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[广东水蓄冷]数据中心空调规划设计要点

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时间: 2018-01-19
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数据中心是耗能、耗水大户,在设计过程当中,空调也是主体专业也是工艺专业。那我们主最关注什么呢?主要关注安全、经济、节能、可扩展性。另外在设计过程中,要根据不同的需求来设计,满足等级标准,特别是在线维护。空调曾经出现过一个阀门坏了整个空调停运,这个是不允许的,任何一个设备在运行的过程出现故障中都要能够安全退出,而不影响系统的运行,这是设计的重要原则。等级比较高的机房(T3、T4)的机房有这个要求。

我想讲的内容比较多,今天讲前面几个部分,后面小的字体以后有机会再和大家一起交流。

首先,数据中心的按等级是如何配置设备与系统?特别是空调是如何配置的?这是一张表,制冷系统,冷源的配置情况,如果按照T3的标准是N+1,T4的标准就要2N双冷源,这个是要注意的。然后我们的空调末T3标准是N+1,T4标准2N。供水的管路,T3标准一定要做到单循环,T4标准要求双管路连续供冷,主机停了,电源停了,制冷也要保证的,T3机房一般是要求大于4千瓦的单台机柜就要做到连续供冷,T4是必须的,保持15分钟。

[广东水蓄冷]数据中心空调规划设计要点

这些是我们设计空调很重要的原则,参照美国的T3标准,同时我们的电信、移动也参照该标准在做,我们设计院基本上是按照这个要求来设计。

冷源的选择,是我们的重中之重,冷源种类很多,列了一个表格,有风冷、直接蒸发冷;风冷的冷水机组;还有水冷的冷水机;还有蒸发冷冷水机;溴化锂机组。品种很多。主要根据数据中心的规模、建筑形式、南北的地域差异来选用。各自都有各自的优点和缺点,目前主流的还是风冷的和水冷机组用的比较多,特别是随着数据中心的密度越来越高,大型的数据中心越来越多,面积大的越来越多,几百个机柜,这都属于小的,大的都要几千个机柜,所以现在是冷量越来越大。

[广东水蓄冷]数据中心空调规划设计要点

这个地方我就想简单介绍一下新的冷源产品----磁悬浮主机,我们做了分析比较,设计过程当中也碰到磁悬浮主机方案,可能是将来发展的趋势或者说将来发展的方向,现在磁悬浮的目前来说国内或国际上做的制冷量单台不是很大。据我们了解,全国用的单台最大的约800RT,大部分用的都是在600RT以下的,所以说优势主要是振动和噪音非常小。另外启动比较迅速,不像大的离心机启动时间比较慢。我们希望数据中心启动从断电到达到满负荷时间越短越好,这个时间短,意味着我们连续供冷的时间长,同时也意味着我们蓄冷罐数量就可以做小。目前应急冷源基本都是按15分钟来做。这个表格是我自己列出来的,根据我们做了十几个数据中心,做了简单分析。我们认为:按机架平均密度4kw考虑,在500个机架以下,主要是考虑风冷或者小型的蒸发冷的形式,500到1000个机架的范畴,两种选择都可以,风冷和水冷,要进行经济技术的详细比较,一千个以上,大型的冷水机房,主要还是考虑以水冷的为主。

[广东水蓄冷]数据中心空调规划设计要点

主机选择的冷量怎么确定?提一个我们的想法,冷负荷主要是工艺冷负荷和维护结构、新风等冷负荷,工艺冷负荷占90%以上。所以主机选择(下面是一个估算值)有两种算法,一个就是把两个的值加起来,乘上1.1到1.2的安全余量,第二种的算法前面的冷量是0.6到1的同时使用系数,我们建议是按第二种,冷量不能用最大值,选的主机过大,造成浪费,这个投资不但是空调的浪费,与空调相关配套的UPS、EPS、变压器这些容量都会偏大,所以空调计算非常重要。我们统计了几个数据中心,我们发现前面的同时使用系数(0.6到1之间)的大部分都在0.6、0.7、0.8的水平。我们说一栋楼有一个同时使用系数,每一个机房也有同时使用系数,机房里面每一个服务器也有同时使用系数,并不是说同时最大值,计算冷负荷空调的时候,从设计的角度,从管理的角度,大家都可以深思一下。数据中心运行以后发现绝大部分设计是偏大的。因为实际运行指标没那么大,所以有过度设计之嫌。

