宁夏中卫云计算数据中心空调设计

1、概况

宁夏中卫云计算数据中心位于我国宁夏回族自治区中卫市,是我国西部云基地的重要组成部分,总用地面积40万m2,地势平坦开阔。总建筑面积约18万m2,包含8栋互联网数据中心(IDC)机房楼、4栋动力机房以及其他生产、生活辅助用房。项目鸟瞰图见图1。

图1:项目鸟瞰图

该工程的一期建设包含2栋IDC机房楼,4000台8 kW的标准IT机架,均按照GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》中的B级机房标准进行建造。

中卫市的气象条件得天独厚,北纬37。327,,海拔1225 m,属温带大陆性半干旱气候,寒冷B区,具有典型的大陆性季风气候和沙漠气候特点。春暖迟、秋凉早、夏热短、冬寒长,风大砂多,干旱少雨。年平均气温在8.2~10℃之间,极端最高温度36.7℃,年均无霜期159~169 d,年均降水量138~353.5 mm,年蒸发量1729.6~1 852.2 mm,全年日照时间3796.1 h。

2、蒸发冷却技术原理

该工程采用直接蒸发冷却空调技术,利用干燥的室外空气和较为湿润的室内空气之间的含湿量差进行冷量的转移。同常规的机械制冷空调一样,蒸发冷却空调技术也是通过制冷剂的蒸发来获取低温能量,但蒸发冷却空调采用水作为制冷剂,不需要将蒸发后的水蒸气再进行压缩、冷凝回液态水进行循环,因此不需要消耗压缩功,具有很高的能效比,是传统的机械制冷系统无法比拟的。

3、2种系统的使用时间和配置

除了利用自然风作为空调冷源以外,还需要采用常规的机械制冷系统。机械制冷一方面可以作为空调冷源的备份,另一方面作为炎热气候下蒸发冷却空调冷源的补充。该工程采用了常规的模块化风冷冷水机组和干式冷却器作为蒸发冷却空调冷源的备份和补充。

干冷器的配置原则:在室外空气品质较差且不宜采用物理过滤时,如沙尘暴天气,并且室外空气的干球温度较低,可以通过干冷器的换热过程将室内的负荷抵消。干冷器按照机房总负荷值满负荷配置。

风冷冷水机组的配置原则:在室外空气品质较差,且室外空气与室内环境的焓差值不能抵消机房的空调负荷时,需要冷水机组作为辅助冷源。因为沙尘暴天气的发生概率并不固定,且夏季也有发生的可能,所以风冷冷水机组按照全部总负荷值进行配置。

这样就形成了一种直接新风蒸发冷却为主要冷源,模块化风冷冷水机组和干式冷却器为辅助和备用冷源的空调系统。干燥、凉爽的室外新风经过滤器由送风机直接送入主机房,凉爽的空气通过冷通道、机柜、热通道,将机柜的热量带出,最后排至室外;干冷器和风冷冷水机组均按照服务器的满负荷配置,保证了空调系统的2N冗余配置水平的要求。

对当地历年气象资料进行分析,每年沙尘暴的天数在5d左右;我国对室内空气质量的监测起步较晚,当地只有2015年的细颗粒物(PM2.5)监测数据,其中重度污染的天数为13d。一共18d需要开启风冷机组或者干冷器,并且需要根据室外空气干球温度值进行分析,同时结合实际运行的情况进行工况切换。图2为风系统各功能段流程。

图2:风系统流程图

4、自然冷却系统的风量计算

根据GB 50736--2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》的附录,得到夏季空调室外计算干球温度,该温度值是按照历年平均不保证50h的室外干球温度进行统计的。以该数值为依据进行设计,系统的装机规模和全年PUE值的统计是非常宽泛和不精确的。如果要准确计算全年PUE值和统计空调系统部分负荷下的运行情况,就必须按照全年8760h进行详细计算和模拟。

通过中国气象数据库,可以得到中卫地区全年(8760h)时均的室外干球温度、相对湿度及全年时均的风向、风速。以4月3日16:00为例,室外新风的干球温度12℃,相对湿度36%,室外的新风不用加湿,经过粗、中效过滤直接送人机房,机房的空调总冷负荷320 kW,这部分负荷全部由室外新风承担,室外新风排出时的温度,即机房热通道的最高温度t2根据下式计算:

Δq=cpg(t2-t1)L(1)

式中Δq为房间的负荷,kW;cpg为干空气的比定压热容,取1.005 kJ/(kg·℃);t1为室外新风的进风干球温度,℃;L为室外新风的送风量,取100 000 m3/h。

