1. 課題研究背景和目的 

數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)中的空調(diào)系統(tǒng)主要服務(wù)對象是電子設(shè)備，應(yīng)確保電子設(shè)備長期、連續(xù)、安全的運(yùn)行。目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)大多數(shù)采用風(fēng)冷型專用空調(diào)機(jī)組，其具有裝置靈活、可靠安全的優(yōu)點(diǎn)，但也存在性能系數(shù)較低、運(yùn)行性能不穩(wěn)定、受室外環(huán)境溫度變化動(dòng)搖較大、室內(nèi)外機(jī)組裝置管線較短、室外冷凝器占用大量建筑面積的缺點(diǎn)。隨著機(jī)架熱負(fù)荷在逐漸上升，考慮到室外冷凝器對建筑立面影響較大且冷凝器的安裝位置受室內(nèi)機(jī)位置和建筑立面的限制，風(fēng)冷型專用空調(diào)機(jī)組經(jīng)常滿足不了需要。采用集中冷源空調(diào)系統(tǒng)即冷水機(jī)組+冷凍水型專用空調(diào)機(jī)組方案（以下統(tǒng)稱冷凍水空調(diào)系統(tǒng)）變得更為普遍。 

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)使用集中冷源，制冷效率較高；采用冷卻塔蒸發(fā)冷卻，不需設(shè)置風(fēng)冷冷凝器，降低環(huán)境噪音，對建筑立面影響小；數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用冷凍水空調(diào)系統(tǒng)具有一定水平的節(jié)電降耗價(jià)值，特別是一些中、大型項(xiàng)目上不但節(jié)能效益顯著，而且可以減少空調(diào)設(shè)備的投資。但凡事有利則有弊，由于冷凍水空調(diào)系統(tǒng)中安裝的設(shè)備及閥門等部件較多，系統(tǒng)單點(diǎn)故障點(diǎn)較多，為達(dá)到靈活、可擴(kuò)展、可靠、適用、易維護(hù)和節(jié)能的需求，冷凍水空調(diào)中的水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。深入研究冷凍水空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的應(yīng)用，對于目前移動(dòng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)工作具有極其重要的作用。 

本課題主要從方案角度探討冷凍水空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的應(yīng)用模式，包括冷源端和空調(diào)末端的管路模式，在保證機(jī)房的可靠性的前提下，分析冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的各種節(jié)能措施，如高溫冷凍水、大溫差及利用自然冷源等，以期盡量降低數(shù)據(jù)中心機(jī)房的PUE值。

2. 冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的一般組成

2.1 冷水機(jī)組 

冷水機(jī)組是指能生產(chǎn)冷凍水的機(jī)械制冷設(shè)備（見圖2－1），冷水機(jī)組為冷卻民用建筑而生產(chǎn)的冷水溫度一般為7℃,若用于冷卻數(shù)據(jù)中心機(jī)房，此溫度常顯太低。較高的水溫能夠減少機(jī)房的加濕負(fù)荷，提高空調(diào)顯熱比，具有很大的節(jié)能潛力。冷水溫度較高的缺點(diǎn)是使空調(diào)末端換熱器配置規(guī)格加大。 

冷水可以是100%的水，或是水與乙二醇的混合物（如管路位于有凍結(jié)危險(xiǎn)區(qū)域），當(dāng)水中有乙二醇或添加劑時(shí)，冷水機(jī)組的容量會(huì)有所衰減。 

2.2 冷卻塔 

冷卻塔是將循環(huán)冷卻水在其中噴淋，使之與空氣直接接觸，通過蒸發(fā)和對流把攜帶的熱量散發(fā)到大氣中去的冷卻裝置（見圖2－2）。冷卻塔有各種形狀、規(guī)格、配置與冷卻容量。由于冷卻塔需要有環(huán)境空氣進(jìn)出的通路，所以通常設(shè)置于室外，一般在屋面或架高平臺(tái)上。對設(shè)有冷卻塔的數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)有補(bǔ)水儲(chǔ)存，以避免在市政停水時(shí)冷卻塔失水。在大型空調(diào)系統(tǒng)中，冷卻塔通常選用橫流塔，每臺(tái)塔由若干相同模塊組成，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷和室外溫度靈活臺(tái)數(shù)控制，并配置風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，能起到很好的節(jié)能效果。

