简介： 结合严寒地区的自然条件，介绍了张北某数据中心的工程概况，简述了该工程冷源、空调水系统及风系统的设计，详细介绍了通过封闭热通道、吊顶回风、弥漫送风的方式，将冷、热气流完全隔离，提高空调系统回风温度、供水温度，达到延长免费自然冷却时间目的的设计理念。
0 引言
近年来，随着云计算、大数据、移动化、社交网络等新兴应用的蓬勃发展，数据中心得以迅猛发展，业务设备的集成度越来越高，单位面积的装机容量也大幅增加。数据中心全年制冷，耗能巨大，降低能源成本是数据中心成本控制的关键，因此，节能技术的研究和应用也成为行业内备受关注的课题。目前，数据中心的空调系统在严寒、寒冷、夏热冬冷地区水侧自然冷却及风侧自然冷却均有广泛应用。本文以张北某数据中心空调系统为例，介绍空调系统中通过封闭吊顶，提高空调回风温度、冷水供水温度的方式来延长水侧免费自然冷却时间，供同行参考。
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1 工程概述
1.1 工程概况
该工程为张北某数据中心工程，位于张北县庙滩工业园区（见图1）。该数据中心工程一期包含数据机房、制冷站及辅助用房，总建筑面积26660.53m2，其中数据中心建筑面积18417.10 m2，建筑高度12.30 m；地上共2层，1层为电力电池室、高低压配电房，2层为IT机房。
图1 建筑效果图
1.2 室内外设计参数
1）室外设计参数。
张北县地处坝上高寒区，属中温带亚干旱季风气候，年降水量为400mm 左右，全年平均气温3.7℃，年平均7级以上大风日30d左右；光照充足，昼夜温差大，干旱、多风、少雨，无霜期短是其主要的气候特征；全年干球温度时长分布如图２所示，全年湿球温度时长分布如图3所示，室外设计计算参数见表1。
图2 全年干球温度时长分布
图3 全年湿球温度时长分布
表1 室外设计计算参数
2）室内设计参数（见表2）。
表2 室内设计参数
2 空调冷源
2.1 空调系统冷负荷
根据工艺专业规划，该数据中心终期可安装的通信设备功耗为13363kW，电力电池室及不间断电源等电力设备发热量为1069kW，通过逐项逐时的冷负荷计算得到该数据中心夏季冷负荷为14495kW，设计冗余系数取1.15，设计冷负荷为16666kW。
2.2 空调系统冷源
1）冷源设计。
冷水机房主要设备如表3所示。
表3 冷水机房主要设备
2）空调冷源系统流程。
空调冷源系统流程如图4，5所示，其中空调冷源系统流程图仅示意一半系统。
图4 冷却水系统流程图
图5 冷水系统流程图
3 空调水系统
3.1 冷水系统
空调冷水采用二级泵环网系统，其中一级泵、二级泵均采用变频控制，各机房管路设计考虑互用互通，提高安全性。
3.2 冷却水系统
空调冷却水系统采用钢制低噪声开式冷却塔，将经冷水机组升温至35℃的冷却水送至冷却塔进行冷却，水温降至30 ℃，经冷却水池、冷却水泵加压后再返回冷水机组。
3.3 水蓄冷系统
蓄冷保障时间按满足整个数据中心15min的用电配置。
>>>>4 空调风系统
1层电力电池室和变配电室室内气流组织形式为风管或风帽上送风、机组侧下回风；2层IT机房气流组织形式为弥漫送风，机组上部吊顶回风，并通过封闭热通道将冷、热气流完全隔离；机房设置水环热泵新风系统，维持机房正压（5～10Ｐａ）及保障人员新风要求。
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5 工程特色和技术创新
5.1 封闭冷、热通道的对比分析
目前，行业内的数据中心IT 机房空调风系统设计以封闭冷通道为主，封闭热通道、弥漫送风的方式应用较少，本文通过以下比较分析，以证明采用封闭热通道、弥漫送风的方式可以提高机组COP及延长免费制冷时间。
5.1.1 冷通道
图6 冷通道示意图
5.1.2 热通道
图7 热通道示意图
5.1.3 冷、热通道应用的对比分析（见表４）
表4 冷、热通道应用的对比分析
表5 冷、热通道的应用与板式换热器一次侧换热最低进水温度对比
5.1.4 热通道封闭提高水温后对冷水机组耗电及自然冷却时间的影响
典型冷水温度对应的机组能耗如表6所示，以该工程制冷量4250kW的制冷机为例。
表6 典型冷水温度对应的机组能耗
典型冷水温度对应的免费制冷时间如表7所示，典型冷水温度对应的运行时间见图8。
表7 典型冷水温度对应的免费制冷时间
图8 典型冷水温度对应的运行时间
通过表6，7及图8可以看出，在该工程的建筑模型下，采用封闭热通道、弥漫送风的方式，可提高冷水机组的供/回水温度和COP，延长免费制冷时间。
5.2 机房封闭热通道模拟分析
5.2.1 实验方案
标准IT机房基本参数见表8，标准IT 机房CFD模型如图9所示。
表8 标准IT机房基本参数
注：标准IT机房共计配置20台额定制冷量为140kW/台的房间级机房专用空调，4台备用；模拟时开启80%的空调。
图9 标准IT机房CFD模型
5.2.2 实验结果分析
机房三维模型图见图10，模拟结果见图11，12。
图10 机房三位模型图
图11 y=1.7m界面温度场
图12 x=4.2m界面温度场
根据机房仿真模拟示意图可知，冷水型房间级机房专用空调机组送/回风温度为22℃/34℃时，机房内的仿真模拟运行温度均满足设计要求，无局部热点。
>>>>6 结语
通过对封闭冷、热通道的对比及封闭热通道空调系统仿真模型的模拟分析，采用封闭热通道、吊顶回风、弥漫送风和将冷、热气流隔离的方式，可提高空调送回风温度、供回水温度，延长免费自然冷却时间，为大型数据中心制冷系统、动力系统绿色节能运行提供了一种有效解决途径。
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