计算得到t2=21.5℃,则机房的环境温度在12~21.5℃之间,送风温差9.5℃;考虑到节能的问题,机房的环境温度并不需要如此低,可以减少送风量,加大送风温差至15℃,提高排风温度至27℃。按照式(1)进行计算,得到最小的送风量为63500 m3/h。

表1列出了几种特殊情况下的计算结果。从表1可以看出,情况1室外空气加湿到70%还是达不到所需要的温度值,需要开启机械制冷;情况4在冬季室外极寒干冷的条件下,室外空气不适合直接进入到室内,需要开启干冷器。

表1:几种室外环境下的计算结果

5、风系统

5.1 土建风墙腔小室

空调系统的风利用建筑物的土建风道、风腔进行输送,各个空调设备功能段将土建风腔分为若干小室和房间,具体为:新风进风小室、过滤间、加湿间、盘管问、风机间,以及1层的送风层和回风夹层、排风间。

5.2过滤段

空调系统设G1无纺布预过滤段、G3板式粗效过滤段以及F7袋式中效过滤段。G1无纺布预过滤段安装面积260 m2,共168块,F7袋式中效过滤段共168块,过滤段的迎风面风速均不大于2 m/s。

5.3 风机及风机墙

风路的动力全部来自风机墙,每个模块的风机墙由168台数字化无刷直流电动机(EC)离心变频节能低噪声风机组成,风机采用矩阵式布置,以柱、梁作为物理分割,分为7组。每组共24台风机,原则上二十用四备。实际运行时因考虑到风机风量短路的问题,每组的24台风机同时开启,总风量上预留1/6作为备用。

5.4 气流组织

每个模块的机房区域分为3层,分别为:

1) 1层为送风均压腔及不间断电源(UPS)电池存档区域,此区域一侧全部为风机墙,顶部通过楼板上开的送风楼板洞与机柜的冷通道相连。

2) 2层为机柜布置区域,所有的机房机柜均采用封闭冷、热通道的气流组织方式,机柜的气流为前进后出。

3) 2层夹层为热风排风、回风层,2层夹层通过回风楼板洞与热通道相连,回风楼板洞处设计有防跌物的防护网。

6、乙二醇溶液系统

考虑到辅助冷源的冷量输送和防止载冷剂结冻的问题,采用乙二醇溶液作为载冷剂。采用体积分数40%的乙二醇溶液,凝固点-25℃,沸点106℃,40℃时动力黏度为1.77 mPa·S,10℃时为4.04 mPa·s(4℃的纯水为1.56 mPa·s)。乙二醇溶液系统的设计供回水温度为15℃/20℃,考虑到管道防腐问题,乙二醇溶液需添加缓蚀剂,缓蚀剂以环保、无毒、不产生次生腐蚀和次生阻力为原则。

7、工况切换

根据室外温湿度的变化情况,空调系统可以概括为7种工况,工况切换策略见表2。

表2:工况切换策略

7.1 工况1

室外空气温度较高且潮湿,如干球温度31.7℃,相对湿度48%,此时进入机房内的新风量为最大值。当机房内的温度超过35℃时,还需要开启风冷冷水机组进行辅助供冷。

7.2 工况2

室外新风单独负担机房内空调冷负荷的情况,此时新风阀全部打开,进入机房内的新风量为最大值。

7.3 工况3~5

室外新风的温度足够低,不需要送风机全开,只需要低频率运行,将一部分的新风送人室内,风机功耗较低,最节能,工况3~5为阀门开度逐级减小的过程。

7.4 工况6

当室外新风的温度低于3.7℃,有结冻、结露危害时,关闭新风的引入,关闭排风阀,打开回风阀,开启干冷器,进入到干冷器承担室内冷负荷的工况。要关闭新风的引入,同时室外温度不高,也需开启干冷器,进入到干冷器承担室内冷负荷的工况。

7.5 工况7

当夏季发生沙尘暴等极端天气,且室外温度较高,不适合使用干冷器,此时进入到风冷机组全回风工况,需全部打开风冷机组,冷水机组提供的冷量为最大值。

表3:全年设计理论PUE

8、总结

宁夏中卫云计算数据中心项目是我国绿色、节能型数据中心的一次大胆探索,该项目设计工况下的瞬时PUE最低达到1.2,各工况平均PUE计算见表3,设计工况下年均PUE约1.25,这在全国乃至全球范围内都属于领先地位。当然,该项目的空调系统仍存另外一种情况,如果春秋季出现沙尘暴的天气,也需在着很多需要改进和完善的地方。

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本文转载自暖通空调 2016年第46卷第10 期

作者:穆正浩、王颖 上海邮电设计咨询研究院

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