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【HVAC】千岛湖某数据中心采用湖水冷却技术的空调系统设计

 小木设计 2019-06-13

1 工程概述

1.1 工程概况

该数据中心位于浙江省淳安珍珠半岛,地上共11层。其中,1层为配电房、设备机房等辅助用房,2,4,6,8,10层为电力电池室,3,5,7,9,11层为通信机房。建筑高度56.25 m,总建筑面积27 788.63 m2。

1.2 气候情况

浙江千岛湖属亚热带季风气候区。由于森林覆盖率高,以及千岛湖水面的调节作用,该地气候温暖湿润,年平均气温为17 ℃,气温的年较差和日较差小,年平均降水量为1 430 mm,雨日为155 d。其气候特征为:四季分明、光照充足、热量丰富、雨量充沛、气温适中。

1.3 水文资料

千岛湖正常湖区高水位为108 m,库容量为178.4亿m3。湖水水位落差很大,最深处达100 m,平均深度34 m。水面以下10 m范围内,水温为10~30 ℃,为变温层;水面以下10~25 m深度范围内为跃温层,水温随深度发生变化;从水深25 m至湖底为滞温层,水温常年保持稳定,其中上半年滞温层为25 m以下区域,下半年为35 m以下区域,水温常年保持在10 ℃左右。

2 空调冷源

2.1 空调系统冷热负荷

根据该数据中心规划,远期可安装通信设备总功耗为18 000 kW,电力设备发热量按设备功耗的8%~10%计,需要全年制冷,通过逐项逐时的冷负荷计算得到该数据中心最大冷负荷为21 700 kW。

2.2 空调系统冷源设计

根据千岛湖的气候特点以及水位、水温、水质实际情况,结合该数据中心的冷负荷,决定采用湖水冷却空调系统,取水下35 m处湖水(水温约为11 ℃)送至数据中心进行供冷,另配置一套集中式冷水空调系统作为备用,达到T4等级建设标准。空调末端采用双盘管冷水型机房精密空调,按照15~20 ℃水温进行选型。

数据中心空调系统根据负荷计算结果选型,并考虑15%的冗余量(考虑远期发展)。湖水冷却空调系统(主用)选用4台前端取水泵(流量G=2 400 m3/h,两用两备,制冷量约为27 912 kW),将低温深层湖水通过PE管输送至2个蓄水池(单个有效容积750 m3)进行过滤,再通过数据中心侧取水泵(G=1 400 m3/h,三用一备),将湖水送至数据中心的精密空调进行制冷,最后将换热后的湖水排至园区用于其他建筑水源热泵。运行时只需开启取水泵及精密空调,节能效果显著。

该系统同时还配有真空引水装置、电动刷式自清洗过滤器、节能活塞平衡式水泵控制阀等设备,在节能运行的同时,保证系统安全、可靠运行。

湖水冷却空调系统主要设备如表1所示。

表1 湖水冷却空调系统主要设备

集中式冷水空调系统(备用空调系统)选用4台7 350 kW(2 100 rt)水冷离心式冷水机组,空调主机按N+1模式配置。每台水冷离心式冷水机组配1台板式换热器。制冷机房内同时还配有落地式自动补水定压装置、全自动型综合水处理器、全自动砂过滤器、冷却水循环泵、冷水循环泵等设备。大楼屋面布置了4套低噪声钢制逆流开式冷却塔(三用一备)。制冷机房主要设备如表2所示。湖水冷却空调系统原理如图1所示。集中式冷水空调系统流程如图2所示。

表2 制冷机房主要设备

图1 湖水冷却空调系统原理

图2 集中式冷水空调系统流程

3 空调水系统

3.1 湖水供水系统

湖水冷却空调系统采用开式系统,湖水需求量较大,运行过程中需要避免水泵汽蚀和水击的产生以及管道的振动。

水泵汽蚀会腐蚀水泵叶片,引起水泵及管道振动。该工程湖水冷却空调系统取水泵均配置真空引水泵装置,并在蓄水池的取水口配置喇叭口,保证系统真空取水及水泵管路真空保压,同时避免水泵产生汽蚀。

该工程湖水冷却空调系统采用在取水泵出口位置增加节能活塞平衡式水泵控制阀,通过电磁换向阀的换向控制,实现与水泵的联动,在节能运行的同时避免水击的发生。

空调末端循环水供水管均设置电动三通调节阀,配合通信机房内温控器调节进入空调末端的湖水循环水量。

3.2 湖水排水系统

由淳安县自来水公司提供的千岛湖水质监测统计结果可知,该工程取水水质满足空调系统要求,湖水冷却空调系统通过电动刷式自清洗过滤器对取水进行过滤,不需要任何加药处理,能保证湖水排出后对生态环境不造成破坏。

湖水冷却空调系统排出的湖水水温为18~20 ℃,一部分直接排入园区景观河道,另一部分排至园区其他建筑作为冷却水使用,最后再汇入景观河道进行冷却后排入千岛湖中。

3.3 冷水系统

集中式冷水空调系统仅作为备用系统,在湖水冷却空调系统出现故障时开启,冷水系统采用一级泵变流量双管制同程系统。空调末端循环水回水管上均设置电动两通调节阀,配合通信机房内温控器调节进入空调末端的循环水量。

