数据中心机房冷冻水空调系统的组成和节能设计

前言：

随着高性能服务器等IT设备的应用，高热密度数据中心对机房制冷提出更高的要求，而冷冻水型空调系统在数据中心机房早已是一个成熟应用，但不少用户对该系统的应用还存在保守的现象，本文将分析冷冻水空调系统的几种节能措施，以帮助数据中心用户更好的实现节能增效，下面介绍数据中心机房冷冻水空调系统的一般组成、管路设计模式以及节能方法等，对于相关工程的咨询设计工作有一定的借鉴与指导。

目前数据中心机房空调大多数采用风冷型专用空调机组，其具有装置灵活、可靠安全的优点，但也存在性能系数较低、运行性能不稳定、受室外环境温度变化动摇较大、室内外机组装置管线较短、室外冷凝器占用大量建筑面积的缺点。随着机架热负荷在逐渐上升，考虑到室外冷凝器对建筑立面影响较大且冷凝器的安装位置受室内机位置和建筑立面的限制，风冷型专用空调机组经常满足不了需要。采用集中冷源空调系统即冷水机组+冷冻水型专用空调机组方案(以下统称冷冻水空调系统)变得更为普遍。

冷冻水空调系统使用集中冷源，制冷效率较高;采用冷却塔蒸发冷却，不需设置风冷冷凝器，降低环境噪音，对建筑立面影响小;数据中心机房采用冷冻水空调系统具有一定水平的节电降耗价值，特别是一些中、大型项目上不但节能效益显着，而且可以减少空调设备的投资。但凡事有利则有弊，由于冷冻水空调系统中安装的设备及阀门等部件较多，系统单点故障点较多，为达到灵活、可扩展、可靠、适用、易维护和节能的需求，冷冻水空调中的水系统和控制系统的设计比较复杂。深入研究冷冻水空调系统在数据中心机房中的应用，对于目前移动数据中心机房建设工作具有极其重要的作用。

冷冻水空调系统的一般组成

1、冷水机组

冷水机组是指能生产冷冻水的机械制冷设备(见图2-1)，冷水机组为冷却民用建筑而生产的冷水温度一般为7℃,若用于冷却数据中心机房，此温度常显太低。较高的水温能够减少机房的加湿负荷，提高空调显热比，具有很大的节能潜力。冷水温度较高的缺点是使空调末端换热器配置规格加大。

冷水可以是100%的水，或是水与乙二醇的混合物(如管路位于有冻结危险区域)，当水中有乙二醇或添加剂时，冷水机组的容量会有所衰减。

2、冷却塔

冷却塔是将循环冷却水在其中喷淋，使之与空气直接接触，通过蒸发和对流把携带的热量散发到大气中去的冷却装置，冷却塔有各种形状、规格、配置与冷却容量。由于冷却塔需要有环境空气进出的通路，所以通常设置于室外，一般在屋面或架高平台上。对设有冷却塔的数据中心机房空调系统，应有补水储存，以避免在市政停水时冷却塔失水。在大型空调系统中，冷却塔通常选用横流塔，每台塔由若干相同模块组成，根据空调负荷和室外温度灵活台数控制，并配置风机变频调速，能起到很好的节能效果。

3、水泵

冷冻水空调系统中主要的水泵是冷冻水循环水泵和冷却水循环水泵，泵系统设计应考虑节能、可靠性与冗余度，在满足安全的情况下，水泵配置设计时通常可配变频调速装置，并采用高效电机，这样，对于每周7天，24小时运行的泵来说，节能效果很显著。

4、冷冻水型专用空调机组

冷冻水型专用空调机组主要结构分为两部份：风机段、制冷盘管，其它选配件包括电加热器、电极式加湿器等。冷冻水管接管位置设置在机组的背面或侧面;通常该机组的送风方式采用下送风，风机段安装于高架地板之下，空气从机组顶部吸入，从机组底部送出;采用大风量小焓差设计原则，显热比大;在典型工况下(回风温度24℃，相对湿度50%，进/出水温度7/12℃)的制冷量范围30~210KW，风量范围9000~50000 m3/h;送风机配置EC调速外转子式电机将有良好的节能效果;冷水机组、冷却塔、水泵和专用空调等4部分是冷冻水空调系统的主要耗能设备，除以上主要设备外，还有一些附属设备，包括分水器、集水器、水处理器、补水泵、定压装置、蓄冷罐等，在此不一一赘述。

5、冷冻水空调系统管路设计

在数据中心机房冷冻水空调管路设计中，最重要的一点是可靠性，在可靠性的基础上兼顾易用和节能。根据数据中心机房的面积、高度、工艺负荷、功能要求等，可采用各种不同的管路方式，这些管路方式应在不增加机房风险情况下，有不同程度的管道冗余、可调节及在线维护功能。

