基于水冷式中央空调的数据机房暖通空调系统节能设计

戴力军

【摘 要】水冷式中央空调是建筑工程空调系统应用的重要形式，科学化的进行水冷式中央空调系统的节能设计，能够实现空调设备应用性能和经济、生态效益的全面统筹。以万国数据上海5#唐镇数据中心项目为例，在阐述数据机房暖通设计思路的基础上，就水冷式中央空调系统工作原理进行系统分析，并在单点故障容错设计和节能自动控制设计要点把控的基础上，进行数据机房暖通空调系统设计效果分析。期望能提升水冷式中央空调系统的节能应用质量，继而为类似工程建设提供参考。

【关键词】水冷式中央空调;设计思路;容错设计;自动控制;节能化

中图分类号： TU831文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）17-0252-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.121

0 引言

新经济形态下，实现经济建设的生态化、可持续发展已经成为社会发展的重要趋势。生态化建设需要注重工程的能耗控制，实现项目的节能化。当前，暖通空调系统的应用需要消耗大量的能源。据统计，暖通项目的能源消耗占到了建筑工程项目总能量的50%以上，故而在当前建筑施工中，进行暖通空调系统的节能设计极为关键。本文结合万国数据上海5#唐镇数据中心项目建设实际，就基于水冷式中央空调暖通空调系统节能设计要点展开分析。

1 项目概况

万国数据上海5#唐镇数据中心项目设计施工于2017年。主要建设内容为：将一个8300平方米的老厂房改建为一个数据中心，改造施工中，施工人员需要安置约1000个4KW至6KW的数据机架，同时确保这些机架达到GB50174标准中A级标准及Uptime Tire标准等级中T3标准。

项目施工中，数据机房部分暖通工程设计是项目建设的难点所在。具体而言，该区域暖通设备采用水冷式中央空调系统，其主要对机房机柜、UPS电力室变配电室、建筑室内环境的冷负荷进行调节。为实现暖通空调系统应用的节能化，进行了数据机房暖通系统分区设计，并严格按照空调系统的节能设计标准，进行负荷计算系数规划，同时做好设备配置、主管、末端设备、冷冻水储备、自动化控制的全面协调，有效地提升了数据机房部分暖通工程设计质量。

2 数据机房暖通设计思路

2.1 区域划分

由于该项目的建设过程中，数据机房各个区域功能存在着一定的不同，暖通空调设备的运行负荷程度不等，故而为提升运作效率、降低能耗，按照区域功能进行差异化设计，以达到节能目的。基于上述思路，按照功能区别，对该区域进行了划分，简要设计情况如下：

运营商接入间、电池室、采用了风冷型机房专用精密空调;而在冷机配电室空调系统设计安装时，则采用多联机空调系统，保证室内机形式为风管机，避免空调室内机安装在电气设备正上方[1]。此外，在首层大堂、安防监控中心、值班室、附属办公区等人員活动较多的场所，采用多联机系统进行空调结构布局，有效地确保了数据机房暖通空调系统运行负荷的稳定，提升了空调设备运作质量，减少能耗。

2.2 设计标准

严格执行工程设计标准，能够有效地提升数据机房空调设备的运作质量。本项目水冷式中央空调系统的应用过程中，空调系统设计应根据数据中心情况选择相应标准。具体而言，本项目拟建建筑为数据中心，在建筑内部具有较多的电气设备，且电气设备应用价值较高，这使得在空调系统设计中，必须提升允许单点故障发生的容错能力，确保暖通空调设备运作的稳定性，从而为数据中心电气设备的运作提供良好环境，并在此基础上尽可能地减少能耗。基于此，本项目严格按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）、《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）等文件进行个空调系统设计。本项目数据机房空调设备设计完成后，机房室内空气需满足以下标准[2]（见表1）。

2.3 空调负荷计算系数

数据中心使用过程中，其夏季的干球温度需达到34.4℃，而湿球温度需达到27.9℃，此外，相对湿度应保持在75%;在冬季，数据中心的杆球温度和相对湿度应分别为-2.2℃和69%。在上海地区，要实现这种稳定环境的持续性控制，可就不下注重空调系统负荷量的实际计算。本项目建设中，空调负荷计算系数如表2所示。

3 数据机房空调系统设计

数据机房水冷式中央空调系统节能设计优化具有较高的专业性。实践过程中，工作人员只有充分认识到水冷式中央空调系统的工作原理，并在单点故障容错设计的基础上，进行自动控制设计的合理优化，才能有效地提升数据机房空调系统应用质量，进而实现空调设备整体的节能控制。

3.1 水冷式中央空调系统工作原理

水冷式中央空调系统是当前建筑工程空调系统应用的重要形式。就应用过程来看，水冷中央空调系统降温原理如下：根据“水蒸发吸收热量，蒸发面积影响蒸发效率”这一自然物理现象进行室内温湿度环境调节[3]。当风机运行时，冷气机腔内产生负压，使机外空气流经多孔湿润的湿帘表面进入腔内，空气与水分充分接触的同时使湿帘上的水蒸发，该过程带走大量热量，使经过湿帘的空气干球温度降至接近于机外空气的湿球温度，即冷气机出口的干球温度比室外干球温度低5-12℃（干热地区可达15℃），空气愈干热，其温差愈大，降温效果越好。由于该机利用了蒸发吸热原理，因此，环保空调具有降温和增湿双重功能。