圖2－1  離心式冷水機(jī)組

圖2－2  橫流式冷卻塔

2.3 水泵 

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)中主要的水泵是冷凍水循環(huán)水泵和冷卻水循環(huán)水泵，泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮節(jié)能、可靠性與冗余度，在滿足安全的情況下，水泵配置設(shè)計(jì)時(shí)通?？膳渥冾l調(diào)速裝置，并采用高效電機(jī)，這樣，對于每周7天，24小時(shí)運(yùn)行的泵來說，節(jié)能效果很顯著。  

2.4 冷凍水型專用空調(diào)機(jī)組 

冷凍水型專用空調(diào)機(jī)組主要結(jié)構(gòu)分為兩部份（見圖2－3）：風(fēng)機(jī)段、制冷盤管，其它選配件包括電加熱器、電極式加濕器等。冷凍水管接管位置設(shè)置在機(jī)組的背面或側(cè)面；通常該機(jī)組的送風(fēng)方式采用下送風(fēng)，風(fēng)機(jī)段安裝于高架地板之下，空氣從機(jī)組頂部吸入，從機(jī)組底部送出；采用大風(fēng)量小焓差設(shè)計(jì)原則，顯熱比大；在典型工況下（回風(fēng)溫度24℃，相對濕度50%，進(jìn)/出水溫度7/12℃）的制冷量范圍30~210KW，風(fēng)量范圍9000~50000 m3/h；送風(fēng)機(jī)配置EC調(diào)速外轉(zhuǎn)子式電機(jī)將有良好的節(jié)能效果；

圖2－3   冷凍水型專用空調(diào)機(jī)組

冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵和專用空調(diào)等4部分是冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備，除以上主要設(shè)備外，還有一些附屬設(shè)備，包括分水器、集水器、水處理器、補(bǔ)水泵、定壓裝置、蓄冷罐等，在此不一一贅述。    

3. 冷凍水空調(diào)系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)  

在數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷凍水空調(diào)管路設(shè)計(jì)中，最重要的一點(diǎn)是可靠性，在可靠性的基礎(chǔ)上兼顧易用和節(jié)能。根據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的面積、高度、工藝負(fù)荷、功能要求等，可采用各種不同的管路方式，這些管路方式應(yīng)在不增加機(jī)房風(fēng)險(xiǎn)情況下，有不同程度的管道冗余、可調(diào)節(jié)及在線維護(hù)功能。 

3.1 制冷機(jī)房管路設(shè)計(jì) 

制冷機(jī)房基本的水系統(tǒng)流程是：空調(diào)回水通過冷水機(jī)組蒸發(fā)制冷降溫成空調(diào)供水，供給各空調(diào)末端使用，冷卻塔將冷水機(jī)組冷凝器熱量通過蒸發(fā)冷卻散發(fā)到大氣中，完成冷凍水和冷卻水兩系統(tǒng)水系統(tǒng)的循環(huán)。通常最基本的管道形式如圖3-1所示，空調(diào)冷凍供回主水、冷卻供回水主管均無備份冗余，如主管有故障時(shí)，需停機(jī)檢修，這種管路系統(tǒng)在一些要求不高、允許制冷中斷的建筑采用（如民用建筑的制冷系統(tǒng)），但通常滿足不了數(shù)據(jù)中心機(jī)房安全性的需要。

圖3－1  制冷機(jī)房管道系統(tǒng)圖（基本型）

為滿足機(jī)房安全性的需求，雙制冷系統(tǒng)經(jīng)常被采用。如圖3-2所示，采用二套獨(dú)立制冷系統(tǒng)，每套制冷系統(tǒng)各承擔(dān)數(shù)據(jù)中心機(jī)房50~100%的冷負(fù)荷，每套系統(tǒng)與基本型的管路系統(tǒng)一樣，均存在單點(diǎn)故障，如發(fā)生故障，一套系統(tǒng)可能需要停機(jī)檢修，在檢修期間，只能利用另外一套制冷系統(tǒng)供冷。 

理論上說，在雙制冷系統(tǒng)中，如每套制冷系統(tǒng)承擔(dān)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房負(fù)荷不到100%，當(dāng)一套系統(tǒng)出現(xiàn)單點(diǎn)故障停機(jī)檢修時(shí)，另一套系統(tǒng)是不能完全保證機(jī)房使用要求的，但如果配合機(jī)房分級制度，在系統(tǒng)故障情況下允許部分設(shè)備停機(jī)，且盡量減少檢修時(shí)間，在單套系統(tǒng)70%負(fù)荷左右的情況下，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的安全性還是能夠保證的。采用雙制冷系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是管路數(shù)量比較多，制冷機(jī)房的管路數(shù)量較基本型系統(tǒng)要增加一倍。 