冷冻水空调系统节能设计

(1)高温冷冻水设计：

通常冷冻水空调中采用机械压缩冷水机组，其节能性主要体现在能效比EER(energy efficiency ratio)和部分负荷效率IPLV (Integrated Part Load Value)。同样温差情况下，提高压缩机蒸发温度可以提高压缩机效率，按粗略估计，蒸发温度每升高1℃， EER能提高2~3%。同样，提高蒸发温度对于利用自然冷源是有利的，对于同一个气候区来说，蒸发温度越高，每年可资利用的自然冷却时间则越多，以北京地区为例，在一个标准年内，温度在7℃(标准工况蒸发温度)以下的时间是3025小时，温度在10℃以下的时间是3562小时。

数据中心机房环境控制设备的传统运行是保持机房空调的回风工况。典型的回风温度20~24℃，导致了来自空调的送风温度在10~16℃之间。若热通道/冷通道环境设计合理，则可采用较高的送风温度，由此可用较高的冷水温度或蒸发温度。最终能在满足冷负荷的需要下以可能的最高温度运行供冷系统，达到最大程度的节能效果。

从另一个方面，数据中心机房露点控制是控制加湿和除湿的一种有效办法。数据中心机房一般推荐的相对湿度范围是40~60%之间，相对湿度过高有可能给数据中心设备带来诸多问题，包括导电阳极故障、吸湿性粉尘故障和腐蚀等，极端情况下，水蒸汽在电子元器件或电介质材料表面形成水膜，容易引起电子元器件之间出现形成通路。当相对湿度过低时，容易产生较高的静电电压。机房湿度的设计值对机房运行时加湿和除湿的能耗有很大的影响。大多数数据中心机房主要的湿源是室外空气，目前新建的数据中心机房密闭性都较好，从外界空气传入的水蒸汽不多，机房除湿能耗相对不大，主要能耗体现在加湿过程中，降低机房设计湿度将减少加湿能耗，提高机房空调末端的显热比。在机房设定相比湿度较低的情况下，当冷冻水空调进水温度高于机房热通道露点温度(一般12℃以上)，则在空调末端也许无需加湿，机房在干工况下运行，即提高卫生标准，又起到节能作用。因此，总的来说，应放弃越冷越好的想法，冷水供水温度和机房送风温度应尽可能提高，运行在可允许的较高的机房温度和较低的相对湿度设定范围内，不仅可以提高制冷效率，而且能降低加湿能耗，在大多数气候条件下还能大大增加利用自然冷源的时间。

(2)大温差设计

根据某冷水机组样机特性曲线显示，蒸发器两侧冷水温差对于冷水机组的效率影响很小，因此，从节能的角度考虑，加大冷冻水供回水温差是有利的。较大的温差可使流量减少，于是冷冻水泵的能耗降低，通常冷冻水空调供回水温差是5℃，如温差加大到6℃，冷冻水量将减少17%。但应该注意，对于具体设备，系统设计者应获得产品的特性曲线，采用大温差设计可能会潜在地降低冷水机组效率或加大冷水盘管规格。

而通过资料显示，冷水机组效率随冷却水温差的加大而降低。想通过增大冷却水温差以降低水泵能耗将明显导致冷水机组的效率降低，因此，在考虑采用冷却水大温差设计前，需以年为基础对冷却水泵能耗和冷水机组能耗进行详细的分析。

(3)自然冷源利用

冷冻水空调系统即使采用高效设备、系统设计优秀，其全年运行能耗也是十分显著的。一般情况下，如果没有利用自然冷源，数据中心机房PUE值很难低于1.7。要降低PUE，通常主要的途径是利用自然冷源。根据气候区的不同采用合理的免费制冷方案，数据中心机房制冷系统全年能耗通常能节约10~50%，甚至有时可能更高。

通常利用自然冷源方式分为直接自然冷却和间接自然冷却两种方式，直接自然冷却意味着直接利用室外的空气来冷却室内/设备，这类自然冷却通常应用在低热负载的户外数据中心机柜和在温度湿度低要求的场所，与冷冻水空调系统联系不大，不在此赘述。

间接自然冷却意味着通过使用干冷器，冷却塔或者通过冷水机组的自然冷却盘管利用室外冷空气把水冷却到一定的程度，这样冷水就能通过机房空调机组的冷冻水盘管进行制冷，表示通过干冷器、自然冷却盘管进行自然冷却的原理图

