某数据中心空调系统设计分析

目前数据中心的设计已经在工程行业里形成一个专业领域，针对安装在数据中心内的设备功率密度、可靠性、灵活性等要求，空调系统的设计方式也不尽相同。

本工程数据中心大楼为一个4层的钢筋混凝土框架结构建筑，包含主机房、支持区（空调机房、变配电所及UPS间、气瓶间）、冷水站、办公区、装卸货等功能区域。

主机房按照“整体B级，局部高可用”的标准设计，共有10个主机房模块：1）6个模块为常规高密度机房，功率密度可达到2kVA/m2，每个模块的使用面积为500m2，布置在3层和4层；2）3个模块为可兼容非常规高密度机房，功率密度可达到5kVA/m2，每个模块的使用面积为500m2，布置在3层和4层；3）1个模块为高可用机房，功率密度为1kVA/m2，该模块的使用面积为300m2，布置在1层。

末端空调系统设计

1、气流组织

常规高密度机房和高可用机房

机房空调气流组织，拟采用冷、热通道隔离的方式。机房计算机柜以面对面和背靠背成排方式布置，热通道上方设置透明的软隔断，将冷、热通道完全隔离。空调系统采用架空地板下送风、天花吊顶回风的气流组织方式，送风口设置在冷通道的架空地板上，送风口采用孔板风口600mm×600mm，根据送风量设计开孔率，配套调节阀调节每个风口的送风量，回风口设置在热通道的吊顶天花上，风口采用格栅风口600mm×600mm。

新风直接从室外经过滤后引入吊顶回风空间内，与回风混合，平时用于满足工作人员的新风需求和保证机房密封所需的正压需求。新风处理采用常规的吊顶式新风机组。

非常规高密度机房

本计算机房楼的3个非常规高密度机房，计算机设备平均装机用电密度为5kVA，折合到单台机柜的用电量约10kW。该部分空调气流组织拟采用架空地板下送风和机柜局部冷却相结合的方式。地板下送风担负1/3空调负荷，机柜局部冷却装置负担2/3的空调负荷。

空调系统采用架空地板下送风、天花吊顶回风的气流组织方式，送风口设置在冷通道的架空地板上，送风口采用孔板风口600mm×600mm，根据送风量设计开孔率，配套调节阀调节每个风口的送风量，回风口设置在热通道的吊顶天花上，风口采用格栅风口600mm×600mm。

机柜配套局部冷却系统由制冷主机＋制冷末端单元组成。制冷主机仍采用冷水作为冷源，制冷主机与制冷末端单元通过铜管连接，内部充注R134a环保冷媒进行换热，通过主机控制器控制，保证制冷末端单元蒸发器表面温度高于露点温度，避免蒸发器及冷媒管路表面结露产生冷凝水。

2、室内空气温度

计算机房温湿度的确定对于空调系统有较大的影响，也是很关键的设计参数。关于机房的设计温湿度，最新的《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）规定，温度为23±1℃，相对湿度为40%~55%，但是机房区各个区域的温度差异比较大，规范中并没有明确此温度的准确定义点。

根据美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE标准）的建议，分冷、热通道分别定义温度，这样更科学和更合理的体现机房计算机设备的要求。所以本工程设计的冷通道设计温度为18~23℃，热通道为28~33℃。这样设计会带来如下的优点：1）提高了送风温度，从而提高了换热的效率，即提高冷水机组的能效比，明显节约能源；2）为过渡季节和冬季使用免费冷源冷却提供使用的可能，并增长了可使用时间；3）为末端精密空调的干工况运行提供有利条件，对空气处理过程的节能有较大的好处。

3、空气处理过程

根据计算机房的负荷特点，计算机房主要为显热负荷，机房专用空调设计为干工况运行，因为计算机房无工作人员，对于偶尔因少数工作人员进入而带入的湿负荷忽略不计。末端空调设计送风温度为18℃，回风设计温度为28℃。

