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论文|长三角地区某数据中心空调系统设计

 tuzhanbei2010 2022-08-17 发表于四川
摘要

介绍了长三角地区某数据中心空调冷源、空调水系统、空调风系统等的设计,并对机房的气流组织进行了CFD模拟和验证。该数据中心在空调冷源设计上采取了磁悬浮冷水机组、大温差高温供冷(18℃/28℃)、自然冷却及热通道封闭等措施,保证设计PUE<1.3。

关键词
磁悬浮冷水机组 大温差 自然冷却 气流组织 热通道 电能利用效率(PUE
作者
中国航空规划设计研究总院有限公司 赵 磊  李宏鹏
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项目概况

该项目位于安徽省滁州市。机房按照GB 50174-2017《数据中心设计规范》中规定的A级数据中心设计,总建筑面积为25551.5m2;主机房区域主体地上3层,局部地上4层。共有2446个机柜(含列头柜、普通机柜、网络核心机柜),全部为功率4.4kW的低密柜。1层共480个机柜,2层网络交换机房共100个机柜,2层数据机房共916个机柜,3层共950个机柜。

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空调系统设计原则

1)安全可靠性。冷源制冷设备采取N+1设置,每个标准机房模块恒温恒湿空调机组按N+2设置;冷水管路设计为环状管网;空调冷源系统设置蓄冷罐,能提供连续不间断冷源,可提供数据中心空调系统15min的冷水供应,保障数据中心供冷安全。

2)先进性。冷水机组采用磁悬浮变频冷水机组;主机房主要功能区进行CFD模拟。

3)规范性。空调系统制冷机组、水泵、冷却塔以及末端精密空调等主要设备,选择满足现行国家和国际标准的标准化产品;该项目数据机房各模块之间设备标准统一。

4)适用性。冷水适用性:冷水机组能效比较高,设备摆放位置集中,便于管理,较容易实现自然冷却方案,有效减少运行费用。封闭通道的适用性:冷热气流相对分离,提高冷空气的利用率,同时可减少风机的耗电量,节省电费,有良好的经济效益和社会效益。

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空调系统
3.1 空调负荷及设计参数

数据中心空调负荷主要包括设备负荷、机房照明负荷、围护结构负荷、人员散热负荷及新风负荷等,应通过逐项逐时的负荷计算得到。空调系统的冷负荷主要受服务器设备数量和机柜功率影响,因此,设计时必须充分考虑工艺专业提供的机柜设备负荷。数据中心具有高发热量、低散湿量的特点,其空调系统的负荷特点是显热负荷大、湿负荷小,具有极高的热湿比。

自然冷却技术的可行性和节能效果均取决于当地的气候条件。建议采用2017 ASHRAE handbook fundamentals提供的气象参数进行数据中心空调设计。

经计算,数据机房冷负荷为13350kW,占整个项目冷负荷的94%。因该项目对安全性要求较高,要求机房全年无故障运行,结合项目所在地极端高温天气,按照夏季室外计算干球温度39.4℃、湿球温度30.9℃配置冷却塔。数据中心主机房、辅助区及支持区等核心区室内设计参数见表1。

表1 数据中心室内设计参数

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3.2 空调冷源设计

该工程属于大型数据中心,数据中心的制冷系统能耗占机房总能耗的比例较大。通过计算,能耗各部分比例及空调系统各部分能耗比例如图1所示。从图1可以看出,空调系统占数据中心非IT能耗的80%,而制冷站(含冷水机组、冷却塔、水泵等)占空调系统能耗的74%以上。

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图1 数据中心能耗占比示意图

数据中心机房冷源形式的采用应根据项目所在地气象条件、能源条件等多方因素进行确定,应尽可能地利用自然冷源(冬季低温时采用自然冷却模式)。

在相同制冷量情况下,风冷冷水机组耗电量比水冷冷水机组大,该项目采用水冷磁悬浮冷水机组。

冷水机组是空调系统的主要用能设备,其能耗占空调系统总能耗的38%以上,是节能研究的主要对象。提高水冷式集中空调的供回水温度,可以提高冷水机组的性能。供回水温度越高,冷水机组的COP越高,所耗电能越少,节能效果越好。因此该项目将冷水系统供/回水温度确定为18℃/28℃。(公众号:通信电源人  与你在一起)