[广东水蓄冷]数据中心空调规划设计要点

冷负荷估算指标的选取,我们也是统计了一些,曾经做过广州超算的数据中心,最大的单机架功率超过90kw,采用的空调方式也非常特殊,不是房间级、列间级,是专门为它搞了一套空调设备。目前数据中心大部分的单机架平均功率都是在10kw以下,主流大概在4~ 6kw。3kw以下的也很少设计。随着技术的发展,密度可能会越来越高。所以我们设计过程当中,有60%以上是4~6kw,根据客户的不同需求,预留了20%~30%的容量能够扩容,扩展到10~20kw范畴之内。同样空调、电力都要匹配,就是刚才说的叫可扩展性,一次设计成功,比如说做了一半,将来需求变了,市场变了,二次设计的时候也能够通用,也就是我们所说的叫做建筑通用化,机电定制化或模块化。

针对自然冷却,我也想讲一下,有条件地区的自然冷却必须要用的,我们统计了一下,按照我们国家的地缘,目前分成五个大的区域,严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区都是有条件用的,特别在西北、东北、张北这些地区,基本上每年都有将近一半的时间,最少三分之一的时间可以用。在广州或者福建、华南这样的一些夏热冬暖地区用的时间很少。随着技术的进步,这种自然冷源也在这些地方用,比如风冷带节能模块的主机,过去10℃节能模块就能完全运行,压缩机停运,现在慢慢的提到14、15℃;随着数据中心的送风温度在逐步提高,过去冷冻水供回温度是10~15℃,现在逐步提到12~ 18℃,以后可能还会逐步提高,但提高也是有限的,提的很高会引起其他的问题。现在主机房的送风温度见新国标的推荐值。我想当冷冻水的温度已经提到12~18℃,供回水温差6℃水冷的中央空调系统,当室外湿球温度低于10℃的时候,理论上就可以开始完全的自然冷却,但考虑预留安全余量,通常我们推荐的室外湿球温度5~7℃的时候才能完全自然冷却,所谓完全自然冷却就是压缩机停止运行,我们用室外的自然冷源,采用用冷却塔加板换的模式或者用闭式冷却塔的模式都可以做到,风冷也是一样,这是风冷的自然冷源的形式,主要里面加了一个节能模块,加了以后压缩机和节能模块之间可以同时运行,叫部分自然冷源,也可以压缩机运行即独立制冷,也有可以节能模块完全运行,这个就是完全自然冷却的模式。现在水冷空调的自然冷源形式往往是冷却塔加冷水机组,这里冷却塔是有两种,一种是闭式冷却塔,一种是开式冷却塔,各有利弊,我们做的大部分是开式冷却塔加板换,占了70~80%,闭式冷却塔只占到10%~20%,闭式冷却塔为什么较少?主要是闭式冷却塔造价比较贵,冬天防冻问题不好解决,特别是严寒地区,这个是要考虑的。下图是自然冷源的原理图,我的冷却塔和主机、板换之间是串联的关系。

第二个问题蓄冷,蓄冷主要解决两个问题,一个是减少运行的费用,一个是容灾,有两个功能,蓄冷形式主要是两种,水蓄冷和冰蓄冷,目前来说数据中心基本上采用水蓄冷,冰蓄冷用的非常少,几乎没有,为什么?因为水蓄冷最大的优点是放冷的速度快,随时随地可以调出来用;一般是用钢管或者叫做蓄冷罐串联的系统里,这种容灾更及时。还有一种用的是蓄冷水池,通常有峰谷电价的地方采用,容灾时通过板换,冷水进入空调主系统,这种方式现在也在逐步采用,因为现在峰谷电价的地方往往做大型的水蓄冷池,有满足蓄冷、容灾两个功能。

