数据中心空调系统设计应关注的问题（上）

yi321yi 2019-01-10

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关键词：数据中心；暖通空调；变频冷水机组；蓄冷；管网

数据中心的负荷特性和运行要求与民用建筑完全不同。随着数据中心服务器功率密度的提高，水冷已成为主流趋势。数据中心要求全年不间断供冷，并且其业务一般是分期分阶段建设的。随着数据中心业务的发展业主会逐步增加建设投资，该业务属于边成长边投资型的业务。因此在进行暖通设计时需要结合数据中心自身的业务特点，考虑方案设计的可用性和足够的系统弹性。笔者从数据中心的业务特性出发，主要分析冷水机组、水泵、蓄冷罐及管道防冻和管网设计等方面应关注的一些实际问题。

1、冷水机组设备选型

数据中心的冷水机组选型除了从输出冷量大小的角度选择螺杆式冷水机组和离心式冷水机组外，还有高压冷水机组和低压冷水机组在供电电压等级上的选择，冷水机组在压缩机转速变频方面的选择，这些不同特性设备的选择依据主要是其所承载的业务特性以及设备运行的经济性。

1.1 高压与低压冷水机组的选择

GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[1]第8.2.4条电动压缩式冷水机组电动机的供电方式应符合下列规定：

1）当单台电动机的额定输入功率大于1 200 kW时，应采用高压供电方式；

2）当单台电动机的额定输入功率大于900 kW而小于或等于1200 kW时，宜采用高压供电方式；

3）当单台电动机的额定输入功率大于650 kW而小于或等于900 kW时，可采用高压供电方式。

当前数据中心的暖通设计中，在满足GB 50736—2012第8.2.4条的情况下，冷水机组的冗余设计通常采用n＋1的方式，其中n台采用高压定频冷水机组，1台采用低压变频冷水机组。在业务发展初期由于负载低，故启用1台低压变频冷水机组。而当业务发展到一定规模，其负载达到高压冷水机组的启动要求后才启用高压冷水机组。高压冷水机组与低压冷水机组的特点对比见表1。

表1 高压冷水机组与低压冷水机组的对比

1.2 定频与变频冷水机组的选择

对于定频与变频冷水机组的选择除了考虑设备投资成本外，还要考虑定频与变频冷水机组各自的运行特性以及与数据中心业务发展分阶段建设的负载匹配性。

图1 冷水机组COP与负荷率的关系

图2 冷水机组COP与冷却水温的关系

结合某品牌的冷水机组COP与负荷率的关系曲线（见图1），在低负荷率下变频冷水机组COP与负荷率的关系曲线存在波峰，有一个最佳运行的负荷率区间（40％～60％），在此区间内变频冷水机组较定频冷水机组有很大优势，而在高负荷率（90％～100％）时变频冷水机组和定频冷水机组的COP相当。

结合某品牌的冷水机组COP与冷却水温的关系曲线（见图2），在冷却水温低于25 ℃时变频冷水机组相比定频冷水机组在COP方面表现突出，但在25 ℃以上的冷却水温下二者的COP相当。这就要求在冷水机组选型时应考虑与冷却塔选型的匹配性，还要关注当地的气象条件。冷水机组的COP与室外气温的关系也符合图2所示的关系。

结合以上特点，在设计选型时要考虑业务的分期建设和业务的负荷率发展情况而合理的进行设备选择。

1.3 冷水机组n＋1设计时n的选择

电动压缩式机组的台数及单机制冷量的选择应满足空气调节负荷变化规律及部分负荷运行的调节要求，一般为2~4台[1]。

假定单台冷水机组的可靠性是0.99，那么n台冷水机组并联的可靠性逻辑方框图如图3所示。通过概率论的串并联逻辑模型即可求得该冷水机组并联时的可靠性计算公式。

图3 冷机并联可靠性逻辑方框图

n＋1台冷水机组并联系统可靠性计算公式如下：

（1）式中：R n＋1为n＋1冷水机组并联的系统可靠性；r为单台冷水机组的可靠性，取0.99。

通过计算，当n取1～5台时，冷水机组并联台数越多，并联运行的可靠性越低，单台冷水机组的负荷率越高，冷冻水系统可用的冷量冗余量越低（见表2）。另外，变频与定频冷水机组的选型分析表明，单台冷水机组的负荷率越高，变频冷水机组COP越低。因此，冷水机组并联台数较多时宜采用定频冷水机组，且n不宜大于3。

表2 n＋1台冷水机组并联运行可靠性、负荷率和冗余量

注：η为单台冷水机组的负荷率，ø为冷冻水系统冷量的冗余量。

2、水泵并联设计选型

水泵与冷水机组通常设计成一一对应的关系，且并联运行，系统对水泵的配置台数也有限制。以单台100 m3/h的水泵为例进行分析，如表3所示。

表3 水泵并联运行的流量衰减情况

当并联台数超过3台时，流量衰减超过29%，即使再增加水泵数量，总流量的增加也不显著，导致2种结果：①流量不足，系统无法正常运行；②加大单台水泵的容量配置，导致过度配置，投资增加，耗电量增加，系统运行不经济。

从水泵选型的角度来看，若其与冷水机组一一对应配置，冷水机组并联运行的台数n也不宜大于3台。

3、蓄冷罐方案设计选型

数据中心的一个非常重要的指标就是冷却连续性，也就是为了保障数据业务的不间断运行，必须采用蓄冷罐进行一定时间冷量后备。常见的水蓄冷罐有圆柱形和长方形2种。相同蓄水体积时，圆柱形表面积与体积比最小，冷损失较少，投资较低。圆柱形蓄冷罐的高度直径比是设计时需要考虑的形状参数，一般通过技术经济比较来确定。

蓄冷罐内的水温在高度方向是自然分层的。假设冷水机组的供/回水温度为10 ℃/15 ℃，一般蓄冷罐底部10 ℃进水，顶部出水温度会在10～11 ℃ 之间，这由水自身的热物性决定。

在数据中心的蓄冷罐方案设计中，常见的蓄冷罐与冷水机组的位置关系有串联和并联2种。

3.1 蓄冷罐与冷水机组串联

图4 蓄冷罐与冷水机组串联

如图4所示，蓄冷罐与冷水机组串联且处于蓄冷状态时，蓄冷罐进水温度10 ℃ 时，出水温度将达到11 ℃，无法满足空调末端10 ℃的供水要求。当蓄冷罐与冷水机组串联且处于放冷状态时，系统由蓄冷罐供冷。蓄冷时的底部10 ℃进水端变成了15 ℃的进水端，即低温进水变成了高温进水，2种温度的水混合导致蓄冷罐的出水温度超过11 ℃，无法满足设备10 ℃的供水要求。

另外蓄冷罐串联在冷冻水系统中，水流方向保持不变，增加系统阻力，冷冻水泵扬程必须加大且耗电量增加。

3.2 蓄冷罐与冷水机组并联