數(shù)據(jù)中心冷源選型應(yīng)該如何確定?縱觀海內(nèi)外暖通系統(tǒng)應(yīng)用場景可以發(fā)現(xiàn),同樣地區(qū)、同樣氣候條件,暖通系統(tǒng)的選擇都不盡相同。究其原因,冷源選擇需要綜合考慮綠色節(jié)能、系統(tǒng)可靠性、運維復(fù)雜性、建筑限制條件、全生命周期TCO最優(yōu)等因素,而不是一味追求低PUE值的目標(biāo)。本文將介紹海外數(shù)據(jù)中心常見冷源形式,剖析利弊得失,以資參考。
一 名詞解釋
AHU:Air handling unit,空氣處理機組,是用于處理空氣溫度、濕度、潔凈度的設(shè)備,通常由箱體、風(fēng)機、過濾網(wǎng)、加濕器、制冷盤管等部件組成。
DX:Directexpansion,直膨式制冷。是指制冷劑在蒸發(fā)器中膨脹蒸發(fā)對空氣直接進行制冷,中間不經(jīng)過水等換熱媒介。
COP:Coefficientofperformance,制冷性能系數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)工況下,COP=制冷量/制冷機輸入功耗。COP越大,制冷效率越高。
自然冷卻:利用自然界較低溫度的空氣、水等介質(zhì)來對制冷對象進行制冷,減少機械制冷的開啟時間,達到節(jié)能的目的。
間接蒸發(fā)制冷:間接蒸發(fā)冷卻是指通過非直接接觸式換熱器將水蒸發(fā)得到的冷量傳遞給被制冷空氣實現(xiàn)空氣等濕降溫的過程。
二 概述
數(shù)據(jù)中心冷源形式多種多樣,可以從不同維度進行歸類劃分。根據(jù)是否采用自然冷源,可以分為機械制冷和自然冷卻,根據(jù)末端工作媒介的不同可以劃分為DX制冷和冷凍水制冷;根據(jù)冷凝方式的不同可以進一步分為風(fēng)冷和水冷;自然冷卻根據(jù)換熱介質(zhì)的不同可以分為風(fēng)側(cè)、水側(cè)、氟側(cè)自然冷和自然水冷卻(海水、湖水制冷)等形式。圖1系統(tǒng)歸類了數(shù)據(jù)中心常見冷源形式。
冷源形式形態(tài)各異,數(shù)據(jù)中心冷源選型應(yīng)該如何確定?縱觀海內(nèi)外暖通系統(tǒng)應(yīng)用場景可以發(fā)現(xiàn),同樣地區(qū)、同樣氣候條件,暖通系統(tǒng)的選擇都不盡相同。究其原因,冷源選擇需要綜合考慮綠色節(jié)能、系統(tǒng)可靠性、運維復(fù)雜性、建筑限制條件、全生命周期TCO最優(yōu)等因素,而不是一味追求低PUE值的目標(biāo)。本文將介紹海外數(shù)據(jù)中心常見冷源形式,剖析利弊得失,以資參考。
三 數(shù)據(jù)中心冷源選擇
1、AHU直通風(fēng)+機械制冷
①原理
當(dāng)室外空氣溫度低于空調(diào)設(shè)定送風(fēng)溫度時直接采用新風(fēng)對機房進行制冷,圖2為AHU直通風(fēng)原理示意圖。當(dāng)室外空氣低于送風(fēng)溫度設(shè)定時,室外新風(fēng)與室內(nèi)部分回風(fēng)混合后送風(fēng)。當(dāng)室外空氣溫度較高或空氣質(zhì)量較差時,采用機械制冷。當(dāng)室外濕度超出送風(fēng)設(shè)定范圍時,開啟加濕或除濕功能。
②優(yōu)點
