個(gè)模塊），機(jī)房同時(shí)設(shè)置冷水型機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組和冷水型功能機(jī)。每個(gè)計(jì)算機(jī)房模塊采用N+1冗余配置，每個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)置1臺(tái)新風(fēng)機(jī)，同時(shí)每個(gè)模塊內(nèi)設(shè)置1臺(tái)自動(dòng)加濕機(jī)。

高可用性的計(jì)算機(jī)房模塊（1個(gè)模塊），機(jī)房主要采用冷水型機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組，每個(gè)計(jì)算機(jī)房模塊采用N+2冗余配置，每個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)置1臺(tái)新風(fēng)機(jī)，同時(shí)每個(gè)模塊內(nèi)設(shè)置1臺(tái)自動(dòng)加濕機(jī)。

4.冷水站設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)配置

（1）數(shù)據(jù)中心的冷源采用10kV高壓離心式冷水機(jī)組提供，設(shè)計(jì)參數(shù)供水參數(shù)7℃，共分為2個(gè)完全獨(dú)立的冷水系統(tǒng)。系統(tǒng)1主要服務(wù)6個(gè)常規(guī)密度模塊和1個(gè)高可用性模塊及其配電輔助用房；系統(tǒng)2主要服務(wù)3個(gè)高密度的模塊及其配電輔助用房。

（2）系統(tǒng)1計(jì)算冷負(fù)荷為6500kW，采用4臺(tái)700USRT的水冷離心式冷水機(jī)組（3用1備），比設(shè)計(jì)負(fù)荷富裕約10%，考慮了后期可能的容量調(diào)整和少量擴(kuò)容。設(shè)置3+1的冗余配置是考慮業(yè)主對(duì)模塊化和高可靠性的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)1的1臺(tái)主機(jī)對(duì)應(yīng)2個(gè)常規(guī)高密度機(jī)房模塊，系統(tǒng)2的1臺(tái)主機(jī)對(duì)應(yīng)1個(gè)非常規(guī)高密度機(jī)房模塊，因此該配置可同時(shí)實(shí)現(xiàn)模塊化、分期實(shí)施、高可靠性的需求。

（3）根據(jù)參考數(shù)據(jù)，當(dāng)每臺(tái)機(jī)柜發(fā)熱量為14.4kW時(shí)，斷電后室內(nèi)溫度達(dá)到40℃的時(shí)間約為1分鐘，而系統(tǒng)斷電后從柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)到冷水機(jī)組正常運(yùn)行需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的水系統(tǒng)中各設(shè)置了一個(gè)100m?的儲(chǔ)水罐，儲(chǔ)備容量為系統(tǒng)滿負(fù)荷5分鐘的循環(huán)水量。儲(chǔ)水罐與系統(tǒng)采用并聯(lián)的接入方式，突發(fā)停電后，在主機(jī)無(wú)法及時(shí)啟動(dòng)的情況下，替代主機(jī)提供冷源。

4.2免費(fèi)冷源冷卻

（1）計(jì)算機(jī)房設(shè)備熱量是空調(diào)系統(tǒng)的主要負(fù)荷，在過(guò)渡季節(jié)和冬季，室外溫度已經(jīng)低于機(jī)房溫度的情況下，充分利用室外的免費(fèi)冷空氣是計(jì)算機(jī)房節(jié)能的關(guān)鍵。結(jié)合本項(xiàng)目的氣象條件，設(shè)計(jì)中采用冬季閉式冷卻塔直接供冷的節(jié)能方式。計(jì)劃在室外濕球溫度低于7℃的時(shí)候開(kāi)始采用，因項(xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)靠近北京，采用北京典型年氣候條件為設(shè)計(jì)依據(jù)。表1是北京氣象統(tǒng)計(jì)資料。

（2）經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，一年中可以免費(fèi)冷卻的時(shí)間為12d。根據(jù)北京地區(qū)氣象資料，北京地區(qū)連續(xù)8小時(shí)以上氣溫濕球溫度小于等于7℃的小時(shí)數(shù)為3120h/a，見(jiàn)表2.冬季氣溫濕球溫度大于7℃時(shí)和夏季，空調(diào)設(shè)備全部運(yùn)行。

