1　項目概況

項目位于上海市某科技園區，機房標準按照Ａ級機房＋T4級別設計，數據機房建筑面積為28 657 m2，機房區2層、辦公區4層（局部6層），框架結構。機房1層層高為5 m，2層層高為4.2 m，辦公區層高為3 m。IT機房和精密空調機房區域設架空層，1層機房區域架空地板高度為1 m，2層機房區域架空地板高度為0.75 m。1，2層共設計16個模塊化數據機房，其中5 kV·A機柜2 823個，3 kV·A機柜1 377個，總機柜達4 200個。

2　數據機房空調系統

2.1　空調負荷及設計參數

機房內空調負荷主要有圍護結構、人員、燈光、新風、IT設備負荷等；濕負荷主要為工作人員進入機房產生的偶然性濕負荷。主要特點如下：新風量小、顯熱負荷大、濕負荷很小、空調送風量大、空調系統全年制冷運行，IT設備負荷占比最大（70％～99％）。該項目數據機房冷負荷14 083 kW，占總冷負荷的95％；預留后期發展增容負荷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。該數據中心核心區室內設計參數見表1。

表1　核心區室內設計參數

2.2　空調冷源設計

數據中心空調冷源形式有：風冷直接膨脹制冷型、水冷直接膨脹制冷型、冷水制冷型。該數據中心設置集中冷源，采用冷水制冷型。根據GB 50174—2008《電子信息系統機房設計規范》A級機房的設置標準，參照TIA-942—2005《數據中心電信基礎設施標準》中的有關規定，在1層設置2個冷源（N＋N配置），每個冷源內的冷水機組、冷水泵、冷卻水泵和屋頂冷卻塔等設備均相同配置（兩機房輪值），以保證在一路電源喪失時，另一個冷源能夠100％保證數據中心的安全運行。制冷機的安裝可根據業主實際的增容過程分期投入，在初期建設至最終滿負荷運轉過程中，均可實現實際運行負荷率在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，該數據中心每個制冷站設計4臺39 742 kW（11 300 rt）的10 kV高壓離心冷水機組，機組中各設置1臺變頻機組以加強低負荷工況的調節能力。冷水管道按照A/B雙路設計，可互為備用。A/B環路公共區域用防火板作物理分隔。夏季工況：冷水供回水溫度12 ℃/18 ℃，冷卻水進出水溫度39 ℃/34 ℃；冬季工況：冷卻水進出水溫度15.5 ℃/10.5 ℃，制冷站1（同制冷站2）冷源系統原理如圖1所示。

圖1　制冷站1冷源系統原理

考慮柴油發電機啟動時間10 min，電制冷冷水機組啟動時間5 min，蓄冷罐作為應急冷源能保證在滿負荷下持續供冷15 min，設計蓄冷罐容積480 m3，位于室外。連續供冷由蓄冷罐、空調冷水泵和精密空調保證。空調冷水泵、精密空調機組由UPS供電，供電時間15 min。平時蓄冷罐處于蓄冷狀態，充滿12 ℃的冷水。當雙路市電斷電，系統向柴油發電機供電轉換期間，在冷水系統恢復正常運行之前，冷水泵、機房精密空調連續運行，蓄冷罐處于放冷狀態，提供IT機房精密空調機組冷水，保證IT機房的不間斷供冷。

2.3　空調水系統設計

數據中心冷水系統為2個獨立的系統，并且獨立于大樓舒適性空調系統，每個冷水系統均采用一級泵變流量系統，根據最不利回路末端壓差控制水泵轉速，調節水泵變頻器頻率，改變用戶側水量。為提高系統的安全性，冷水主干管布置成環路，設置于1層走道和空調機房間內，2層走架空層，為遠期建設擴容預留條件。機房擴容充分考慮機房空調的預留位置及檢修條件。

每個制冷站的冷卻水系統設計采用母管制，冷卻塔進出水管道采用并聯，冷卻水泵與冷水機組一一對應，冷卻水泵定流量，冷卻塔風機變頻。

每個制冷機房附近設有冷卻水補水池，由兩路市政給水，當市政給水出現故障時，水池容積最少滿足系統滿負荷連續運轉24 h。

兩路冷水經不同路由送至各樓層及各空調機房，滿足容錯系統的物理分割要求。冷水管路系統及機房精密空調均為2N配置，任何一路冷水或任何一臺精密空調故障，均不影響關鍵負荷100％運行，保證在線維護的需要。當空調設備突發故障時，能及時關斷故障設備兩側的閥門，檢修或更換故障設備，同時還能保證除關斷閥門管路之外的空調系統設備的正常運行。

2.4　免費供冷技術應用

該工程設計采用冷卻塔免費供冷系統，每臺制冷機配有1臺板式換熱器。根據室外環境溫度的變化，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，冷水不經過板式換熱器直接被旁通之后進入制冷機。部分免費供冷模式是制冷機與板式換熱器同時工作，冷水先進入板式換熱器預冷后再進入制冷機。完全免費供冷模式是當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供冷。

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

基于上海地區的累年氣象參數統計，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，節能優勢明顯。

2.5　空調風系統設計

該數據中心采用溫濕度獨立控制的空調方式，數據中心的內部濕負荷很小，通常由新風機組承擔。

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

該機房的新風量按換氣次數1 h－1設計，采用自帶冷源風冷獨立新風機組，向房間供應新風。在2層和屋頂層共設有16臺組合式集中新風機組。新風對IT和電氣機房施加正壓，使滲入的灰塵和微粒減到最低的水平，同時控制室內濕度，防止靜電和凝結水聚集，保證機房內人員新風要求。

