摘要：随着科技的不断发展，数据中心越来越多，而数据中心制冷系统对数据中心稳定运行具有重要意义。本文分析了某大型高密度数据中心制冷空调系统的设计。
关键词：高密度数据中心；制冷空调系统；设计
随着社会的发展，数据中心已经广泛出现在人们生产、生活中。而数据中心的能源消耗巨大，在当前能源紧缺、节能减排的背景下，对大型数据中心节能研究意义重大。
一、数据中心概况
该项目是将现有办公楼的一部分改造成数据中心。改造前的办公楼总建筑面积约为12，000 m2，建筑高度24m，地上五层、地下两层，主要包括高密度数据中心、辅助用房和办公室。其中本文研究的高密度数据中心位于该大楼二层北侧，主机房建筑面积280m2，层高4m。服务器机柜110台，网络机柜6台，单台服务器机柜功率8.8kW，机房内设置防静电高架地板。主要工程内容包括数据中心制冷空调系统、新风系统和排风系统的设计。
二、制冷空调及通风系统设计
1、设计参数
1）室外气象参数。根据《实用供热空调设计手册》，参照该地区的气象参数选取室外气象参数，结果见表1。
表1室外气象参数
2）室内气象参数。《数据处理环境热工指南》列出了数据中心1-4级所对应的环境要求。我国按照使用性质、管理要求及重要数据丢失或网络中断造成的损失或影响程度，将数据机房分为A、B、C三级。数据中心机房的设计与建设以保证所有IT设备的不间断运行为首要任务。同时，针对本项目制冷系统解决方案的设计，需要达到GB 50174-2008的A级设计标准。因此，本文中的数据中心属于A级机房，机房内的温度（23±1）℃，相对湿度40%-55%，每小时温度变化率小于5℃/h，且室内不得结露。
3）通风换气次数。为保证机房内的正压及人员新风量的要求，机房内新风量按照每人40 m3/h选取，同时要维持机房与相邻房间5Pa的正压，与外界房间10Pa的正压要求，二者取最大值。
2、负荷计算。机房的热负荷主要来自以下两方面：1）机房内--计算机设备、照明灯具、辅助设施及工作人员所产生的热；2）机房外--外部进入的热（如：从墙壁、屋顶、隔断和地面传入机房的热；透过玻璃窗射入的太阳辐射热；从窗户及门的缝隙渗入的风而侵入的热；新风机补充新风带进来的热等）。其中机房内的计算机设备的发热量占的比重最大，约占机房总发热量的60%-70%。
此外，为确定在该机房内主要设备所需恒温、恒湿环境下的机房空调设备的总负荷，本文根据计算机房系统内设备特点和环境情况，采用精确计算法来确定各区域热容量。
3、制冷系统的确定。该数据中心属于高密度数据中心，制冷空调通风系统的设计原则为：在满足设备温湿度要求的基础上，采用节能的手段确保数据中心制冷系统的稳定性和连续性，实现不间断制冷。
1）冷源设计。该数据中心总冷量达到23500kw。数据中心制冷系统采用N+1的冷源架构。具体方案为：冷冻站的空调水系统包括2套相互独立的水系统，对制冷量为3850kw一台的离心冷水机组进行配置，机组包括离心冷水机8台；配备制冷量为1150kW/台的螺杆冷水机2台，全部冷水机组采用的都是环保冷媒（R134a）。螺杆冷水机组可以调节空调系统的容量。冷源供水温度为12℃，回水温度为18℃；冷却水进水温度为32℃，出水温度为38℃。
2）冷却水系统的设计方案为：基于闭式冷却塔自然冷却的形式。冷却水系统包括冷却塔8台（系统运行过程中6台工作，两台备用）、冷冻水泵、冷却水泵、板式换热器等。对闭式冷却塔而言，其夏季空调负荷设计为单台容量为4400kw；冬季在自然冷却的情况下，设计冬季空调负荷为3850kw。