（3）制冷主機(jī)和冷卻水循環(huán)泵將節(jié)省30%的運(yùn)行費(fèi)用。每臺(tái)機(jī)組的功率為450kW，共計(jì)6臺(tái)，停機(jī)時(shí)間按每年3120h計(jì)算，全年節(jié)約800萬(wàn)kWh電。冷卻水循環(huán)泵的功率為55kW，共6臺(tái)，停機(jī)時(shí)間按每年3120h計(jì)算，全年節(jié)約10萬(wàn)kWh電，節(jié)能效果非常明顯。

5.綠色數(shù)據(jù)中心的PUE指標(biāo)

（1）當(dāng)前，測(cè)量數(shù)據(jù)中心的能耗指標(biāo)主要采用PUE——電能使用效率，PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗，PUE是一個(gè)比率，越接近1表明能效水平越好。

（2）本項(xiàng)目規(guī)劃IT系統(tǒng)設(shè)備供電容量為13800kVA，當(dāng)功率因素為0.8時(shí)，相當(dāng)于IT系統(tǒng)熱負(fù)荷為11040kW。如果仍采用舊有的數(shù)據(jù)中心工藝設(shè)計(jì)，考慮其它損耗，系統(tǒng)總耗電量將達(dá)到驚人的程度。

（3）PUE指標(biāo)分析：以下我們將結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)中心能效比的關(guān)鍵指標(biāo)——PUE進(jìn)行初步分析，分析的前提條件如下：1）能源統(tǒng)計(jì)范圍僅包括高性能計(jì)算機(jī)房及其辦公區(qū)；2）高性能計(jì)算機(jī)房采用冷水系統(tǒng)冷卻；3）水冷空調(diào)系統(tǒng)的綜合能耗比為3.3；4）有功功率因素為0.8.

（4）當(dāng)機(jī)房實(shí)際電負(fù)荷達(dá)到100%設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)的PUE指標(biāo)為1.56，在免費(fèi)冷源冷卻的運(yùn)行工作狀況下，系統(tǒng)的PUE指標(biāo)僅為1.30，遠(yuǎn)低于行業(yè)通常水平。

6.常規(guī)高密度機(jī)房氣流CFD模擬

本項(xiàng)目選擇了常規(guī)高密度的計(jì)算機(jī)房做了CFD計(jì)算機(jī)氣流模擬。模擬的邊界條件根據(jù)本公司針對(duì)本次機(jī)房的空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)，模擬的目的是檢驗(yàn)在設(shè)計(jì)參數(shù)下，機(jī)房達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，機(jī)房溫度場(chǎng)的分布狀況及氣流分布情況，從而修正設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的，為設(shè)計(jì)提供直觀的參考。本次模擬軟件為AIRPANK。

6.1模擬的邊界條件

本項(xiàng)目選擇了一個(gè)典型數(shù)據(jù)機(jī)房約1/3的面積（約168㎡）進(jìn)行了模擬，機(jī)房的寬度和高度均按現(xiàn)有設(shè)計(jì)，機(jī)柜的布置采用冷熱通道隔離的方式。計(jì)算機(jī)設(shè)備用電裝密度為2kVA/㎡，單機(jī)柜的設(shè)備用電負(fù)荷設(shè)定為4kW/rack（按每個(gè)機(jī)柜占用機(jī)房面積2.5㎡）?？照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

送風(fēng)溫度為18℃，回風(fēng)溫度為28℃；

總送風(fēng)量為79200m?/h；

總回風(fēng)量為79200m?/h；

機(jī)柜散熱量4kW，機(jī)柜內(nèi)風(fēng)扇排風(fēng)量為120079200m?/h。

6.2模擬結(jié)果分析

1）地板上0.5m水平溫度分布如圖5所示。

圖5地板上0.5m水平溫度分布

從圖5可以看出，在0.5m水平面上，冷通道溫度約為18~20℃，走道的溫度為23℃，熱通道約為28~30℃。溫度場(chǎng)分布符合冷熱通道的設(shè)置要求，未出現(xiàn)溫度分布不均勻的情況。