夏季新風是以等室內露點溫度送入室內，冬季新風加熱至12 ℃（高于室內露點溫度）后送入室內吊頂，與機房空調機組回風混合后再送入室內，濕度由安裝在數據機房架空層或送風管內的濕膜加濕器控制。當機房內部相對濕度低于40％時啟動濕膜加濕器進行加濕。

2.5.1　空調系統配置及氣流組織

采用機房精密空調機組，2N冗余配置，下送風、上回風，高效EC風機變風量運行，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。其中部分精密空調設計加濕功能；下送風各空調機組采用導風管送風進入活動地板，利用集中回風口進行回風。機房精密空調機組的冷水供回水溫度為12 ℃/18 ℃，冷通道送風溫度16 ℃，熱通道回風溫度29 ℃。精密空調機組設定送風溫度（16 ℃）高于室內露點溫度（12.8 ℃），機組為干工況運行，全部承擔顯熱負荷。

2.5.2　機房冷熱通道設計

機房內部機柜采用面對面／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，目的是對發熱設備進行精確送冷風，然后再從隔離通道回風，讓設備有效地排出熱空氣，該方式消除了冷熱氣流的短路現象，而且可以針對不同發熱量的設備進行風量匹配和冷量調節，冷風利用率很高，實現了定點、定量輸送冷風，大大提高冷空氣的利用率，提高末端精密空調的制冷效率，從而極大提高機柜冷卻效率。研究表明，采用精確送冷風方式，送風量下降42％，能耗明顯降低。

該數據中心通道間距按8塊地板的寬度設置。冷通道設2塊可檢視地板塊（600 mm×600 mm），開孔率40％。熱通道上方吊頂設置回風口。冷熱通道設計見圖3。

圖3　冷熱通道設計

2.5.3　機房氣流組織設計

數據中心機房空調系統氣流組織有下送風上回風、上送風前回風（或側回風）等方式。地板下送風方式是目前數據中心送風的主要形式。按照冷熱通道設計，空調送風由高架地板送入冷通道，冷風精確分配到IT服務器，熱排風經由熱通道頂部設置的回風口，回至精密空調機組，氣流組織更為合理，在大大降低空調能耗的同時，也保證了設備的安全穩定可靠運行。精密空調機組設置在專用空調間，機房精密空調沿機房長邊側進風，單側單排且垂直于機架布置，送風距離控制在20 m以內。機柜的散熱氣流基本為從正面吸進冷風，從背面排出熱風，機柜也多采用前后網孔門。網孔門的通孔率取決于設備的發熱量和通風量的要求。機柜前進風，前門開孔率≥60％，孔徑應為4.5～8.0 mm，開孔區域面積比≥80％；后門開孔率≥50％，孔徑應為4.5～8.0 mm，開孔區域面積比≥70％。

2.6　機房CFD模擬

數據中心機房氣流組織模擬的目的是檢驗空調輸出的冷空氣是否按照設計的意圖、按照設計的流量和流速，均勻分配到目標設備上以達到冷卻效果。對于地板下送風，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量。通過CFD技術對機房的氣流組織進行了模擬和驗證。

靜壓箱內的氣流在機組出風口處速度較大，隨著送風進一步擴散，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，靠近送風口處氣流壓力擾動較大，送風末端氣流壓力趨于穩定。

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

3　數據中心通風系統設計

數據中心機房和電氣機房均設置氣體滅火，在氣體滅火區域設置災后廢氣排除系統。換氣次數設計為5 h－1。

電池室設有機械排風，換氣次數平時3 h－1，災后5 h－1。電池室排風系統兼災后排風。電池室排風支管上設2個排風口，一個設在上部，排除可能產生的少量氫氣，另一個靠近地板，用以排除災后廢氣。

鋼瓶間設有排風系統，分為平時通風和緊急通風2種模式。平時通風換氣次數2 h－1，常年運行。緊急通風在室內消防氣體濃度超過安全值時啟動，關閉系統中其他房間的風閥，事故房間風閥全開，換氣次數5 h－1。

4　空調系統安全要求

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

5　數據中心節能要求

評價數據中心的能源效率，行業中采用PUE值來衡量，PUE越接近１，表明能效水平越好。目前全球數據中心的平均PUE為2.0，發達國家的PUE約為1.5～1.8，我國80％以上的數據中心PUE大于2.0，有的甚至高達3.0，該項目設計PUE為1.42。

數據機房空調系統能耗巨大，其節能潛力也很大，空調節能設計體現在以下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6.28，部分負荷下可達8.1，以及采用變速驅動的離心機有效提高其滿負荷及部分負荷的性能系數。4）冬季采用免費供冷技術。3）數據機房采用溫濕度獨立控制的空調方式。4）數據機房服務器采用封閉冷熱通道的冷卻方式、避免冷風和熱風的混合，從而提高末端冷卻的效率。5）數據機房與外圍護結構間設置走廊或輔助設備用房，同時數據機房樓不設外窗，減少數據機房與外界的直接接觸。這種機房布局方式也使外圍護結構負荷對機房負荷的影響降至最低，使機房負荷維持在一個相對穩定的范圍內。

6　結語

近年來，我國通信產業迅猛發展，服務于各行業的大型數據中心越來越多，機架設備功率越來也大，對空調節能技術提出了新的更高要求，需要進一步拓展機房節能潛力的空間。數據機房設計時，要各專業緊密配合，考慮將綜合的節能集成技術應用在項目中達到遠期和近期統一、合理。空調專業要保證為機房提供良好的運行環境，采用機房專用恒溫恒濕精密空調，合理設計氣流組織，充分考慮機房空調系統安全性和節能性，為未來5～10年預留一定的擴容空間

文章來源：精密空調 http://lbjsjzl.com/

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