3）室内精密空调的设计。目前，室内的冷冻水型精密空调主要有两种形式，一种是传统的地板下送风的房间级空调，另外一种是水平送风的行级制冷空调，空调对温度和湿度的测量和控制比较精密。空调器在正常使用条件下，通过空调控制逻辑检测回风温度，调节冷冻水调节阀，控制送风温度。温度波动超限将发出远程报警信号。当温度设定在15℃-30℃范围时，机组温度控制精度为±1℃；温度变化率应小于5℃/h。湿度的控制有两种形式；当湿度低于设定值时，启动机组自带的电极式加湿罐进行加湿；当湿度达到设定值时，加湿罐停止工作。如果检测湿度大于设定值，则采用制冷除湿或电加热补偿除湿。房间级空调具有市场占有率高、公众认知度高等优点。但房间级空调地板下送风的风量受到限制，当服务器的进出口温差为11℃时，每带走1 kW热量，需要向服务器送270ｍ3/h的风。由于该机房服务器功率密度为8.8 kW，因此每台机柜所需要的冷风量为2，376ｍ3/h；开孔地板通常的开孔率为25%，在合理的送风风速下，每块开孔地板的送风量为511ｍ3/h，这意味着8.8 kW的机柜需要安排5块通风地板。如仍采用传统的下送风精密空调搭配高架地板的方式，则每个机柜需要安排5个通风地板，这将导致机房中通道的宽度增加。因此确定该高密度机房的空调形式采用水平送风的精密空调，冷空气从空调的送风口水平吹出并送到就近的几台机柜；服务器的出风口将热风送风回到精密空调的回风口。机柜采用面对面、背对背排列，形成冷热通道布置。
由于机柜的排列按照冷热通道排列，每个冷通道作为一组，每组通道空调的布置采用N+l（N表示实际需要的设备台数，1表示备用空调台数）冗余的形式；这样可以保证在一个冷通道内任何一台空调发生故障都能有备用空调替代，同时也可以合理分配每台空调的运行时间。精密空调的冷冻水采用地板下接管，冷凝水就近排进下层卫生间的地漏。
4）新风系统设计方案为：新风供给基于集中式方式，制冷系统新风系统设置为相互独立的两套系统，实现对机房新风的恒温处理与恒湿处理。新风系统设计风量处理能力为每小时15000m，通过初效G4和中效F6实现对PM2.5的过滤。新风机组中有两台与之配套的风冷热泵机组，为新风机组提供冷热源，设计冷源冷冻水进水温度为11℃，出水温度为6℃，热源热水供水温度为40℃，回水温度45℃。
5）气流组织的CFD模拟分析。对于高密度数据中心，合理的气流组织至关重要。通过有效的CFD气流模拟能在设计时及时发现机房的热点，从而采取措施来消除热点。本文对数据中心的部分机柜进行了CFD模拟，CFD计算的模型分为建筑物的物理模型和IT设备的物理模型。计算的工况是按照该地区的空调设计室外温湿度工况，机房内的温度为（23±1）℃，相对湿度40%～55%。边界条件是以室内外温度、湿度、地板开孔率、功率密度和风量等设定来计算的。CFD模拟的结果为，当空调正常运行时，冷通道温度约为18℃，热通道约为30℃；气流分配均匀，满足设计要求。
6）可靠性及控制方案。本空调系统设计在可靠性方面主要有以下几点考虑：①设备主机即冷水机组考虑冗余备用（2用1备），可保证一台损坏或维护时其他两台保证系统正常制冷；②空调末端设计冗余，在每排通道内做到N+l的末端制冷设备冗余，保证制冷可靠性；③系统内设计了蓄水罐，可保证系统停电到发电机重新启动的时间间隔内，提供7℃的冷冻水；④机房内的多台精密空调自成独立的群控系统，可实现备份自动切换功能、定时切换备份机组以及根据机房内热负荷的变化自动控制机组中空调机的运行数量，从而提高空调系统的可靠性，达到节能的目的。
控制方案和逻辑为：空调系统采用PLC控制，根据机组末端的回水温度，调节系统的冷冻水出水温度；末端水平送风的机组通过电动阀调节水量；从而使系统稳定地运行，持续不断地提供冷冻水。
三、结语
近年来，随着IT技术的高速发展，对数据的处理速度和处理能力要求越来越高。因此，大量体积小、处理能力快、功能强的高密度机架服务器和存储服务器应运而生。
参考文献：
[1]钱晓栋.数据中心空调系统节能研究[J].暖通空调，2014．
[2]柳建华.大型数据中心制冷系统设计[J].建筑节能，2016.
[3]项弸中.数据中心空调系统设计优化探讨[J].制冷与空调，2014.
论文作者:莫雯朗
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/13
标签：机房论文; 空调论文; 数据中心论文; 温度论文; 系统论文; 精密论文; 机组论文; 《基层建设》2018年第20期论文;