间接自然冷却与冷冻水空调系统结合可采用冷冻水加闭式冷却塔的双冷源系统。空调系统制冷冷源选择：由冷水机组(配开式冷却塔)和闭式冷却塔(提供自然冷源)两部分作为制冷冷源，根据室外气温的变化采取相应的组合运行方式来满足制冷需求，空调末端采用高显热供冷的双盘管机房空调机组。

夏季运行模式为冷水机组(开式冷却塔运行)独立运行，由冷水机组为空调末端提供冷冻水;冬季运行模式为闭式冷却塔利用室外低温自然冷源独立为空调末端提供冷冻水;过渡季节，高压离心式冷水机组和闭式冷却塔同时运行，由于机房内采用了双盘管机组，过渡季节优先采用闭式冷却塔提供的冷冻水对空调末端进行冷却，当冷量不能满足机房要求时再启动冷水机组供冷，从而减少压缩机的运行时间，降低空调系统能耗。由于该空调系统冷源为双冷源，空调末端为双盘管系统，在冬季和过渡季节的使用不但不存在自然冷源和冷水机组供冷切换控制的风险，管道系统还能互为备用，运行可靠，控制简单。与传统的冷冻水空调系统相比，增加了闭式冷却塔、室内单盘管机组改为双盘管机组，虽然增加部分管路和设备投资，但运行节电。

冷冻水系统实现节能的一些方法

(1)采用中温冷冻水系统，提高冷冻水供回水温度至12/18℃，水冷机组COP值可从5.5提高至7.0，预计节能15～20%;大型可采用高压离心冷水机组磁悬浮冷水机组。

(2)采用温湿度独立控制系统。

(3)在上述冷冻水水温的前提下，可提高机房送风温度至干球温度16～18 ℃以上，满足ASHRAE Class A1等级要求;以及中国电信的标准要求。

(4)采用冷冻水、风机变频控制;

(5)采用冷却塔间接制冷;

其他实现节能的一些方法:

(1)机房专用空调采用EC风机;直流变频风机;效率高、可按需送风。

(2)机房专用空调采用温湿度独立控制设计，避免冷热抵消现象;浪费能量;

(3)机房专用空调无电加热;预计室内机部分节能20～30%;

(4)机房空调采用小风量大晗差的设计思想，温差大于10℃;

(5)采用新风直接制冷;热管空调;

(6)采用等焓加湿过程的湿膜加湿机组，在空气增加含湿量的同时，空气的干球温度也随之降低，从而有效减轻机房空调的制冷负荷;

供电系统节能的一些办法：

(1)使用高频UPS、直流供电等;

(2)提高负载率，这是节能的最好方式，同时也是最直接的;

关于空调冷源节能设计:

水冷型冷冻水系统通过板式换热器实现水侧自然冷却，在北京地区预期有3~4个月可实现完全或部分自然冷却，使得年均PUE的贡献值可下降0.1~0.2;

冬季可通过水源热泵系统回收机房余热，承担建筑物所需的供热负荷(如：新风系统、办公区域、发电机房等)，节省了工程造价和运维费用。

如何提升数据中心冷冻水空调系统的能效

(1)提高冷水机组的出水温度

提高冷水机组的出水温度是提升制冷系统整体节能效果的一个有力措施。根据工程经验和冷水机组厂家提供的数据，在其它参数不变的条件下，每当提高1℃的出水温度，冷水机组的制冷量将提高3%~4%，而功耗约增加1%左右。

下图显示了在不同的出水温度条件下，冷水机组的制冷量与用电功率的典型关系。

不难看出，随着出水温度的提升，制冷量和用电功率都在增加，但制冷量的增幅更大。简单的说，随着冷水机组出水温度的提升，我们可以利用更少的电力消耗提供更多的制冷量。这显然是一项有效提升制冷系统能效的措施，值得注意的是，冷水机组的出水温度也不可以不受限制的提高，且对于末端空调设备而言，当来自冷水机组的冷冻水供水温度提升时，其制冷量将随之下降。为避免这种情况发生，就需要末端空调厂家在研发阶段就以高温冷冻水供水和高回风温度条件进行设计。

能在研发与生产阶段就全面考虑到数据中心冷冻水空调系统的最佳能效，这样的厂家显然凤毛麟角。在某用户的集装箱数据中心内，冷冻水进水温度20℃条件下，实测的制冷量高达37 kW/台。

(2)充分利用自然冷源，实施自然冷却

提高冷水机组的出水温度即提高末端空调的供水温度，它引申出的另一个好处是能够最大限度利用室外冷源进行自然冷却。

在冷冻水系统上增加一套空气/水热交换器，从末端空调返回的高温冷冻水进入该热交换器并被冷却至合适的低温，低温冷冻水再被送入末端空调，吸收IT设备的散热又变成高温冷冻水，并再次返回热交换器，如此循环。

审核编辑：汤梓红