新风处理过程在夏季将室外空气处理到室内空气的温、湿度，即23℃和50%，送入空调机房内，冬季仅作过滤处理，不做温、湿度的处理直接送入空调机房。新风量的设计采用维持机房正压要求的送风量。

4、设备配置

计算机房中的空调末端采用机房专用精密空调机组，分别设置于每个机房模块两侧的空调机房内，空调系统均为模块化配置。

常规密度的计算机房模块（6个模块），机房主要采用冷水型机房专用空调机组，每个计算机房模块采用N+1冗余配置，每个模块独立设置1台新风机，同时每个模块内设置1台自动加湿机。

非常规高密度计算机房模块（3个模块），机房同时设置冷水型机房专用空调机组和冷水型功能机。每个计算机房模块采用N+1冗余配置，每个模块独立设置1台新风机，同时每个模块内设置1台自动加湿机。

高可用性的计算机房模块（1个模块），机房主要采用冷水型机房专用空调机组，每个计算机房模块采用N+2冗余配置，每个模块独立设置1台新风机，同时每个模块内设置1台自动加湿机。

冷水站设计

1、系统配置

数据中心的冷源采用10kV高压离心式冷水机组提供，设计参数供水参数7℃，共分为2个完全独立的冷水系统。系统1主要服务6个常规密度模块和1个高可用性模块及其配电辅助用房；系统2主要服务3个高密度的模块及其配电辅助用房。

系统1计算冷负荷为6500kW，采用4台700USRT的水冷离心式冷水机组（3用1备），比设计负荷富裕约10%，考虑了后期可能的容量调整和少量扩容。设置3+1的冗余配置是考虑业主对模块化和高可靠性的设计要求，系统1的1台主机对应2个常规高密度机房模块，系统2的1台主机对应1个非常规高密度机房模块，因此该配置可同时实现模块化、分期实施、高可靠性的需求。

根据参考数据，当每台机柜的发热量为14.4kW时，断电后室内温度达到40℃的时间约为1min，而系统断电后从柴油发电机的启动到冷水机组正常运行需要较长的时间，因此系统1和系统2的水系统中各设置了一个100m3的储水罐，储备容量为系统满负荷5min的循环水量。储水罐与系统采用并联的接入方式，突发停电后，在主机无法及时启动的情况下，替代主机提供冷源。

2、免费冷源冷却

计算机房设备热量是空调系统的主要负荷，在过渡季节和冬季，室外温度已经低于机房温度的情况下，充分利用室外的免费冷空气是计算机房节能的关键。结合本项目的气象条件，设计中采用冬季闭式冷却塔直接供冷的节能方式。计划在室外湿球温度低于7℃的时候开始采用，因项目实施地点靠近北京，采用北京典型年气候条件为设计依据。

经过统计计算，一年中可以免费冷却的时间为120d。根据北京地区气象资料，北京地区连续8h以上气温湿球温度小于等于7℃的小时数为3120h/a，见表2。冬季气温湿球温度大于7℃时和夏季，空调设备全部运行。

制冷主机和冷却水循环泵将节省30%的运行费用。每台机组的功率为450kW，共计6台，停机时间按每年3120h计算，全年节约800万kWh电。冷却水循环泵的功率为55kW，共6台，停机时间按每年3120h计算，全年节约100万kWh电，节能效果非常明显。

本项目常规的密度的机房采用地板下送风完全可以满足机柜对空调的要求。但是从节能的角度和工作人员的舒适性来考虑，仍需要进行调整。

热通道上方区域采用物理软隔断，更好地保证冷通道和人员的通道不受热空气的干扰，同时可以提高末端空调的换热效率。

尽量采用走道单边冷通道的布置方式，避免单边热通道的布置方式，从模拟结果看，单边热通道的温度比较高，如人员通道走道会不舒服。

本系统在设计时参考了国内外众多大型数据中心建设的经验，设计方案综合考虑了数据中心建设的自身特点，并结合CFD计算机模拟的方式论证了设计的实际可行性。此外由于数据中心的能耗非常惊人，必须采取合理的节能措施，以获得最大的社会效益和经济效益。