3.4 冷却水系统

该工程空调冷却水系统也为备用,采用开式低噪声逆流冷却塔,冷却水经冷水机组升温至37 ℃,被送至冷却塔进行冷却降温,水温降至32 ℃后再经过滤器、冷却水泵加压返回冷水机组。为了保证冷却水水质,冷却塔配置全自动砂过滤器及加药处理装置。空调系统的水源采用两路独立水源+补水池的方式保障,按10 h的冷却水补水量配置补水池容量,有效保证了空调系统不间断运行。

3.5 水蓄冷系统

该工程湖水冷却空调系统配置了2个蓄水池(单个有效容积约为750 m3,蓄水池之间互相联通备用),作为湖水过滤沉淀池,同时也作为解决市电中断、油机启动至冷水机组恢复运行这段时间的空调系统供冷(此时机房侧取冷泵、部分空调末端风机用电由UPS保障),从而保证了空调系统与通信设备不间断同步运行。蓄冷保障时间按承担数据中心负荷15 min考虑。

集中式冷水空调系统也配置2个卧式蓄冷罐(单个有效容积约为80 m3),在系统运行过程中,解决市电中断、油机启动至冷水机组恢复运行这段时间的重要等级机房的空调系统供冷(此时放冷泵、部分空调末端风机用电由UPS保障)。蓄冷保障时间按满足数据中心50%制冷负荷5 min考虑。

4 工程特色和技术创新

4.1 自然冷源的应用

湖水冷却技术是一种合理运用当地自然冷源,在不影响生态平衡及水质质量的情况下,直接利用深层低温湖水替代冷水机组供冷,从而大幅降低数据中心空调能耗的制冷技术。在提倡建设绿色节能数据中心的今天,湖水冷却技术具有环保节能、运行稳定可靠以及运行费用低等优点。千岛湖湖水水位较高、水温较低、水质好,千岛湖的气候特点非常适合应用湖水冷却技术。湖水冷却空调系统运行安全可靠,有效降低了该数据中心能源的消耗。

4.2 提高冷水供/回水温度

该数据中心空调末端采用双盘管冷水型机房精密空调,按照15~20 ℃水温进行选型。作为备用系统的集中式冷水空调系统将冷水供/回水温度可提高至15 ℃/20 ℃,可有效降低冷水机组的运行能耗,达到节能的目的。

本文刊登于《暖通空调》2016年第10期

作者: 华信咨询设计研究院有限公司 牛晓然 夏春华 孙国林 张军甫 程小静 刘彬

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1.1 工程概况

该数据中心位于浙江省淳安珍珠半岛,地上共11层。其中,1层为配电房、设备机房等辅助用房,2,4,6,8,10层为电力电池室,3,5,7,9,11层为通信机房。建筑高度56.25 m,总建筑面积27 788.63 m2。

1.2 气候情况

浙江千岛湖属亚热带季风气候区。由于森林覆盖率高,以及千岛湖水面的调节作用,该地气候温暖湿润,年平均气温为17 ℃,气温的年较差和日较差小,年平均降水量为1 430 mm,雨日为155 d。其气候特征为:四季分明、光照充足、热量丰富、雨量充沛、气温适中。

1.3 水文资料

千岛湖正常湖区高水位为108 m,库容量为178.4亿m3。湖水水位落差很大,最深处达100 m,平均深度34 m。水面以下10 m范围内,水温为10~30 ℃,为变温层;水面以下10~25 m深度范围内为跃温层,水温随深度发生变化;从水深25 m至湖底为滞温层,水温常年保持稳定,其中上半年滞温层为25 m以下区域,下半年为35 m以下区域,水温常年保持在10 ℃左右。

2 空调冷源

2.1 空调系统冷热负荷

根据该数据中心规划,远期可安装通信设备总功耗为18 000 kW,电力设备发热量按设备功耗的8%~10%计,需要全年制冷,通过逐项逐时的冷负荷计算得到该数据中心最大冷负荷为21 700 kW。

2.2 空调系统冷源设计

根据千岛湖的气候特点以及水位、水温、水质实际情况,结合该数据中心的冷负荷,决定采用湖水冷却空调系统,取水下35 m处湖水(水温约为11 ℃)送至数据中心进行供冷,另配置一套集中式冷水空调系统作为备用,达到T4等级建设标准。空调末端采用双盘管冷水型机房精密空调,按照15~20 ℃水温进行选型。

数据中心空调系统根据负荷计算结果选型,并考虑15%的冗余量(考虑远期发展)。湖水冷却空调系统(主用)选用4台前端取水泵(流量G=2 400 m3/h,两用两备,制冷量约为27 912 kW),将低温深层湖水通过PE管输送至2个蓄水池(单个有效容积750 m3)进行过滤,再通过数据中心侧取水泵(G=1 400 m3/h,三用一备),将湖水送至数据中心的精密空调进行制冷,最后将换热后的湖水排至园区用于其他建筑水源热泵。运行时只需开启取水泵及精密空调,节能效果显著。

