大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)技術(shù)

史相茹 萬奇 趙永成

摘要：數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)需要把機(jī)房內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到機(jī)房外。熱量向大氣散熱的方式多種多樣，決定了機(jī)房專用空調(diào)設(shè)備制冷形式的多樣化。根據(jù)北京地區(qū)的氣象條件，水冷冷水機(jī)組配合水側(cè)自然冷卻方案能夠顯著降低運(yùn)行費(fèi)用，TCO（總擁有成本）最小，目前大型數(shù)據(jù)中心基本采用這種方案。

關(guān)鍵詞：大型數(shù)據(jù)；中心空調(diào)；制冷系統(tǒng)技術(shù)

中圖分類號：TU83文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-3178（2018）19-0366-01

1大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)特點(diǎn)

大型數(shù)據(jù)中心需安裝配置多臺大容量冷水機(jī)組。大型數(shù)據(jù)中心

的建筑規(guī)模在幾萬平方米以上，機(jī)柜數(shù)大于3000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，各種設(shè)備用電量大、發(fā)熱量大。為了排出所散發(fā)的熱量，需多臺大容量冷水機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，以提供足夠冷量?？照{(diào)制冷系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)中心核心設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，必須連續(xù)運(yùn)行，具備高可用度。GB50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》和DXJS1029—2011《中國電信IDC機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》將數(shù)據(jù)中心劃分為A、B、C3級，美國UptimeInstitute《數(shù)據(jù)中心場地設(shè)施等級標(biāo)準(zhǔn)》將數(shù)據(jù)中心劃分為4級。不同級別的機(jī)房對空調(diào)制冷系統(tǒng)的要求不盡相同（表1）。GB50174—2017的A和B級機(jī)房、中國電信IDC機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)，以及美國UptimeIn-stitute的T3、T2級機(jī)房主要采用了設(shè)備冗余。

數(shù)據(jù)中心能耗主要集中在IT設(shè)備和制冷設(shè)備方面，其中制冷系統(tǒng)能耗占機(jī)房運(yùn)行能耗的30%～50%。節(jié)能降耗是大型數(shù)據(jù)中心規(guī)劃設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，而制冷系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵。高可維護(hù)性和高可管理性有利于機(jī)房降低成本，提升可用度，降低能耗。維護(hù)包括維修和維保，方便維修可縮短故障設(shè)備平均恢復(fù)時(shí)間，提升可用度。高可維護(hù)性有利于設(shè)備降低故障率，提升可用度，延長壽命。高可管理性有利于及時(shí)準(zhǔn)確獲得系統(tǒng)狀況，以便進(jìn)行故障排除，提供預(yù)測性故障分析，能源使用分析，利于降低不必要的能耗。大型數(shù)據(jù)中心需具備高可維護(hù)性和高可管理性。高可用度、高可維護(hù)性、高可管理性和節(jié)能性是對空調(diào)制冷系統(tǒng)的要求。本文從這4個(gè)維度對兩種連接方式進(jìn)行分析。

2兩種連接方式的分析2.1兩種連接方式的特點(diǎn)

（1）采用多冷源并聯(lián)方式的系統(tǒng)，其每一臺冷水機(jī)組必須要在同等的位置上，并且能夠單獨(dú)的進(jìn)行暫停與開啟的操作，同其他的制冷系統(tǒng)不存在互相影響的關(guān)系。當(dāng)某一套制冷系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題導(dǎo)致停機(jī)時(shí)，只需要啟動處于冗余的那套系統(tǒng)即可保證IT設(shè)備對制冷系統(tǒng)的要求。（2）采用設(shè)備群組方式的系統(tǒng)，是一種由不同的邏輯設(shè)備串聯(lián)在一起，在邏輯上表現(xiàn)為一套制冷系統(tǒng)的冷源系統(tǒng)。實(shí)際上，一套邏輯設(shè)備只是有一組設(shè)備所組成的，特點(diǎn)是其具有一臺能力更強(qiáng)以及可用度更高的邏輯設(shè)備的表現(xiàn)。設(shè)備群主要由冷水機(jī)組群等組成，并將各種設(shè)備群串聯(lián)在一起，在工作過程中，一個(gè)設(shè)備群出現(xiàn)故障問題，那么整個(gè)系統(tǒng)就會出現(xiàn)故障。從系統(tǒng)的布局上看，多冷源采用并聯(lián)的連接方式，其最主要的特點(diǎn)是每套獨(dú)立的系統(tǒng)都有著自己獨(dú)立的水管路，水管路的數(shù)量非常多。設(shè)備群組進(jìn)行串聯(lián)的連接方式，其最主要的特點(diǎn)是只有一套水管路，在結(jié)構(gòu)上要更加的整齊劃一。選用設(shè)備群組串聯(lián)的連接方式時(shí)，水管路的管徑需要增大，以便于能夠降低水管路的阻力，從而使得對制冷系統(tǒng)水管路大流量的要求得到滿足。

