1. 課題研究背景和目的 

數(shù)據(jù)中心機房空調(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)、安全的運行。目前數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)大多數(shù)采用風(fēng)冷型專用空調(diào)機組，其具有裝置靈活、可靠安全的優(yōu)點，但也存在性能系數(shù)較低、運行性能不穩(wěn)定、受室外環(huán)境溫度變化動搖較大、室內(nèi)外機組裝置管線較短、室外冷凝器占用大量建筑面積的缺點。隨著機架熱負(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)機位置和建筑立面的限制，風(fēng)冷型專用空調(diào)機組經(jīng)常滿足不了需要。采用集中冷源空調(diào)系統(tǒng)即冷水機組+冷凍水型專用空調(diào)機組方案（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?。粩?shù)據(jù)中心機房采用冷凍水空調(diào)系統(tǒng)具有一定水平的節(jié)電降耗價值，特別是一些中、大型項目上不但節(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)單點故障點較多，為達(dá)到靈活、可擴展、可靠、適用、易維護和節(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)中心機房中的應(yīng)用，對于目前移動數(shù)據(jù)中心機房建設(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)中心機房的PUE值。

2. 冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的一般組成

2.1 冷水機組 

冷水機組是指能生產(chǎn)冷凍水的機械制冷設(shè)備（見圖2－1），冷水機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)中心機房，此溫度常顯太低。較高的水溫能夠減少機房的加濕負(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)危險區(qū)域），當(dāng)水中有乙二醇或添加劑時，冷水機組的容量會有所衰減。 

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)境空氣進出的通路，所以通常設(shè)置于室外，一般在屋面或架高平臺上。對設(shè)有冷卻塔的數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)有補水儲存，以避免在市政停水時冷卻塔失水。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數(shù)控制，并配置風(fēng)機變頻調(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)計時通?？膳渥冾l調(diào)速裝置，并采用高效電機，這樣，對于每周7天，24小時運行的泵來說，節(jié)能效果很顯著。  

2.4 冷凍水型專用空調(diào)機組 

冷凍水型專用空調(diào)機組主要結(jié)構(gòu)分為兩部份（見圖2－3）：風(fēng)機段、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)置在機組的背面或側(cè)面；通常該機組的送風(fēng)方式采用下送風(fēng)，風(fēng)機段安裝于高架地板之下，空氣從機組頂部吸入，從機組底部送出；采用大風(fēng)量小焓差設(shè)計原則，顯熱比大；在典型工況下（回風(fēng)溫度24℃，相對濕度50%，進/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)機配置EC調(diào)速外轉(zhuǎn)子式電機將有良好的節(jié)能效果；

圖2－3   冷凍水型專用空調(diào)機組

冷水機組、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  

在數(shù)據(jù)中心機房冷凍水空調(diào)管路設(shè)計中，最重要的一點是可靠性，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)在不增加機房風(fēng)險情況下，有不同程度的管道冗余、可調(diào)節(jié)及在線維護功能。 

3.1 制冷機房管路設(shè)計 

制冷機房基本的水系統(tǒng)流程是：空調(diào)回水通過冷水機組蒸發(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，需停機檢修，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)中心機房安全性的需要。

圖3－1  制冷機房管道系統(tǒng)圖（基本型）

為滿足機房安全性的需求，雙制冷系統(tǒng)經(jīng)常被采用。如圖3-2所示，采用二套獨立制冷系統(tǒng)，每套制冷系統(tǒng)各承擔(dān)數(shù)據(jù)中心機房50~100%的冷負(fù)荷，每套系統(tǒng)與基本型的管路系統(tǒng)一樣，均存在單點故障，如發(fā)生故障，一套系統(tǒng)可能需要停機檢修，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)中心機房負(fù)荷不到100%，當(dāng)一套系統(tǒng)出現(xiàn)單點故障停機檢修時，另一套系統(tǒng)是不能完全保證機房使用要求的，但如果配合機房分級制度，在系統(tǒng)故障情況下允許部分設(shè)備停機，且盡量減少檢修時間，在單套系統(tǒng)70%負(fù)荷左右的情況下，數(shù)據(jù)中心機房的安全性還是能夠保證的。采用雙制冷系統(tǒng)的一個缺點是管路數(shù)量比較多，制冷機房的管路數(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)的機房空調(diào)末端也應(yīng)按70%負(fù)荷選配，這樣一個機房的總的空調(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用且獲得更少的數(shù)據(jù)中心設(shè)備裝機面積，這點是需要在設(shè)計時加以考慮的。

圖3－2  制冷機房管道系統(tǒng)圖（雙系統(tǒng)型）

另一種更常見的制冷機房管路設(shè)計是采用環(huán)狀封閉回路，如圖3－3所示，凍凍水管路設(shè)計為環(huán)狀，在各點上開口為負(fù)荷提供冷凍水。從冷源開始，回路中的液體可以向兩個方向流動。環(huán)狀封閉回路應(yīng)采用閥門分成若干獨立段。閥門的布置，應(yīng)保證有一段干管可被切斷，以進行維護或檢修。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，整個系統(tǒng)不受影響，仍然可以正常運行，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)的一個缺點是管路比較復(fù)雜，控制閥門較多。