该项目制冷站设置于1层,蓄冷罐设置于室外地面。空调冷源采用磁悬浮变频离心式冷水机组。制冷系统原理图见图2。

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图2 制冷系统原理图

空调冷源系统设置蓄冷罐,可提供数据中心空调系统15min的冷水供应,保障数据中心供冷安全。

3.3 空调水系统设计

由于数据中心需要连续运行,因此该项目冷水干管采用环状管网,满足空调系统在线维护(任一设备或线路可以按计划进行替换而不引起计算机设备停机)和连续不间断运行的要求,提高了空调系统的可靠性。冷水循环管道回路如图3所示。

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图3 冷水循环管道回路示意图

3.4 自然冷却系统设计

冷水系统考虑了自然冷却。水冷冷水系统根据全年室外季节变化,冷却水温度会不断变化,因此水冷系统冷水的制备将分为3种模式,即采用电制冷模式、部分自然冷却模式和完全自然冷却模式,3种模式切换由自控系统实现。

基于滁州地区的累年气象参数统计(见图4),全年约80.40%的时间可以采用自然冷却模式,其中48.26%的时间(4228h)为完全自然冷却模式,32.20%的时间(2820h)为部分自然冷却模式。

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图4 滁州地区全年湿球温度频数图

全年约有176d可以实现完全自然冷却,约有117.5d可以进行部分自然冷却。节能优势明显,大大降低了该项目的PUE

3.5 空调风系统设计

目前数据机房经常采用“冷热通道”的布置方式,以提高机房空调的利用率,进一步提高制冷效果。以某机房为例,通过CFD模拟分析冷通道封闭前后机房冷却效果的差异,如图5所示。

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图5 冷通道封闭前后效果对比示意图

采取封闭热通道的气流组织模式,送风温度为24.1℃,回风温度为38.5℃。精密空调设置单独的设备间,机柜面对面摆放,冷热通道隔离并实现热通道封闭(防止冷气短路),如图6所示。现场安装示意图见图7。

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图6 热通道封闭示意图

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图7 热通道封闭现场安装示意图
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CFD模拟

CFD模拟结果便于发现数据中心内是否存在热点,协助调整数据中心空调的气流组织形式、送风方式和气流速度等参数,以提高空调效率。对机房主要功能区进行了CFD模拟,模块单元机房模型面积约为617m2,包含234架IT机柜、12架列头柜及10台机房精密空调机组,8+2冗余设置,每台空调制冷量为150kW。机房整体布局如图8所示。

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图8 机房整体布局

在模型0.3,1.0,1.8 m高度处均匀布置测点。距机柜底板不同高度处温度场如图9所示。

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图9 距机柜底板不同高度处温度场

图10显示了机柜过热情况。可以看出,机柜进风温度为24.0~24.5℃,无机柜过热情况,整体模块工作情况良好。

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图10 机柜过热情况

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数据中心节能设计

数据中心的节能实际上是在保证设备安全稳定运行的前提下,确定各部分能耗的最佳比例,确保服务器和网络存储等设备能效比的最大化。

为了尽可能地降低设计PUE,满足建设方需求,该项目采取了以下节能措施:

1)采用自然冷却技术。随着室外环境条件改变,冷水的制备可根据制冷机出水温度在电制冷、部分自然冷却和完全自然冷却3种模式下切换。

2)提高空调的供/回水温度(18℃/28℃),同时采用大温差供冷。该措施大大增加了自然冷却的使用时长。

3)采用热通道封闭技术,较传统方式节能30%以上。

4)数据机房精密空调送/回风温度为25℃/39℃,自然冷却时间较传统的数据中心项目延长至少30d以上。

5)机房使用独立式加湿器,采用湿膜加湿形式,机组布置在空调间回风区,根据空气露点控制加湿量。

6)冷水机组采用水冷磁悬浮变频离心机组,相比传统的冷水机组能效比可提升20%以上。(公众号:通信电源人   和你在一起)

该项目各部分能耗及设计PUE(数据中心总能耗/IT设备总能耗)见表2。通过表2可以看出,设计PUE=1.2987,满足设计PUE值小于1.3的要求。

表2 各部分能耗及设计PUE

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结语

该项目采用了18℃/28℃的高温冷水,目前在数据中心空调系统中鲜有这么高的供回水温度,但CFD模拟结果表明,该温度对于该数据中心项目来说是可行且可靠的。随着服务器功能的提升,数据机房环境温度越来越高,甚至会突破目前标准推荐的范围。在这种情况下,空调冷源的供回水温度还可以进一步提高,冷水机组能耗也将随之降低。磁悬浮变频冷水机组能效比高、能耗低,对于降低PUE效果显著。该项目目前尚未投入运行,实际使用效果需要进一步验证。

(全文刊登于《暖通空调》2020年第50卷第1期86~91页)

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