2）地板上1.5m水平溫度分布如圖6所示。

圖6 地板上1.5m水平溫度分布

從圖6可以看出，在1.5m水平面上，冷通道溫度約為18~20℃，走道的溫度為23℃，熱通道約為28~30℃。溫度場(chǎng)分布符合冷熱通道的設(shè)置要求，未出現(xiàn)溫度分布不均勻的情況。該平面也是人員通常感官感受的區(qū)域。

3）地板上2.5m水平面溫度分布如圖7所示。

圖7地板上2.5m水平面溫度分布

從圖7可以看出，在2.5水平面上，冷通道溫度約為18~20℃，走道的溫度為23℃，熱通道約為28~30℃。溫度場(chǎng)分布符合冷熱通道的設(shè)置要求，該區(qū)域是機(jī)房機(jī)柜的上部區(qū)域，冷通道依然保持較好的溫度分布，走到溫度雖然有點(diǎn)高，但已經(jīng)是非人員活動(dòng)的區(qū)域。熱通道到達(dá)溫度設(shè)定的最大溫度。符合設(shè)計(jì)要求和使用要求。

冷通道垂直溫度分布如圖8所示。

圖8冷通道垂直溫度分布

冷通道垂直面上溫度在機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)區(qū)域保持在18~20℃，而且完全覆蓋了機(jī)柜的水平和垂直區(qū)域，溫度分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)局部的高溫，使機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度得到保障。

熱通道垂直溫度分布如圖9所示。

圖9熱通道垂直溫度分布

熱通道的溫度呈現(xiàn)從低到高的分布，溫度分布范圍為28~33℃，最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在機(jī)柜上方、回風(fēng)口下方區(qū)域。整體溫度分布水平方向相對(duì)均勻，垂直呈現(xiàn)由低到高的溫度梯度。符合機(jī)房對(duì)熱通道的設(shè)置要求。

機(jī)房橫斷面溫度分布（房間中部）如圖10所示。

圖10機(jī)房橫斷面溫度分布（房間中部）（說(shuō)明：左側(cè)的通道是模擬單邊的熱通道，右側(cè)的通道是模擬單邊的冷通道。）

從圖中可以看出，冷、熱通道完全在不同的溫度控制范圍。從機(jī)房的設(shè)計(jì)氣流組織來(lái)看，實(shí)際的模擬結(jié)果基本驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路，完全實(shí)現(xiàn)冷、熱通道的相對(duì)隔離。空調(diào)低溫送風(fēng)第一時(shí)間進(jìn)入機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)區(qū)域，冷卻機(jī)柜后的熱量第一時(shí)間進(jìn)入回風(fēng)區(qū)域。

6.3需要改進(jìn)的措施

（1）從上述不同的剖面空氣溫度分布情況，我們可以看出常規(guī)的密度的機(jī)房采用地板下送風(fēng)完全可以滿足機(jī)柜對(duì)空調(diào)的要求。但是從節(jié)能的角度和工作人員的舒適度來(lái)考慮，仍需要進(jìn)行調(diào)整。

（2）熱通道上方區(qū)域采用物理軟隔斷，更好地保證冷通道和人員的通道不受熱空氣干擾，同時(shí)可以提高末端空調(diào)的熱交換率。

（3）盡量采用走道單邊冷通道的布置方式，避免單邊熱通道的布置方式，從模擬結(jié)果來(lái)看，單邊熱通道的溫度比較高，如人員通道走道會(huì)不舒服。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)參考了國(guó)內(nèi)外眾多大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)方案綜合考慮了數(shù)據(jù)中心建設(shè)的自身特點(diǎn)，并結(jié)合CFD計(jì)算機(jī)模擬的方式論證了設(shè)計(jì)的實(shí)際可行性。此外由于數(shù)據(jù)中心的能耗非常驚人，必須采取合理的節(jié)能措施，以獲得最大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。