大型的水蓄冷池一方面能起到容灾的作用,另外一方面起到节省运行费用。我们在东莞某个数据中心做了一个大的蓄冷水池,广东第一个在通信行业做的3500m³大型蓄冷池,净的装水量3300m³,制冷主机是1100RT。目前运行情况来说,初期机架不多的时候,这一池子水装满了以后,一两百个机架能够4到5天不用开制冷主机,特别适合初期机架少的时候。但是主机又配的比较大的情况,如果离心机配大了,机架太少,是开不起来的。因为离心主机要达到20%以上的负荷,才能够稳定运行。如果制冷主机选的多大,机架配的多少,制冷主机一开很快就会停机,所以这个蓄冷水池还起到缓冲这么一个作用。

我们跟大家分享一个案例,这个项目是某央企的数据中心,面积4000㎡,总共做了5个机房,非常有特色,高中密度的都有,其中有3~6kw的,6~8kw,8~10kw,还有12kw的,为什么要档次这么多,是根据长远的发展规划到2030年满足业主使用要求,我们规划是未来可能会有8~12kw的机架。目前来说使用的中低密度的3~6kw的机架。

空调冷源的配置,选用3台640RT的离心机,两台变频,1台定频,关于变频和定频,是非常有研究的;为什么要选变频,什么情况下选定频?我们从初期投资、初期运行电负荷低等特点考虑,或者是说数据机房装机不饱满的情况下,变频主机性能比是比较高的,所以目前两台变频,然后一台定频。

同时从安全的角度配置了两台蓄冷水罐,80m³,满足数据机房15分钟的持续供冷能力。另外我们设计了开式冷却塔加板换的自然冷源,当温度小于6℃完全自然冷却,温度选择很重要,如果说6℃完全自然冷却,冷却塔配置是比较大,如果说更高,说8℃就要自然冷却,冷却塔配的要更大,当采用自然冷却时,夏天、冬天冷却塔冷的容量相差很大,冬天自然冷源配冷却塔是夏天空调的两倍左右,两台冷却塔冬季用,夏季开一台就够了。

[广东水蓄冷]数据中心空调规划设计要点

这里是我们的系统原理图,这是主机,蓝色的是供水系统,形成一个环管,前面做了蓄冷水罐,这样保证安全,同样我们的回水管也是一样的,也是通过三台泵并联的形式打进来,然后回水管也形成环管,冷却水系统也是一样,供水也是形成一个环管,回水也形成一个环管,为什么要形成单环管,就是确保我们的供冷系统非常安全,满足T3标准。

[广东水蓄冷]数据中心空调规划设计要点

这是当完全自然冷却时的原理图,通过两台板换,就能把冷冻水供出去,两台板换和后面的冷却塔形成回路,主机停止工作下完全自然冷却。在完全自然冷却和完全压缩制冷的情况下,根据情况进行调整,可以用部分自然冷却来混合这部分水,也可以满足部分自然冷却的情况。

[广东水蓄冷]数据中心空调规划设计要点

这个是我们制冷机房的布置,三台冷水主机,两台板换与主机并联,这个机房面积比较小,只有400多平方米,这是冷却变频的水泵,这个是冷冻水泵,这是两台蓄冷罐,还有定压补水的装置,另外还有全程水处理器,保证水质的安全。

这个机房已经投入运行了,目前来说效果还是非常理想。上面的主机房里面也配置了恒温恒湿的风柜,配了机房的专用加湿器、加湿机组。另外还配了下送风的恒温恒湿风柜,还有新风的新风机,处理完了以后直接送到机房,满足了正压的要求,屋面配了三组冷却塔,冷却塔选的是方形逆流冷却塔,防冻性能好。


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