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1北京建筑大學(xué)北京市“供熱、供燃?xì)狻⑼�風(fēng)及空調(diào)工程”重點實驗室2北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院3北京建筑大學(xué)科技處

摘要：本文從設(shè)計、運行、測試和節(jié)能角度全面介紹了天津某數(shù)據(jù)中心模塊化空調(diào)系統(tǒng)示范工程，推薦了一種順應(yīng)數(shù)據(jù)中心模塊化、可擴(kuò)展、快速部署、高保障性的模塊化節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：模塊化空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能

0  引言

 近幾年來，隨著我國互聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入了大規(guī)模的規(guī)劃建設(shè)階段。2011年到2013年上半年全國共規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)中心255個，已投入使用173個，總用地約713.2萬m2，總機(jī)房面積約400萬m2。在投產(chǎn)方面，255個數(shù)據(jù)中心的總設(shè)計服務(wù)器規(guī)模約728萬臺，實際投產(chǎn)服務(wù)器數(shù)約57萬臺，占設(shè)計規(guī)模的7.8%，超大型、大型、中小型數(shù)據(jù)中心的投產(chǎn)率分別為1.8%、21.5%和40%。在能效方面。255個數(shù)據(jù)中心中近90%的設(shè)計PUE（Power Usage Effectiveness，能源效率指標(biāo)）低于2.0，平均PUE為1.73。

 然而實際運行的數(shù)據(jù)中心PUE基本達(dá)不不到設(shè)計的效果，主要原因是服務(wù)器投產(chǎn)基本需要分步實施，如上數(shù)據(jù)中提到的實際投產(chǎn)率僅占設(shè)計規(guī)模的7.8%。通信設(shè)備的建設(shè)通常按3～5年甚至更長時間的業(yè)務(wù)需求來做規(guī)劃。而數(shù)據(jù)中心的空調(diào)和土建等基礎(chǔ)設(shè)施通常需要一步到位，即使做預(yù)留，靈活性也不好控制，特別對于集中水系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)的匹配靈活性不足，致使空調(diào)系統(tǒng)長期處于大馬拉小車的運行狀態(tài)，很難實現(xiàn)真正的節(jié)能，目前在運行的數(shù)據(jù)中心實際運行PUE多數(shù)在2.0～2.5左右。

 基于這個考慮，本文將介紹一個實際工程案例，將模塊化、靈活可擴(kuò)展和節(jié)能理念應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)，運行效果良好。

1  模塊化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計理念

 模塊化空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計理念以模塊化數(shù)據(jù)中心機(jī)房平面為對象設(shè)置冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)末端和冷源部分都與機(jī)房模塊一一對應(yīng)設(shè)置。模塊化空調(diào)系統(tǒng)可以隨著機(jī)房模塊的擴(kuò)展而擴(kuò)展，空調(diào)模塊之間不存在相互影響，可以分別獨立開啟。

 模塊化空調(diào)系統(tǒng)定位在解決中高密度通信設(shè)備的散熱問題，主要針對單機(jī)柜功耗為5～10 kW的服務(wù)器系統(tǒng)，空調(diào)末端采用冷凍水型列間空調(diào)的形式。列間空調(diào)布置在機(jī)柜相鄰的位置，空調(diào)在外形尺寸上與機(jī)柜寬度、深度模數(shù)相同，外形與機(jī)柜很相像，布置在機(jī)柜間，不需額外設(shè)置空調(diào)區(qū)域，機(jī)房利用率高。

 模塊化空調(diào)的冷源采用了帶自然冷源的風(fēng)冷冷水模塊化機(jī)組，同時將系統(tǒng)循環(huán)水泵、定壓裝置等集成在風(fēng)冷冷水機(jī)組內(nèi)，就近布置在機(jī)房模塊，節(jié)省了冷凍站的機(jī)房面積。

 模塊化空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)中心空調(diào)需要全年供冷和系統(tǒng)保障性要求高的特點，采取相應(yīng)措施來提高系統(tǒng)的節(jié)能性和安全保障性。

2  示范工程介紹

2.1設(shè)計概況

 本示范工程位于天津某物流倉庫內(nèi)，是倉儲機(jī)房的一部分。倉儲式機(jī)房的特點是快速部署，靈活擴(kuò)展。倉儲機(jī)房的模塊單位如圖1所示，是一個寬4.5 m，長14.4 m，高3.3 m的機(jī)房模塊為單元，可布置機(jī)柜數(shù)量為2x20個，機(jī)柜的布置遵循冷熱分區(qū)的原則。本示范工程設(shè)置單機(jī)柜功耗為5 kW和10 kW兩個模塊。

2.2系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1設(shè)計參數(shù)

 夏季室外空調(diào)設(shè)計參數(shù)33.4℃，夏季空調(diào)室外計算濕球溫度26.9℃；冬季空調(diào)室外計算干球溫度-11℃，冬季空調(diào)室外計算相對濕度54%。