相比間接蒸發(fā)冷卻,直通風(fēng)無換熱損失,進入自然冷卻溫度設(shè)定點較高(室外干球溫度低于設(shè)定送風(fēng)溫度即可),全年可利用自然冷卻時間更長,制冷效率高;相比冷凍水系統(tǒng)維護和控制更簡單,更容易實現(xiàn)模塊擴展和分期部署;空調(diào)模塊之間相互獨立,故障自動隔離,對運維人員技能水平要求較低。
③缺點
對空氣質(zhì)量要求高,室外空氣污染較高時需關(guān)閉自然冷卻模式,進入機械冷卻模式;濕度控制較難。室外空氣相對濕度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時,需要額外消耗能量加濕或除濕。
④典型應(yīng)用
美國A運營商美西某機房。如圖3所示,AHU安裝在樓頂,新風(fēng)經(jīng)過AHU后送入機房架高地板,氣流組織較好。配備風(fēng)冷冷機機械制冷在室外高溫、高濕、或高污染條件下開啟機械制冷?，F(xiàn)場參觀時,室外溫度14℃,低于機房送風(fēng)溫度設(shè)定,但由于當(dāng)天下雨,室外空氣相對濕度較高,仍然需要啟用機械制冷對送風(fēng)進行除濕;
美國B運營商美西某機房。該機房所在地緯度較高,十分適合采用自然冷卻。如圖4所示,AHU安裝在機房旁邊,新風(fēng)管和排風(fēng)管連接到屋頂通風(fēng)口。樓頂設(shè)置風(fēng)冷冷機用于機械制冷和除濕(圖5)。機房送風(fēng)采用上送上回,AHU通過安裝在吊頂?shù)娘L(fēng)管送到冷通道,熱通道密閉,通過吊頂靜壓箱回到AHU;
美國C運營商美西某機房。AHU設(shè)置在屋頂。冷風(fēng)通過風(fēng)管送到冷通道。熱空氣通過自然上浮回到AHU回風(fēng)口,回風(fēng)阻力較小。送回風(fēng)通過冷熱空氣高差密度梯度自然分離,未設(shè)置冷熱通道隔離,機柜功率密度5.5kW。
⑤應(yīng)用注意事項
及時更換過濾網(wǎng)。美國某運營商機房曾經(jīng)出現(xiàn)過中效過濾網(wǎng)更換不及時,導(dǎo)致灰塵沉積在設(shè)備外殼。更換中效過濾器后,現(xiàn)象消失;
另外,同一地區(qū)D運營商某機房2019年夏天曾出現(xiàn)過機房高濕告警,導(dǎo)致某大客戶多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生電路板短路故障;
新風(fēng)模式轉(zhuǎn)機械制冷模式過程中,會出現(xiàn)短暫送風(fēng)量波動,可能會出現(xiàn)機房氣流組織不均勻,尤其是對于采用房間側(cè)送風(fēng)形式的機房容易出現(xiàn)局部熱氣回流到冷通道的現(xiàn)象;
采用地板下送風(fēng)加密閉熱通道的方式相比房間側(cè)送上回,氣流組織更均勻,不易出現(xiàn)局部負壓問題。
2、風(fēng)冷DX精密空調(diào)+氟泵自然冷
①原理
氟泵自然冷卻工作原理示意圖如圖6所示。室外溫度低于設(shè)定溫度時,壓縮機停止,制冷劑旁通,氟泵帶動制冷劑循環(huán)實現(xiàn)熱量遷移到室外。由于氟泵的功率遠低于壓縮機,因此可以實現(xiàn)節(jié)能。
②優(yōu)點
風(fēng)冷DX安裝簡單,無冷凍水系統(tǒng),安裝、控制和維護都極其簡單;精密空調(diào)之間相互獨立,天然故障自動隔離,可靠性非常高;對運維人員技能水平要求低,可減少運維人員數(shù)量;冬天可利用自然冷卻,相比單純風(fēng)冷DX制冷效率高。
③缺點
風(fēng)冷冷凝器換熱效率低,夏天COP較低;比單純風(fēng)冷DX增加氟泵和儲液罐,制冷劑充注量上升,初投資增加;風(fēng)冷室外機占地較多，密集部署易產(chǎn)生熱島效應(yīng)。