在這種系統(tǒng)下，各制冷系統(tǒng)所聯(lián)接的末端空調(diào)也應(yīng)根據(jù)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量承擔(dān)相應(yīng)負(fù)荷，如每套制冷系統(tǒng)承擔(dān)70%空調(diào)負(fù)荷，則對應(yīng)該制冷系統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)末端也應(yīng)按70%負(fù)荷選配，這樣一個(gè)機(jī)房的總的空調(diào)末端是按140%的空調(diào)負(fù)荷配置的。如每套系統(tǒng)承擔(dān)100%空調(diào)負(fù)荷，則機(jī)房空調(diào)末端需按200%負(fù)荷選配，末端要比基本型要增加一倍數(shù)量，機(jī)房空調(diào)布置區(qū)域相應(yīng)要增加一倍面積。因此，按100%負(fù)荷配置雙制冷系統(tǒng)需要付出更高的投資費(fèi)用且獲得更少的數(shù)據(jù)中心設(shè)備裝機(jī)面積，這點(diǎn)是需要在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮的。

圖3－2  制冷機(jī)房管道系統(tǒng)圖（雙系統(tǒng)型）

另一種更常見的制冷機(jī)房管路設(shè)計(jì)是采用環(huán)狀封閉回路，如圖3－3所示，凍凍水管路設(shè)計(jì)為環(huán)狀，在各點(diǎn)上開口為負(fù)荷提供冷凍水。從冷源開始，回路中的液體可以向兩個(gè)方向流動(dòng)。環(huán)狀封閉回路應(yīng)采用閥門分成若干獨(dú)立段。閥門的布置，應(yīng)保證有一段干管可被切斷，以進(jìn)行維護(hù)或檢修。如切斷一側(cè)的末端負(fù)荷供水則由回路干管的另一側(cè)供水，即使某處發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)不受影響，仍然可以正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)的安全性。與冷凍水系統(tǒng)相似，相應(yīng)的凍卻水管道也布置成環(huán)路。環(huán)狀系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是管路比較復(fù)雜，控制閥門較多。

圖3－3  制冷機(jī)房管道系統(tǒng)圖（環(huán)狀管路型）

對一些規(guī)模不大的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，制冷機(jī)房采用單機(jī)單泵形式的接管方式可能在經(jīng)濟(jì)上比較合理，且能夠獲得滿意的可靠性及安全性，如圖3－4所示，為保證數(shù)據(jù)中心機(jī)房全年供冷，冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔采用N+1原則布置，分集水器采用1+1原則布置。冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵均一一對應(yīng)設(shè)置，不設(shè)進(jìn)出水總管，每套系統(tǒng)的進(jìn)出水管均接至分集水器，系統(tǒng)設(shè)置必要的閥門以保證在管道維護(hù)、更換閥門及出現(xiàn)意外故障時(shí)可切換，確保無單點(diǎn)故障。該系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是對于冷機(jī)總數(shù)量超過4臺(tái)的制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)管路數(shù)量較多，布置較為不易，因此更適合應(yīng)用于中小規(guī)模的機(jī)房。

圖3－4  制冷機(jī)房管道系統(tǒng)圖（單機(jī)單泵型）

3.2 空調(diào)末端管路設(shè)計(jì) 

數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)設(shè)備較少，管路設(shè)計(jì)較為簡單，但根據(jù)制冷機(jī)房管道系統(tǒng)的不同，數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)末端接管形式也有所不同。 

基本的機(jī)房內(nèi)管路系統(tǒng)如圖3－5所示單立管系統(tǒng)，通常同一豎向的空調(diào)末端采用同一根立管相連接，如立管出現(xiàn)故障，則該豎向機(jī)房均不能制冷。

 圖3－5  空調(diào)末端單立管系統(tǒng)圖

為避免末端的單點(diǎn)故障，通常一個(gè)豎向機(jī)房組會(huì)采用雙立管系統(tǒng)，對于制冷機(jī)房采用環(huán)狀管路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，雙立管系統(tǒng)也通過水平支管連接成環(huán)路，如圖3－6所示，環(huán)狀封閉回路應(yīng)采用閥門分成若干獨(dú)立段。閥門的布置，應(yīng)保證有一段干管可被切斷，以進(jìn)行維護(hù)或檢修。如切斷一側(cè)的末端負(fù)荷供水則由回路干管的另一側(cè)供水，即使某處發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)不受影響，仍然可以正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)的安全性。