圖3－3  制冷機房管道系統(tǒng)圖（環(huán)狀管路型）

對一些規(guī)模不大的數(shù)據(jù)中心機房，制冷機房采用單機單泵形式的接管方式可能在經(jīng)濟上比較合理，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)中心機房全年供冷，冷水機組、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)進出水總管，每套系統(tǒng)的進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、更換閥門及出現(xiàn)意外故障時可切換，確保無單點故障。該系統(tǒng)的一個缺點是對于冷機總數(shù)量超過4臺的制冷系統(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)模的機房。

圖3－4  制冷機房管道系統(tǒng)圖（單機單泵型）

3.2 空調(diào)末端管路設(shè)計 

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

基本的機房內(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

為避免末端的單點故障，通常一個豎向機房組會采用雙立管系統(tǒng)，對于制冷機房采用環(huán)狀管路設(shè)計的系統(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立段。閥門的布置，應(yīng)保證有一段干管可被切斷，以進行維護或檢修。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，整個系統(tǒng)不受影響，仍然可以正常運行，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）

如制冷機房采用雙系統(tǒng)設(shè)計，空調(diào)末端如采用環(huán)狀雙立管系統(tǒng)可能會造成問題，由于兩套制冷系統(tǒng)是獨立的，在末端將兩套系統(tǒng)的管路連接可能會造成水力不平衡現(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  

4.1 高溫冷凍水設(shè)計 

通常冷凍水空調(diào)中采用機械壓縮冷水機組，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，提高壓縮機蒸發(fā)溫度可以提高壓縮機效率，按粗略估計，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間則越多，以北京地區(qū)為例，在一個標(biāo)準(zhǔn)年內(nèi)，溫度在7℃（標(biāo)準(zhǔn)工況蒸發(fā)溫度）以下的時間是3025小時，溫度在10℃以下的時間是3562小時。

數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境控制設(shè)備的傳統(tǒng)運行是保持機房空調(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行供冷系統(tǒng)，達(dá)到最大程度的節(jié)能效果。 

從另一個方面，數(shù)據(jù)中心機房露點控制是控制加濕和除濕的一種有效辦法。數(shù)據(jù)中心機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，容易產(chǎn)生較高的靜電電壓。機房濕度的設(shè)計值對機房運行時加濕和除濕的能耗有很大的影響。大多數(shù)數(shù)據(jù)中心機房主要的濕源是室外空氣，目前新建的數(shù)據(jù)中心機房密閉性都較好，從外界空氣傳入的水蒸汽不多，機房除濕能耗相對不大，主要能耗體現(xiàn)在加濕過程中，降低機房設(shè)計濕度將減少加濕能耗，提高機房空調(diào)末端的顯熱比。在機房設(shè)定相比濕度較低的情況下，當(dāng)冷凍水空調(diào)進水溫度高于機房熱通道露點溫度（一般12℃以上），則在空調(diào)末端也許無需加濕，機房在干工況下運行，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，冷水供水溫度和機房送風(fēng)溫度應(yīng)盡可能提高，運行在可允許的較高的機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間。

4.2 大溫差設(shè)計

根據(jù)某冷水機組樣機特性曲線顯示，蒸發(fā)器兩側(cè)冷水溫差對于冷水機組的效率影響很小，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)計者應(yīng)獲得產(chǎn)品的特性曲線，采用大溫差設(shè)計可能會潛在地降低冷水機組效率或加大冷水盤管規(guī)格。

而通過資料顯示，冷水機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)致冷水機組的效率降低，因此，在考慮采用冷卻水大溫差設(shè)計前，需以年為基礎(chǔ)對冷卻水泵能耗和冷水機組能耗進行詳細(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)計優(yōu)秀，其全年運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制冷方案，數(shù)據(jù)中心機房制冷系統(tǒng)全年能耗通常能節(jié)約10~50%，甚至有時可能更高。 

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房空調(diào)機組的冷凍水盤管進行制冷。圖4－1表示通過干冷器、自然冷卻盤管進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)?？照{(diào)系統(tǒng)制冷冷源選擇：由冷水機組（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房空調(diào)機組。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)

夏季運行模式為冷水機組（開式冷卻塔運行）獨立運行，由冷水機組為空調(diào)末端提供冷凍水；冬季運行模式為閉式冷卻塔利用室外低溫自然冷源獨立為空調(diào)末端提供冷凍水；過渡季節(jié)，高壓離心式冷水機組和閉式冷卻塔同時運行，由于機房內(nèi)采用了雙盤管機組，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)末端進行冷卻，當(dāng)冷量不能滿足機房要求時再啟動冷水機組供冷，從而減少壓縮機的運行時間，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組供冷切換控制的風(fēng)險，管道系統(tǒng)還能互為備用，運行可靠，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)單盤管機組改為雙盤管機組，雖然增加部分管路和設(shè)備投資，但運行節(jié)電。