④典型應(yīng)用
風(fēng)冷DX由于室外機占地面積大,容易產(chǎn)生熱島效應(yīng),往往不會被應(yīng)用于大型數(shù)據(jù)中心,但美國A運營商美西某機房通過采取技術(shù)措施,規(guī)避了這些弊端。它采用高效微通道室外機,同時通過鋼支架加高室外機,增強室外機散熱效果,定期檢查室外機清潔情況,避免熱聚集效應(yīng)。風(fēng)冷冷凝器安裝高度和間距示意圖如圖7所示。此外,國內(nèi)精密空調(diào)廠商均有類似氟泵產(chǎn)品,但主要應(yīng)用于北方的通信機房或小型數(shù)據(jù)中心。
3、間接蒸發(fā)冷卻
①原理
利用空氣-空氣換熱器實現(xiàn)室內(nèi)空氣與室外空氣的換熱;通過噴水蒸發(fā),把室外空氣降到濕球溫度;空氣換熱無法滿足制冷需求時,開啟機械制冷。間接蒸發(fā)制冷原理示意圖如圖8所示。
②優(yōu)點
與直通風(fēng)相比,機房空氣與室外空氣隔離,運行模式切換不依賴室外空氣質(zhì)量影響,只與室外干濕球溫度相關(guān);相比水側(cè)自然冷卻,進入自然冷卻溫度設(shè)定點較高,全年可利用自然冷卻時間更長,制冷效率高;相比冷凍水系統(tǒng)維護和控制更簡單,更容易實現(xiàn)模塊擴展。模塊之間相互獨立,故障自動隔離。
③缺點
通常設(shè)置在建筑外墻或樓頂,需與建筑設(shè)計相結(jié)合。建筑通常是單層或雙層;建筑面積過大時,送風(fēng)距離過長,遠端機柜依靠彌漫送風(fēng),近端機柜送風(fēng)速度過快,易出現(xiàn)負壓,導(dǎo)致熱氣回流。
④典型應(yīng)用
美國C運營商美東某機房采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計架構(gòu)。機房建筑專門配合采用間接蒸發(fā)空調(diào)進行設(shè)計,采用鋼結(jié)構(gòu)大開間設(shè)計,上下兩層,層高6.7m。每層單側(cè)布置間接蒸發(fā)空調(diào),采用側(cè)送風(fēng)上回風(fēng),熱通道封閉的氣流組織方式。高達6.7m的層高可保證熱氣自然上升,同時增加熱通道的高度,減小回風(fēng)阻力。
隨著間接蒸發(fā)制冷在海外,尤其是歐美數(shù)據(jù)中心市場應(yīng)用成熟,國內(nèi)近幾年也呈現(xiàn)出逐步推廣的趨勢。騰訊更是將間接蒸發(fā)制冷作為騰訊新一代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)T-block的主打空調(diào)解決方案。
⑤應(yīng)用注意事項
側(cè)送上回的氣流組織方式,靠近空調(diào)出風(fēng)口的送風(fēng)風(fēng)速過快,容易出現(xiàn)冷熱通道之間形成負壓,從而導(dǎo)致熱氣回流的現(xiàn)象。為了減輕這種現(xiàn)象,可以在空調(diào)送風(fēng)口處設(shè)置靜壓箱,通過把動壓轉(zhuǎn)換為靜壓來提高送風(fēng)均勻性。另外空調(diào)運行模式切換,或者輪巡切換也會導(dǎo)致風(fēng)量波動。機柜應(yīng)當(dāng)做好盲板封堵,縫隙添補的工作,避免送回風(fēng)壓差波動導(dǎo)致熱通道熱氣回流造成局部熱點。
4、風(fēng)冷冷機+冷凍水精密空調(diào)
①優(yōu)點
