[广东水蓄冷]数据中心空调规划设计要点

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。