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摘要：传统的低功率密度的数据中心可采用集中制冷的形式对服务器进行冷却，但是当机柜的功率超过5kW时，采用传统的集中式制冷会出现很多弊端，例如在实际运行时机柜顶部存在局部热点和地板下送风不足等问题，这些都将导致设备过热保护引发宕机。因此，本文以某新建的数据中心为例，介绍高密度数据中心的制冷空调系统的设计思路及方法。
关键词：高密度数据中心；制冷空调；系统设计
1、数据中心概况
该项目是将现有办公楼的一部分改造成数据中心。改造前的办公楼总建筑面积约为12000㎡，建筑高度24m，地上五层、地下两层，主要包括高密度数据中心、辅助用房和办公室。其中本文研究的高密度数据中心位于该大楼二层北侧，主机房建筑面积280㎡，层高4m。服务器机柜110台，网络机柜6台，单台服务器机柜功率8.8kW，机房内设置防静电高架地板。
2、制冷空调及通风系统设计
2.1设计参数
2.1.1室外气象参数
根据《实用供热空调设计手册》，参照地区的气象参数选取室外气象参数，结果见图1左边所示。
2.1.2室内气象参数
《数据处理环境热工指南》列出了数据中心1~4级所对应的环境要求。我国按照使用性质、管理要求及重要数据丢失或网络中断造成的损失或影响程度，将数据机房分为A、B和C三级。数据中心机房的设计与建设以保证所有IT设备的不间断运行为首要任务。同时，针对本项目制冷系统解决方案的设计，需要达到GB50174-2008的A级设计标准（规范现在改为GB50174-2017，2018年1月1日起实施，GB50174-2008废止）。因此，本文中的数据中心属于A级机房，机房内的温度（23±1）℃，相对湿度40%~55%，每小时温度变化率小于5℃/h，且室内不得结露。（最新规范变更为：冷通道或机柜进风区域的温度推荐值18-27°，露点温度为5.5-15°，相对湿度不大于60％）
2.1.3通风换气次数
为保证机房内的正压及人员新风量的要求，机房内新风量按照每人40m3/h选取，同时要维持机房与相邻房间5Pa的正压，与外界房间10Pa的正压要求，二者取最大值。
2.2负荷计算
①机房内：计算机设备、照明灯具、辅助设施及工作人员所产生的热；
②机房外：外部进入的热。其中机房内的计算机设备的发热量占的比重最大，约占机房总发热量的60~70%。
2.3制冷系统的确定
2.3.1空调系统冷源设计
PUE目前已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比。PUE值越小，说明数据中心用于通信设备以外的能耗越小、系统越节能。全球数据中心的平均PUE是2.0，发达国家数据中心的PUE约为1.8，日本部分数据中心的PUE为1.5，Google的数据中心PUE低至1.2。
为了实现数据中心的节能运行，获得更少的PUE，因此应该充分利用免费的自然冷源。在春秋季节的晚上或者在冬季，充分利用室外的低温空气来对系统中的冷媒水进行自然冷却，这样可以大大减少压缩机的功耗，从而降低系统的PUE值。
根据地区全年室外气温的分布（见图1右边）可以计算出，全年可实现全部自然冷却的时间占全年总运行时间的24%，部分自然冷却的时间约占全年运行总时间的27%，全部机械制冷的时间约占全年总运行时间的49%。计算依据是市全年的室外气象温度。对配有自然冷却的机组，当室外温度低于10℃时，可以启动部分自然冷却；当室外温度低于5℃时，可以启动全部自然冷却。百分比根据室外温度所保持的时间占全年的运行时间之比计算所得。
图1
为了实现节能和充分利用冬季的自然冷却，采用干冷器与冷冻水机组串联的形式，这样可以实现以下三种工作模式。
①夏季，风冷冷冻水机组开启，高温的乙二醇溶液经过冷冻水机组的蒸发器释放热量。
②冬季，充分利用室外低温的空气冷却干冷器中的乙二醇溶液，冷冻水机组停机，实现无压缩机运行制冷的自然冷却模式。
③过渡季节，当外界环境温度比冷冻水的回水温度低3℃时，可以开启干冷器进行自然冷却，不足的冷量通过风冷冷水机组补充；当外界环境温度比冷冻水回水温度低10℃时，可以完全实现自然冷却，冷冻水机组停机。
2.3.2冷冻水系统设计
空调系统采用7℃的冷冻水供水，12℃冷冻水回水的冷冻水循环系统。系统中采用1次泵变流量设计，可以满足随着数据中心中IT负载的变化而自动调节流量。每个空调的支管上设置平衡阀，方便调试时调节系统管路上的水压平衡。为了实现数据中心的安全和连续制冷，在数据中心中，IT设备都有不间断电源（UPS）来保证供电，UPS将在市政用电断电后为IT设备供电直到发电机启动。但是空调系统的部件往往都不接UPS，甚至不接备用发电机。而高密度机房设备发热量巨大，当断电时，机房温度会在（30~120）s内迅速上升至使数据设备停机的温度，导致数据设备停机或损坏。为了保证系统的稳定性，避免系统电源故障停电后至冷冻水机组启动前的过热现象，系统中必须设有安全装置。
2.3.3室内精密空调的设计
空调对温度和湿度的测量和控制比较精密。空调器在正常使用条件下，通过空调控制逻辑检测回风温度，调节冷冻水调节阀，控制送风温度。温度波动超限将发出远程报警信号。当温度设定在15~30℃范围时，机组温度控制精度为±1℃；温度变化率应小于5℃/h。湿度的控制有两种形式；当湿度低于设定值时，启动机组自带的电极式加湿罐进行加湿；当湿度达到设定值时，加湿罐停止工作。如果检测湿度大于设定值，则采用制冷除湿，或者电加热补偿除湿。
2.3.4新风与排风系统
数据中心空调系统必须提供适量的室外新风，以保持数据通信机房的正压值和保证室内人员的卫生要求图。为了维持机房区正压，满足人员新风的需求，采用1次h（可去掉）的换气次数，在数据中心北侧布置1台风量为1120m/h的轴流风机，使得机房内与机房外保持10Pa的压差。排风按5次换气次数计算，选用1台风量5600m3/h的轴流风机，用于当火灾发生时，气体灭火后的灾后清空风机。
结束语
为了数据中心全年8760h实现不间断制冷，采用了一些必要的措施，例如水泵接UPS、设置蓄冷罐等来保障制冷空调系统断电后和冷冻水机组重启期间维持设备正常连续运行的一段时间，从而保证系统制冷安全。另外，采用自然冷却技术可以大大减少系统的能耗。以地区为例，全年可实现全部自然冷却的时间占全年总运行时间的24%，部分自然冷却的时间约占全年运行总时间的27%，这样该系统的能耗将减少1/3。
参考文献
[1]刘芳.数据中心空调系统节能分析[J].建筑热能通风空调，2013.
[2]项棚中.数据中心空调系统设计优化探讨[].制冷与空调，2013.
论文作者:谢永安
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/3
标签：数据中心论文; 机房论文; 温度论文; 自然论文; 室外论文; 机组论文; 系统论文; 《建筑学研究前沿》2018年第8期论文;