2.2可用度分析

在多冷源并聯(lián)連接的方式下，對于其中的單獨(dú)的一套系統(tǒng)而言，

其中的各個(gè)設(shè)備的連接形式為串聯(lián)。一套系統(tǒng)可用度表示公式為：假設(shè)存在N+X（X=1～N）套單獨(dú)系統(tǒng)，其中X套作為冗余，在N套單獨(dú)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于每套系統(tǒng)都是獨(dú)立的，相互之間沒有影響。系統(tǒng)為N^N+X）表決模型，可用度用S表示，公式為：S=a+R（1—R）N+X1在設(shè)備群組串聯(lián)連接的方式下，其中的設(shè)備為先并聯(lián)連接在串聯(lián)連接。假設(shè)冷卻塔、水泵（假設(shè)冷卻水泵和冷凍水泵可用度一樣）和冷水機(jī)組組合在一起的設(shè)備群組可用度表示為只1、只'2、只'3，可用度用R1.R2.R3.R4表示）表決模型計(jì)算，可用度計(jì)算公式為：S，=R，1R，2R，3R，4，其中R為單個(gè)群組的可用度。在實(shí)際中，因?yàn)榭捎枚冗€與產(chǎn)品的質(zhì)量有關(guān)，所以冷卻塔的可用度、冷卻水泵的可用度以及冷水機(jī)組的可用度都與廠家密切相關(guān)。在自然的冷卻的條件下，設(shè)備群組串聯(lián)連接的方式相對來說可用度要高一些。

2.3可維護(hù)性比較

可維護(hù)性好壞的參考標(biāo)準(zhǔn)主要是系統(tǒng)在特定的工作環(huán)境下以及

一定的時(shí)間之內(nèi)，完成規(guī)定的功能的能力高低，以及對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)的難易。多冷源并聯(lián)連接的方式，其接管相對較多，而設(shè)備群組串聯(lián)連接的方式，其管道的數(shù)量非常少，布置更加的簡潔明了，對于操作以及對產(chǎn)生的故障問題進(jìn)行診斷來說，較為方便。在多冷源并聯(lián)連接的方式下，一臺設(shè)備的停止，使得整套系統(tǒng)也要停止，但是在設(shè)備群組并聯(lián)連接的方式下，設(shè)備的啟動與停止很好的控制在設(shè)備群組的內(nèi)部中。并且在設(shè)備采購上，設(shè)備群組連接方式中，群組中的設(shè)備并行運(yùn)行，所需要參照的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)一致，若要更換或者維修可以采用同種型號的設(shè)備，要優(yōu)于采購受限的多冷源并聯(lián)連接的方式。

2.4可管理性與節(jié)能性的比較

在設(shè)備群組串聯(lián)連接的方式下，維護(hù)人員需要通過調(diào)節(jié)平衡閥

以保證水流量在各設(shè)備間分配均衡，不運(yùn)行的設(shè)備還需要關(guān)斷截止閥，以防止旁通分流。并且處于同一設(shè)備群組的設(shè)備，還需要保證水的阻力一致，以保證水的流量均衡。因此，采用設(shè)備群組串聯(lián)連接的方式的系統(tǒng)對維護(hù)人員要求較高，管理方式較為復(fù)雜。在多冷源并行方式下，每一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)都可以說是獨(dú)立在運(yùn)行，所以水流量分配均衡、設(shè)備旁通分流等問題不需要考慮，因此可管理性較好。最近的這幾年，冷水機(jī)組的效率越來越高，以至于水泵的能耗占比越來越高，甚至達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)總能耗的15%～35%，設(shè)備群組方式有更多的方法來調(diào)節(jié)水的流量和揚(yáng)程，可實(shí)現(xiàn)多臺水泵同步變頻+變頻水泵臺數(shù)控制。在多冷源并聯(lián)方式下，水泵只能進(jìn)行水泵變頻控制，無法實(shí)現(xiàn)臺數(shù)控制，所以設(shè)備群組方式在水泵控制方面有著節(jié)能性高的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)論

大型數(shù)據(jù)中心的設(shè)備數(shù)量眾多，并且能源消耗巨大，需要通過

打胎大型冷水機(jī)連續(xù)不間斷的制冷來滿足正常工作的需求。通過，對兩種不同連接方式的研究與比較，設(shè)備群組串聯(lián)連接方式在可用度以及可維護(hù)性上要略勝一籌，更加的契合大型數(shù)據(jù)中心對制冷系統(tǒng)的要求，同時(shí)還便于多種節(jié)能措施的實(shí)施?？偠灾O(shè)備群組串聯(lián)連接的方式，不管是在現(xiàn)在還是在未來，都有著更好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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