圖3－6 空調(diào)末端雙立管系統(tǒng)圖（環(huán)狀管路）

如制冷機(jī)房采用雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，空調(diào)末端如采用環(huán)狀雙立管系統(tǒng)可能會(huì)造成問題，由于兩套制冷系統(tǒng)是獨(dú)立的，在末端將兩套系統(tǒng)的管路連接可能會(huì)造成水力不平衡現(xiàn)象。為安全起見，在這種情況下，雙立管系統(tǒng)不互相連接，各立管所連接的空調(diào)末端采用間插式連接，間插式連接的目的是為了在一套制冷系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，機(jī)房還能有比較好的末端氣流組織。如圖3－7所示。

圖3－7 空調(diào)末端雙立管系統(tǒng)圖（間插連接）

4. 冷凍水空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)  

4.1 高溫冷凍水設(shè)計(jì) 

通常冷凍水空調(diào)中采用機(jī)械壓縮冷水機(jī)組，其節(jié)能性主要體現(xiàn)在能效比EER（energy efficiency ratio）和部分負(fù)荷效率IPLV （Integrated Part Load Value）。同樣溫差情況下，提高壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度可以提高壓縮機(jī)效率，按粗略估計(jì)，蒸發(fā)溫度每升高1℃， EER能提高2~3%。同樣，提高蒸發(fā)溫度對于利用自然冷源是有利的，對于同一個(gè)氣候區(qū)來說，蒸發(fā)溫度越高，每年可資利用的自然冷卻時(shí)間則越多，以北京地區(qū)為例，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)年內(nèi)，溫度在7℃（標(biāo)準(zhǔn)工況蒸發(fā)溫度）以下的時(shí)間是3025小時(shí)，溫度在10℃以下的時(shí)間是3562小時(shí)。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境控制設(shè)備的傳統(tǒng)運(yùn)行是保持機(jī)房空調(diào)的回風(fēng)工況。典型的回風(fēng)溫度20~24℃，導(dǎo)致了來自空調(diào)的送風(fēng)溫度在10~16℃之間。若熱通道/冷通道環(huán)境設(shè)計(jì)合理，則可采用較高的送風(fēng)溫度，由此可用較高的冷水溫度或蒸發(fā)溫度。最終能在滿足冷負(fù)荷的需要下以可能的最高溫度運(yùn)行供冷系統(tǒng)，達(dá)到最大程度的節(jié)能效果。 

從另一個(gè)方面，數(shù)據(jù)中心機(jī)房露點(diǎn)控制是控制加濕和除濕的一種有效辦法。數(shù)據(jù)中心機(jī)房一般推薦的相對濕度范圍是40~60%之間，相對濕度過高有可能給數(shù)據(jù)中心設(shè)備帶來諸多問題，包括導(dǎo)電陽極故障、吸濕性粉塵故障和腐蝕等，極端情況下，水蒸汽在電子元器件或電介質(zhì)材料表面形成水膜，容易引起電子元器件之間出現(xiàn)形成通路。當(dāng)相對濕度過低時(shí)，容易產(chǎn)生較高的靜電電壓。機(jī)房濕度的設(shè)計(jì)值對機(jī)房運(yùn)行時(shí)加濕和除濕的能耗有很大的影響。大多數(shù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房主要的濕源是室外空氣，目前新建的數(shù)據(jù)中心機(jī)房密閉性都較好，從外界空氣傳入的水蒸汽不多，機(jī)房除濕能耗相對不大，主要能耗體現(xiàn)在加濕過程中，降低機(jī)房設(shè)計(jì)濕度將減少加濕能耗，提高機(jī)房空調(diào)末端的顯熱比。在機(jī)房設(shè)定相比濕度較低的情況下，當(dāng)冷凍水空調(diào)進(jìn)水溫度高于機(jī)房熱通道露點(diǎn)溫度（一般12℃以上），則在空調(diào)末端也許無需加濕，機(jī)房在干工況下運(yùn)行，即提高衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，又起到節(jié)能作用。因此，總的來說，應(yīng)放棄越冷越好的想法，冷水供水溫度和機(jī)房送風(fēng)溫度應(yīng)盡可能提高，運(yùn)行在可允許的較高的機(jī)房溫度和較低的相對濕度設(shè)定范圍內(nèi)，不僅可以提高制冷效率，而且能降低加濕能耗，在大多數(shù)氣候條件下還能大大增加利用自然冷源的時(shí)間。

4.2 大溫差設(shè)計(jì)