3.2 单点故障容错设计

水冷式中央空调系统设计过程中，单点故障容错设计是要点所在，具体而言其包含了设备配置、主管、末端设备、冷冻水储备等要素的全面统筹。

空调设备配置过程中，为提升水冷式中央空调系统运行的稳定性，要求空调系统必须实现允许单点故障发生的容错能力。就冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵等冷冻站设备而言，采用了+1配置方式;即对所有冷冻站设备均增加一台备用设备，从而使得数据中心冷冻站设备实现“两台使用，一台备用”，防止突发情况发生。冷冻水冷却水主管配置过程中，采用环管对其进行连接控制，并确保水管整体的完整性。同时，在用分段阀的支撑下，将各个故障点进行隔离，确保末端设备的数量不超过6个，防止设备超负荷现象发生。

为了确保数据中心在停电等突发情况下可以正常运转，需要对其停电转换控制进行相应设计，使水冷式中央空调设备的冷冻水存储量需满足15分钟停电转换需求。对此，在冷冻水系统中设计了两个80立方米的蓄冷罐，有效满足了蓄水要求。本项目与民用建筑空调系统相比，数据机房中央关空调系统的工作时间明显较长。数据机房往往需要全年供冷，这使得空调系统的能量损耗尤为巨大[4]。

3.3 中央空调节能自动控制设计

在设计过程中，为节约能耗、降低PUE值，采用自然冷却系统进行水冷式中央空调系统的节能优化。具体而言，在3台板式换热器的支撑下，将冷却塔与水冷式中央空调机组相互连接，从而实现了水冷式中央空调系统冷源的多样化管理，有效地降低了冷水机组的能量消耗，提升了设备运作的经济效益和生态性。需要注意的是，为确保冷源控制的合理化，换热器和冷却塔均采用“2+1”应用模式，即两台设备为现用设备，剩余一台设备预留备用，防止高强度运作下设备损坏现象发生。

具体而言，在设备控制过程中，确保了中央空调节能自动控制水平的有效提升。譬如就水系统自动控制而言，采用一次泵变流量系统，同时对空调系统的风机、电气水阀采用电气联锁控制，实际应用中，按照水阀-风机的顺序进行控制管理，有效地确保了机组的智能化程度。此外，在控制风温度和典型房间相对湿度控制中，采用电动二通阀进行送风温度控制管理;而模块机房的相对湿度则通过控制加湿器实现，实现了对流量的有效控制。

3.4 节能效果分析

就水冷式中央空调系统机械通风效果来看，本项目气体消防瓶间采用低噪音风机通风换气，换气的次数保持在5次/h，而强电间、弱电间的换其次是不小于6次/h。此外，电池室设置平时通风系统，其正常通风量为1次/h，而当发生故障时，设备的通风量为12次/h。实际应用中，施工人员对这些装置进行联动控制，其同时设置氢气检测报告装置，其不仅实现了风机日常运作效率的提升，更有效的减少了故障发生是的功率损耗，有效地实现了机械通风风机的节能控制。

自然冷却系统是本项目空调系统节能控制的重要内容。设计实践中，工程建设人员依托自然冷却系统构建了“2+1”应用模式，从应用过程来看，其使得空调机组的运作效率更加高效，提升了设备整体的资源转化效率，从而达到了降低能耗的目的。另一方面，在自然冷却系统支撑下，换热器和冷却塔采用了多台板式换热器，防止高强度运作下设备损坏现象发生。同时，一次泵变流量系统的应用是的空调系统联动控制过程更加高效，有效地提升了空调设备整体的运作效率，保证了节能控制质量。

此外，本项目在冷负荷性能系数调节方面取得了突出成效。具体而言，冷负荷的调节和空调设备分区设置具有重大关系。在其控制下，数据中心数据机房UPS间、电池室、電信接入间、办公用房的冷负荷适度满足房间使用要求，避免了传统超负荷状态下的能量损耗，达到了水冷式中央空调系统节能应用的效果。

4 结论

在万国数据上海5#唐镇数据中心项目设计中，通过区域划分、设计标准、空调负荷计算系数确定该暖通设计基本思路，随后基于水冷式中央空调系统工作原理，对数据机房暖通系统建设进行了单点故障容错设计与节能自动控制系统设计。通过对设备配置、主管、末端设备、冷冻水储备等要素严格控制，提出自然冷却系统设计方案，并运用BIM技术进行图纸深化，避免了设计变现过程中管线碰撞的情况发生，有效地提升了水冷式中央空调系统设计质量，有效实现了节能应用。

【参考文献】

[1]李林达，洪晓涵，陈胜朋，等.“闭式冷却塔十磁悬浮冷水机组”用于数据中心空调系统的节能设计[J].制冷与空调，2017，17（17）：67.

[2]王韬.江西某云数据中心暖通空调设计及节能技术应用[J].制冷与空调（四川），2018，32（2）：109-111.

[3]周宇.数据机房风冷式冷水机组系统改造[J].制冷与空调，2018，18（3）：58-60.

[4]白婷玉.建筑暖通空调系统节能设计中绿色理念的运用[J].节能，2019，38（01）：11-12.