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数据中心水蓄冷空调系统设计应关注的问题

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时间: 2019-01-09
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数据中心水蓄冷空调系统设计应关注的问题

数据中心的负荷特性和运行要求与民用建筑完全不同。随着数据中心服务器功率密度的提高,风冷无法解决高热密度服务器的散热问题,水冷已成为高热密度服务器冷却的主流方案。数据中心要求全年不间断供冷,并且其业务一般是分期分阶段建设的。随着数据中心业务的发展,业主会逐步增加建设投资,该业务属于边成长边投资型的业务。因此,在进行暖通设计时需要结合数据中心自身的业务特点,考虑方案设计的可用性和足够的系统弹性。笔者从数据中心的业务特性出发,主要分析冷水机组、水泵、蓄冷罐及管道防冻和管网设计等方面应关注的一些实际问题。

1 冷水机组设备选型

数据中心的冷水机组选型除了从输出冷量大小的角度选择螺杆式冷水机组和离心式冷水机组外,还有高压冷水机组和低压冷水机组在供电电压等级上的选择,冷水机组在压缩机转速变频方面的选择,这些不同特性设备的选择依据主要是其所承载的业务特性以及设备运行的经济性。

1.1高压与低压冷水机组的选择

GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.2.4条电动压缩式冷水机组电动机的供电方式应符合下列规定:

1) 当单台电动机的额定输入功率大于1 200 kW时,应采用高压供电方式;

2) 当单台电动机的额定输入功率大于900 kW而小于或等于1 200 kW时,宜采用高压供电方式;

3) 当单台电动机的额定输入功率大于650 kW而小于或等于900 kW时,可采用高压供电方式。

当前数据中心的暖通设计中,在满足GB 50736—2012第8.2.4条的情况下,冷水机组的冗余设计通常采用n+1的方式,其中n台采用高压定频冷水机组,1台采用低压变频冷水机组。在业务发展初期由于负载低,故启用1台低压变频冷水机组。而当业务发展到一定规模,其负载达到高压冷水机组的启动要求后才启用高压冷水机组。高压冷水机组与低压冷水机组的特点对比见表1。


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1.2定频与变频冷水机组的选择

对于定频与变频冷水机组的选择,除了考虑设备投资成本外,还要考虑定频与变频冷水机组各自的运行特性以及与数据中心业务发展分阶段建设的负载匹配性。

结合某品牌的冷水机组COP与负荷率的关系曲线(见图1),在低负荷率下变频冷水机组COP与负荷率的关系曲线存在波峰,有一个最佳运行的负荷率区间(40%~60%),在此区间内变频冷水机组较定频冷水机组有很大优势,而在高负荷率(90%~100%)时变频冷水机组和定频冷水机组的COP相当。


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结合某品牌的冷水机组COP与冷却水温度的关系曲线(见图2),在冷却水温度低于25 ℃时变频冷水机组相比定频冷水机组在COP方面表现突出,但在25 ℃以上的冷却水温度下二者的COP相当。这就要求冷水机组选型应考虑与冷却塔选型的匹配性,还要关注当地的气象条件。冷水机组的COP与室外环境温度的关系也符合图2所示的关系。


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结合以上特点,在设计选型时要考虑业务的分期建设和业务的负荷率发展情况而合理地进行设备选择。

1.3冷水机组n+1设计时n的选择

电动压缩式冷水机组的台数及单机制冷量的选择应满足空气调节负荷变化规律及部分负荷运行的调节要求,一般为2~4台。

假定单台冷水机组的可靠性是0.99,那么n台冷水机组并联的可靠性逻辑方框图如图3所示。通过概率论的串并联逻辑模型即可求得该冷水机组并联时的可靠性计算公式。


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n+1台冷水机组并联系统可靠性计算公式如下:

Rn+1=1-(1-r)×(1-rn)

=r+rn(1-r)(1)

式中:Rn+1为n+1台冷水机组并联的系统可靠性;r为单台冷水机组的可靠性,取0.99。

通过计算,当n取1~5台时,冷水机组并联台数越多,并联运行的可靠性越低,单台冷水机组的负荷率越高,冷冻水系统可用的冷量冗余量越低(见表2)。另外,变频与定频冷水机组的选型分析表明,单台冷水机组的负荷率越高,变频冷水机组COP越低。因此,冷水机组并联台数较多时宜采用定频冷水机组,且n不宜大于3。


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2 水泵并联设计选型

水泵与冷水机组通常被设计成一一对应的关系,且并联运行,系统对水泵的配置台数也有限制。以单台100 m3/h的水泵为例进行分析,如表3所示。


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当并联台数超过3台时,流量衰减超过29%,即使再增加水泵台数,总流量的增加也不显著,导致2种结果:流量不足,系统无法正常运行;加大单台水泵的容量配置,导致过度配置,投资增加,耗电量增加,系统运行不经济。

从水泵选型的角度来看,若其与冷水机组一一对应配置,冷水机组并联运行的台数也不宜超过3台。

3 蓄冷罐方案设计选型

数据中心的一个非常重要的指标就是冷却连续性,也就是为了保障数据业务的不间断运行,必须采用蓄冷罐进行一定时间冷量后备。常见的水蓄冷罐有圆柱形和长方形2种。相同蓄水体积时,圆柱形表面积与体积比最小,冷损失较少,投资较低。圆柱形蓄冷罐的高度直径比是设计时需要考虑的形状参数,一般通过技术经济性比较确定。