根據(jù)某冷水機(jī)組樣機(jī)特性曲線顯示，蒸發(fā)器兩側(cè)冷水溫差對于冷水機(jī)組的效率影響很小，因此，從節(jié)能的角度考慮，加大冷凍水供回水溫差是有利的。較大的溫差可使流量減少，于是冷凍水泵的能耗降低，通常冷凍水空調(diào)供回水溫差是5℃，如溫差加大到6℃，冷凍水量將減少17%。但應(yīng)該注意，對于具體設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)獲得產(chǎn)品的特性曲線，采用大溫差設(shè)計(jì)可能會(huì)潛在地降低冷水機(jī)組效率或加大冷水盤管規(guī)格。

而通過資料顯示，冷水機(jī)組效率隨冷卻水溫差的加大而降低。想通過增大冷卻水溫差以降低水泵能耗將明顯導(dǎo)致冷水機(jī)組的效率降低，因此，在考慮采用冷卻水大溫差設(shè)計(jì)前，需以年為基礎(chǔ)對冷卻水泵能耗和冷水機(jī)組能耗進(jìn)行詳細(xì)的分析。

4.3 自然冷源利用

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)即使采用高效設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)秀，其全年運(yùn)行能耗也是十分顯著的。一般情況下，如果沒有利用自然冷源，數(shù)據(jù)中心機(jī)房PUE值很難低于1.7。要降低PUE，通常主要的途徑是利用自然冷源。根據(jù)氣候區(qū)的不同采用合理的免費(fèi)制冷方案，數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷系統(tǒng)全年能耗通常能節(jié)約10~50%，甚至有時(shí)可能更高。 

通常利用自然冷源方式分為直接自然冷卻和間接自然冷卻兩種方式，直接自然冷卻意味著直接利用室外的空氣來冷卻室內(nèi)/設(shè)備，這類自然冷卻通常應(yīng)用在低熱負(fù)載的戶外數(shù)據(jù)中心機(jī)柜和在溫度濕度低要求的場所，與冷凍水空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)系不大，不在此贅述。 

間接自然冷卻意味著通過使用干冷器，冷卻塔或者通過冷水機(jī)組的自然冷卻盤管利用室外冷空氣把水冷卻到一定的程度，這樣冷水就能通過機(jī)房空調(diào)機(jī)組的冷凍水盤管進(jìn)行制冷。圖4－1表示通過干冷器、自然冷卻盤管進(jìn)行自然冷卻的原理圖

圖4－1 采用干冷器間接自然冷卻原理圖

間接自然冷卻與冷凍水空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合可采用冷凍水加閉式冷卻塔的雙冷源系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)制冷冷源選擇：由冷水機(jī)組（配開式冷卻塔）和閉式冷卻塔（提供自然冷源）兩部分作為制冷冷源，根據(jù)室外氣溫的變化采取相應(yīng)的組合運(yùn)行方式來滿足制冷需求，空調(diào)末端采用高顯熱供冷的雙盤管機(jī)房空調(diào)機(jī)組。如圖4－2所示。

圖4－2 冷凍水加閉式冷卻塔的雙冷源系統(tǒng)

夏季運(yùn)行模式為冷水機(jī)組（開式冷卻塔運(yùn)行）獨(dú)立運(yùn)行，由冷水機(jī)組為空調(diào)末端提供冷凍水；冬季運(yùn)行模式為閉式冷卻塔利用室外低溫自然冷源獨(dú)立為空調(diào)末端提供冷凍水；過渡季節(jié)，高壓離心式冷水機(jī)組和閉式冷卻塔同時(shí)運(yùn)行，由于機(jī)房內(nèi)采用了雙盤管機(jī)組，過渡季節(jié)優(yōu)先采用閉式冷卻塔提供的冷凍水對空調(diào)末端進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷量不能滿足機(jī)房要求時(shí)再啟動(dòng)冷水機(jī)組供冷，從而減少壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。由于該空調(diào)系統(tǒng)冷源為雙冷源，空調(diào)末端為雙盤管系統(tǒng)，在冬季和過渡季節(jié)的使用不但不存在自然冷源和冷水機(jī)組供冷切換控制的風(fēng)險(xiǎn)，管道系統(tǒng)還能互為備用，運(yùn)行可靠，控制簡單。與傳統(tǒng)的冷凍水空調(diào)系統(tǒng)相比，增加了閉式冷卻塔、室內(nèi)單盤管機(jī)組改為雙盤管機(jī)組，雖然增加部分管路和設(shè)備投資，但運(yùn)行節(jié)電。