 室內(nèi)計算參數(shù)：冷通道22 ℃，相對濕度55%；熱通道34℃。

2.2.2設(shè)計負(fù)荷

 5 kW模塊：IT負(fù)荷156 kW，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷5 kW，空調(diào)設(shè)計負(fù)荷161  kW；

 10 kW模塊：IT負(fù)荷285 kW，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷5 kW，空調(diào)設(shè)計負(fù)荷290 kW。

2.2,3空調(diào)系統(tǒng)形式及氣流組織

  模塊化空調(diào)系統(tǒng)采用列間空調(diào)，空調(diào)設(shè)備布置在機(jī)柜間，氣流輸送距離短。對單機(jī)柜功耗5 kW和10 kW的高發(fā)熱密度機(jī)柜可以有效散熱。空調(diào)送風(fēng)采用前送風(fēng)后回風(fēng)方式（圖2），氣流分布均勻。

2.2.4空調(diào)冷源

  本示范工程采用了2臺帶自然冷源的風(fēng)冷冷水機(jī)組作為冷源，冷水機(jī)組供／回水溫度10/15℃。當(dāng)室外溫度低于空調(diào)系統(tǒng)供水溫度2℃時開啟自然冷源模塊先對空調(diào)系統(tǒng)回水進(jìn)行預(yù)冷，不足冷量由壓縮機(jī)供冷提供。當(dāng)室外低至自然冷卻盤管能夠提供系統(tǒng)所需冷量時，壓縮機(jī)全部關(guān)閉。

2.2.5空調(diào)水系統(tǒng)

 如圖3所示，空調(diào)水系統(tǒng)采用定流量系統(tǒng)，空調(diào)末端采用二通調(diào)節(jié)閥。供水干管形成環(huán)路，從環(huán)路的兩個支管差排接至每臺空調(diào)末端，保證在部分管路出現(xiàn)故障時環(huán)路的另一側(cè)提供持續(xù)供水。同時對一臺空調(diào)而言，兩個支路交叉為其提供冷凍水，提高了空調(diào)供水系統(tǒng)的保障性和安全性。

 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)因為業(yè)務(wù)性質(zhì)的關(guān)系要求具有高保障性，因此空調(diào)水系統(tǒng)需要備份。本工程在每個空調(diào)模塊設(shè)置蓄冷罐1個，在市政斷電時為系統(tǒng)提供備用冷凍水，防止服務(wù)器的空調(diào)系統(tǒng)暫停致使機(jī)房溫度迅速升高，服務(wù)器報警或停止工作。水系統(tǒng)的以上設(shè)計都在一定程度上提高了空調(diào)系統(tǒng)的保障性。

2.2.6模塊空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備配置表

表1為模塊空調(diào)主要設(shè)備表。

3  運行實踐

 該工程自2012年投入使用，運行情況良好。對模塊化數(shù)據(jù)中心進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，PUE測試數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

  數(shù)據(jù)顯示，5 kW模塊的PUE全年大部分時間在1.7以下，使用自然冷源是最好的二月份PUE達(dá)到1.22，年平均PUE為1.54，空調(diào)系統(tǒng)能耗占到非常小的份額。10 kW模塊實際IT負(fù)荷達(dá)不到設(shè)計值，因此系統(tǒng)PUE略高于5 kW模塊，但年平均PUE值為1.74以下。

 由于自然冷源的運行和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，對于小的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)來講，PUE實際運行數(shù)值在節(jié)能效果方面還是比較理想的。

4  節(jié)能分析

 本模塊化空調(diào)的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

 1)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)負(fù)荷以顯熱為主，室內(nèi)空調(diào)可以在干工況運行。設(shè)計空調(diào)回水溫度為10/15℃，冷水機(jī)組供回水溫度比常規(guī)的7/12℃提高3℃，高的供水提高了冷水機(jī)組的運行效率。

 2)空調(diào)末端采用列間空調(diào)方式，直接對機(jī)柜進(jìn)行降溫，減少了其他氣體輸送的能耗。

 3)空調(diào)末端和室外風(fēng)冷機(jī)組都采用EC風(fēng)機(jī)能夠很好地實現(xiàn)無級變頻調(diào)速，降低系統(tǒng)能耗。

 4)風(fēng)冷冷水機(jī)組采用帶自然冷源的機(jī)組，在室外較低溫度時關(guān)閉壓縮機(jī)，利用免費冷源減少冷水機(jī)組的運行時間，降低系統(tǒng)能耗。

 5)空調(diào)系統(tǒng)與服務(wù)器系統(tǒng)的較好匹配使得空調(diào)冷量得到了充分使用。

5  結(jié)論

 模塊化數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)具備靈活、可擴(kuò)展和節(jié)能的特性，在能夠利用自然冷源的嚴(yán)寒寒冷地區(qū)節(jié)能效果尤為顯著。對于距離城區(qū)較遠(yuǎn)、占地面積大的、數(shù)據(jù)中心規(guī)劃需要分期建設(shè)、靈活擴(kuò)展的數(shù)據(jù)中心基地值得大力推廣。