單臺冷機制冷量通常在1200kW以下,較水冷冷機小,適合模塊化擴容;無需設(shè)置冷凍站,不占用室內(nèi)建筑空間;模塊化擴容。冷凍水系統(tǒng)環(huán)管一次性做好,預(yù)留冷機和末端閥門接口。冷機和末端可隨容量擴展情況增加數(shù)量,減小項目初期投資;
無冷卻水系統(tǒng),系統(tǒng)更簡單,沒有復(fù)雜的水處理,對運維人員水平要求較低?？刂聘唵?BA系統(tǒng)測點數(shù)量大大減少;配置自然冷卻盤管可實現(xiàn)自然冷卻;相比DX制冷而言,更容易實現(xiàn)連續(xù)制冷(設(shè)置蓄冷罐)。
②缺點
風(fēng)冷冷凝器換熱效率較低,冷機COP低于水冷冷機。
③典型應(yīng)用
風(fēng)冷冷機+冷凍水精密空調(diào)在北美、歐洲應(yīng)用廣泛。雖然風(fēng)冷冷機效率不如水冷冷機,但由于其具備系統(tǒng)簡單,模塊擴容方便,初投資低等諸多優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于全球數(shù)據(jù)中心。
圖9為德國某運營商風(fēng)冷冷機應(yīng)用實景。冷機配備了自然冷卻盤管,可在冬天實現(xiàn)自然冷卻。同時冷凝器配備了水噴淋,可在夏天降低冷凝壓力,提高制冷效率。
5、水冷冷機+冷凍水精密空調(diào)
①優(yōu)點
單臺冷機制冷量大于1000kW,適合大型數(shù)據(jù)中心。制冷效率高,COP約在5～8,可在全年平均氣溫較高地區(qū)實現(xiàn)較高制冷效率;對建筑結(jié)構(gòu)依賴度較低;結(jié)合板換可在冬季實現(xiàn)自然冷卻;相比DX制冷而言,更容易實現(xiàn)連續(xù)制冷(設(shè)置蓄冷罐)。
②缺點
系統(tǒng)控制復(fù)雜,重啟時間長,對運維人員技能要求高;水質(zhì)控制困難,運維工作量大;故障需要手動隔離,在出現(xiàn)大量缺水時,故障時間較長。
③典型應(yīng)用
主要集中在亞太地區(qū)。如中國大陸,中國香港,韓國,日本等機房均有廣泛的應(yīng)用。采用水冷冷凍水系統(tǒng)對運維人員水平要求較高,運營方應(yīng)當(dāng)制定詳細的應(yīng)急流程,定期對人員技能進行考核。如,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較嚴重漏水時,運維人員需要能夠第一時間定位故障,迅速對漏水點進行故障隔離。
若處置不夠迅速,水量丟失嚴重,空氣進入干管時,補水和排氣的時間就會很長。
四 暖通系統(tǒng)選項原則總結(jié)
綜上所述,暖通系統(tǒng)選型時需綜合評估,平衡以下幾方面因素:
①根據(jù)氣候條件因地制宜。統(tǒng)計全年可采用自然冷卻的小時數(shù),確定是否采用自然冷卻,采用何種冷卻方式。平衡CAPEX和OPEX,達到全生命周期TCO最優(yōu);
②匹配建筑特點。采用風(fēng)側(cè)自然冷卻建筑高度不宜過高。風(fēng)冷DX高差不宜超出-5～20m范圍等;
③運維復(fù)雜程度。水冷冷凍水系統(tǒng)制冷效率更高，但運維難度更高。DX制冷由于系統(tǒng)相互獨立更容易實現(xiàn)故障隔離，對運維人員技能要求較低;
④模塊化擴展。風(fēng)冷系統(tǒng)單機制冷容量較小,更容易匹配業(yè)務(wù)增長,達到分期投資,優(yōu)化投資回報率的目標(biāo)。
（來源：《數(shù)據(jù)中心建設(shè)+》雜志）
