基于双碳背景下的数据中心空调冷源设计深析|江阴雨辰互联

2023年7月11日发(作者：)

基于双碳背景下的数据中心空调冷源设计深析

摘要：随着云计算、5G网络等新兴产业的快速发展，根据目前数据中心的能效水平，能耗构成中空调系统能耗约占40%，因此空调冷源系统选择高效、节能、合理、经济方案尤为重要，本文结合南方某实际工程案例深析数据中心空调冷源方案设计思路，从初投资，PUE，年耗电量，年耗水量深析，选择经济、合理的空调冷源系统方案。

关键词：自然冷源，水冷冷冻水空调，热管背板多联，间接蒸发冷却

1.工程概况：本项目数据中心一期建设1#数据中心及2#动力中心，建设标准为按照GB 50174-2017《数据中心设计规范》中规定的A级机房标准设计，同时参考T3级机房标准。建设规模为1#数据中心总机架数为4788架（平均单机架功率5.89kW），根据规划要求为PUE≤1.25。

2.空调负荷估算

根据工艺初步测算的设备装机容量，1#数据中心机规划机架数为4788架，其中3084架5kW机柜，1392架8kW机柜；主设备功耗约28229.88kW（含网络机柜）。计算得到总工艺空调冷负荷为22619.46kW。

3. 冷源设计

3.1空调节能策略思考

节能新技术应用策略（一）：在夏热冬冷的长沙地区，空调节能最大潜力主要为充分利用自然冷却，即冷冻水侧或者风侧自然冷却技术。集中式水冷冷冻水空调采用水冷离心式冷水机组时，空调系统配套免费冷却系统，利用过渡季节或冬季较低的室外气温，减少冷冻机组开启时间，节省能源消耗。节能新技术应用策略（二）：水冷离心式冷水机组是能源消耗大户，为节约能耗，冷冻水采用中温冷冻水以提高冷水机组的制冷能力，减低冷水机组能耗。冷冻水供水温度由传统的7℃提高到17℃，冷水机组供水温度每提高一度，COP提高3%，同时冷冻水温度的提高增大了机房空调的显冷比，提高了机房空调的使用效率。

图3.1-1部分不同空调冷冻水水温、不同负载率下COP值

节能新技术应用策略（三）：采用全变频热管多联机，在室外环境温度15℃以下，压缩机关闭，节能泵旁通，采用热管模式运行；在室外环境温度15-20℃之间，采用节能泵模式运行；在室外环境温度20℃以上，变频压缩机运行，延长室外自然冷源的利用。

图3.1-2全变频热管多联机不同干球温度下能效（COP）变化曲线

节能新技术应用策略（四）：采用间接蒸发冷却技术，通过非直接接触式换热器将直接蒸发冷却得到的湿空气的冷量传递给待处理空气。水耗更低，且节能效果显著。图3.1-3间接蒸发冷却机组不同湿球温度下能效（COP）变化曲线

3.2冷源系统的选择

数据中心有着高负荷、需全年供冷的特点，对空调系统运行安全性、可靠和适用性要求较高。结合项目周边区域环境和南方某城市的气候特点，本次对如下二种制冷冷源方案进行详细比较分析：

方案一： 1-4楼工艺空调采用集中式水冷冷冻水空调系统，5，6楼工艺空调采用全变频热管背板多联机。

1）集中式水冷冷冻水空调系统

集中式水冷冷冻水空调系统为目前大型数据中心的主流的制冷形式，投资低，系统可靠，制冷设备采用N+1的冗余方式，本工程空调主机选用10kV高压变频离心主机。为尽可能的延长自然冷模式时间及提高空调主机能效，空调冷冻水供回水温度为17/23℃。冬季室外湿球温度≤10℃，开启自然冷模式（冷却塔供冷），全年免费自然冷却时长为3008h（换算为约4.17个月），全年水系统的CLF空调因子为0.238。

表3.2-1 集中式水冷冷冻水空调系统运行模式

运行模式

切换点

时长（h）

自然冷模式（冷却塔供冷）

湿球温度≤10℃

3008 混合制冷模式（冷却塔供冷+水冷主机制冷）

10℃＜湿球温度≤15℃

1287

电制冷模式（水冷主机制冷）

湿球温度＞15℃

4465

2）全变频热管多联系统

全变频热管多联系统是双循环系统，包括热管系统及压缩制冷系统。这两套系统相互独立（非切换模式），热管系统优先运行，压缩制冷系统作为补充和备份。室内、外温差5℃，热管循环系统即可自启动运行。机械压缩制冷根据热管循环系统运行情况变频运行。室外干球温度处于15℃≤室外干球＜20℃开启间接蒸发+热管自然冷工况，全年时长为1152h；室外干球温度＜15℃，开启热管模式自然冷工况，全年时长为3680h；全年免费自然冷却时长为4832h（换算为约6.71个月），全年全变频热管多联机系统的CLF空调因子为0.135。

表3.2-2变频热管多联机空调运行模式

运行模式-

切换点

时长（h）

间接蒸发+变频压缩机模式（变频压缩机+喷雾工作）

室外温度≥25℃

2344

变频压缩机模式（变频压缩机工作）

20℃≤室外温度＜25℃

1584

间接蒸发+热管模式自然冷工况

15℃≤室外干球＜20℃