该系统同时还配有真空引水装置、电动刷式自清洗过滤器、节能活塞平衡式水泵控制阀等设备,在节能运行的同时,保证系统安全、可靠运行。

湖水冷却空调系统主要设备如表1所示。

表1 湖水冷却空调系统主要设备

集中式冷水空调系统(备用空调系统)选用4台7 350 kW(2 100 rt)水冷离心式冷水机组,空调主机按N+1模式配置。每台水冷离心式冷水机组配1台板式换热器。制冷机房内同时还配有落地式自动补水定压装置、全自动型综合水处理器、全自动砂过滤器、冷却水循环泵、冷水循环泵等设备。大楼屋面布置了4套低噪声钢制逆流开式冷却塔(三用一备)。制冷机房主要设备如表2所示。湖水冷却空调系统原理如图1所示。集中式冷水空调系统流程如图2所示。

表2 制冷机房主要设备

图1 湖水冷却空调系统原理

图2 集中式冷水空调系统流程

3 空调水系统

3.1 湖水供水系统

湖水冷却空调系统采用开式系统,湖水需求量较大,运行过程中需要避免水泵汽蚀和水击的产生以及管道的振动。

水泵汽蚀会腐蚀水泵叶片,引起水泵及管道振动。该工程湖水冷却空调系统取水泵均配置真空引水泵装置,并在蓄水池的取水口配置喇叭口,保证系统真空取水及水泵管路真空保压,同时避免水泵产生汽蚀。

该工程湖水冷却空调系统采用在取水泵出口位置增加节能活塞平衡式水泵控制阀,通过电磁换向阀的换向控制,实现与水泵的联动,在节能运行的同时避免水击的发生。

空调末端循环水供水管均设置电动三通调节阀,配合通信机房内温控器调节进入空调末端的湖水循环水量。

3.2 湖水排水系统

由淳安县自来水公司提供的千岛湖水质监测统计结果可知,该工程取水水质满足空调系统要求,湖水冷却空调系统通过电动刷式自清洗过滤器对取水进行过滤,不需要任何加药处理,能保证湖水排出后对生态环境不造成破坏。

湖水冷却空调系统排出的湖水水温为18~20 ℃,一部分直接排入园区景观河道,另一部分排至园区其他建筑作为冷却水使用,最后再汇入景观河道进行冷却后排入千岛湖中。

3.3 冷水系统

集中式冷水空调系统仅作为备用系统,在湖水冷却空调系统出现故障时开启,冷水系统采用一级泵变流量双管制同程系统。空调末端循环水回水管上均设置电动两通调节阀,配合通信机房内温控器调节进入空调末端的循环水量。

3.4 冷却水系统

该工程空调冷却水系统也为备用,采用开式低噪声逆流冷却塔,冷却水经冷水机组升温至37 ℃,被送至冷却塔进行冷却降温,水温降至32 ℃后再经过滤器、冷却水泵加压返回冷水机组。为了保证冷却水水质,冷却塔配置全自动砂过滤器及加药处理装置。空调系统的水源采用两路独立水源+补水池的方式保障,按10 h的冷却水补水量配置补水池容量,有效保证了空调系统不间断运行。

3.5 水蓄冷系统

该工程湖水冷却空调系统配置了2个蓄水池(单个有效容积约为750 m3,蓄水池之间互相联通备用),作为湖水过滤沉淀池,同时也作为解决市电中断、油机启动至冷水机组恢复运行这段时间的空调系统供冷(此时机房侧取冷泵、部分空调末端风机用电由UPS保障),从而保证了空调系统与通信设备不间断同步运行。蓄冷保障时间按承担数据中心负荷15 min考虑。

集中式冷水空调系统也配置2个卧式蓄冷罐(单个有效容积约为80 m3),在系统运行过程中,解决市电中断、油机启动至冷水机组恢复运行这段时间的重要等级机房的空调系统供冷(此时放冷泵、部分空调末端风机用电由UPS保障)。蓄冷保障时间按满足数据中心50%制冷负荷5 min考虑。

4 工程特色和技术创新

4.1 自然冷源的应用

湖水冷却技术是一种合理运用当地自然冷源,在不影响生态平衡及水质质量的情况下,直接利用深层低温湖水替代冷水机组供冷,从而大幅降低数据中心空调能耗的制冷技术。在提倡建设绿色节能数据中心的今天,湖水冷却技术具有环保节能、运行稳定可靠以及运行费用低等优点。千岛湖湖水水位较高、水温较低、水质好,千岛湖的气候特点非常适合应用湖水冷却技术。湖水冷却空调系统运行安全可靠,有效降低了该数据中心能源的消耗。

4.2 提高冷水供/回水温度

该数据中心空调末端采用双盘管冷水型机房精密空调,按照15~20 ℃水温进行选型。作为备用系统的集中式冷水空调系统将冷水供/回水温度可提高至15 ℃/20 ℃,可有效降低冷水机组的运行能耗,达到节能的目的。

本文刊登于《暖通空调》2016年第10期

作者: 华信咨询设计研究院有限公司 牛晓然 夏春华 孙国林 张军甫 程小静 刘彬

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