蓄冷罐内的水温在高度方向是自然分层的。假设冷水机组的供/回水温度为10 ℃/15 ℃,一般蓄冷罐底部10 ℃进水,顶部出水温度会在10~11 ℃之间,这由水自身的热物性决定。

在数据中心的蓄冷罐方案设计中,常见的蓄冷罐与冷水机组的位置关系有串联和并联2种。

3.1蓄冷罐与冷水机组串联

如图4所示,蓄冷罐与冷水机组串联且处于蓄冷状态时,蓄冷罐进水温度10 ℃时,出水温度将达到11 ℃,无法满足空调末端10 ℃的供水要求。当蓄冷罐与冷水机组串联且处于放冷状态时,系统由蓄冷罐供冷,蓄冷时的底部10 ℃进水端变成了15 ℃的进水端,即低温进水变成了高温进水,2种温度的水混合导致蓄冷罐的出水温度超过11 ℃,无法满足设备10 ℃的供水要求。


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另外,蓄冷罐串联在冷冻水系统中,水流方向保持不变,系统阻力增加,冷冻水泵扬程必须加大且耗电量增加。

3.2蓄冷罐与冷水机组并联

蓄冷罐与冷水机组并联(见图5)时,由于水在蓄冷罐的自然分层特性,蓄冷罐在蓄冷时出水温度也达到11 ℃,但该蓄冷罐出水并不进入设备而直接回到冷水机组,因此并不影响空调末端性能。在放冷时,蓄冷罐的进水端变成出水端,水流方向发生变化,空调末端还是由蓄冷罐提供10 ℃冷冻水,而不会发生冷热水流混合。


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可见,在蓄冷罐方案设计选型时应采用蓄冷罐与冷水机组并联的方案。

4 管网设计选型

虽然暖通系统的设计原理和方法在民用建筑和数据中心相差无几,但是结合各自建筑特点及负荷特性,数据中心的管网设计还是有其独特之处。如图6所示,某运营商的数据中心冷冻水系统设计中,设计5台冷水机组(4+1运行)保障设备层面的可靠性,设计5台板式换热器进行自然冷却。在管网设计方面采用双供双回的双管制和环管制相结合的方式,保障管路系统的可靠性,并且在数据中心一般不会进行管网分区和采用二次泵系统,因为数据中心的供冷半径通常较小,除非数据中心的供冷来自园区的冷冻站而不是数据中心的专用冷冻站。


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4.1管网设计方案选择

在管网设计方面,有多种方案(见图7)可以选择,各方案优缺点如表4所示。


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4.2管道防冻方案选择

数据中心常年需要冷却,因此应特别注意冬季的管道防冻问题。目前常见的方案有向冷却水系统中添加乙二醇溶液或对冷却水管道进行电伴热或根据合适的气候条件不采取任何措施。

4.2.1添加乙二醇溶液

向冷却水系统中添加乙二醇溶液是一种施工简便的措施,添加的乙二醇溶液能够降低水溶液的冰点从而防止结冻,如图8所示,25%质量百分数的乙烯乙二醇溶液的冰点为-10.7 ℃。但也有缺点,添加的乙二醇溶液将降低水溶液的冷却性能并增加了水溶液的黏性(见表5),导致系统管路阻力增加,乙二醇溶液比热容较纯水的比热容高0.43 kJ/(kg·℃),并且其黏度较纯水的黏度增大2倍多。另外,乙二醇溶液对管路设备有轻微腐蚀性,需要设置板式换热器将乙二醇溶液与纯冷水系统进行物理隔离。


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4.2.2管道电伴热

数据中心的管道电伴热一般为20~30 W/m,伴热长度一般达150 m左右,电压220 V或110 V,有防爆和不防爆之分。其优点是不与水接触并不会降低冷却性能,其缺点是施工相对复杂,伴热均匀性差,伴热长度有限,检修维护频繁。管道电伴热如图9所示。由于电伴热的成品长度有限,需要形成电气回路对长管道进行加热,对施工工艺要求高,后期运行维护困难。另外,电伴热属于耗电产品,与数据中心的节能设计理念相悖。


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4.2.3水流自适应

圆管内流体是否结冰仅与圆管内表面最低温度有关,而与圆管内流体流速无关。当圆管内表面最低温度高于一定温度(-5.2 ℃)时,圆管内流动的水在1 800 s内不再发生结冰,如图10所示。一般情况下供水温度10 ℃,外包20 mm厚保温棉,在室外气温高于-5 ℃的地区,其管内水温在冬季高于-5 ℃,此种情况下无须采取防冻措施。


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5 结论

数据中心冷水机组的选型须严格参照GB 50736—2012执行。

1) 无论从冷水机组并联运行还是水泵并联运行角度看,冷水机组及其对应水泵作n+1设计时n不宜大于3。

2) 应进行高压冷水机组与低压冷水机组的投资成本分析,既保证选型的合理性又保证选型的经济性。

3) 当单台冷水机组的负荷率在40%~60%之间时,宜选择变频冷水机组;负荷率在90%以上且冷却水温高于25 ℃时宜选择定频冷水机组,不同品牌的冷水机组最佳负荷率区间略有不同。

4) 水蓄冷设计中宜采用蓄冷罐与冷水机组并联的方案。

5) 管网设计类型有双管+双盘管、双管+单盘管、单管同程+环管和单管+环管等,宜根据数据中心的可用性等级和投资成本之间的平衡性选择合适的方案。

6) 管道防冻措施的选择应因地制宜,结合施工工艺和气候条件制定。


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