冷冻水空调系统在数据中心中的应用研究

1. 课题研究背景和目的 

数据中心机房空调中的空调系统主要服务对象是电子设备，
，，，应确保电子设备长期、、、、连续、
、
、安全的运行。。
。。目前数据中心机房空调大多数采用风冷型专用空调机组
，，其具有装置灵活、、、、可靠安全的优点，，
，但也存在性能系数较低
、
、运行性能不稳定、、受室外环境温度变化动摇较大
、、
、
、室内外机组装置管线较短、、、室外冷凝器占用大量建筑面积的缺点。
。随着机架热负荷在逐渐上升，
，考虑到室外冷凝器对建筑立面影响较大且冷凝器的安装位置受室内机位置和建筑立面的限制，，风冷型专用空调机组经常满足不了需要。。
。。采用集中冷源空调系统即冷水机组+冷冻水型专用空调机组方案（以下统称冷冻水空调系统）变得更为普遍
。。。 

冷冻水空调系统使用集中冷源，，，制冷效率较高；采用冷却塔蒸发冷却
，
，不需设置风冷冷凝器，，降低环境噪音，，
，
，对建筑立面影响小；数据中心机房采用冷冻水空调系统具有一定水平的节电降耗价值，，，，特别是一些中、
、大型项目上不但节能效益显着，，，，而且可以减少空调设备的投资。
。。但凡事有利则有弊，，，由于冷冻水空调系统中安装的设备及阀门等部件较多，
，，，系统单点故障点较多
，
，为达到灵活、、、、可扩展
、
、、可靠、、、适用
、、、易维护和节能的需求，，，冷冻水空调中的水系统和控制系统的设计比较复杂。。。深入研究冷冻水空调系统在数据中心机房中的应用
，，对于目前移动数据中心机房建设工作具有极其重要的作用
。。 

本课题主要从方案角度探讨冷冻水空调系统在数据中心机房中的应用模式，，，包括冷源端和空调末端的管路模式，，，，在保证机房的可靠性的前提下，，，分析冷冻水空调系统的各种节能措施，，，如高温冷冻水、、、
、大温差及利用自然冷源等，，，以期尽量降低数据中心机房的PUE值。。

2. 冷冻水空调系统的一般组成

2.1 冷水机组 

冷水机组是指能生产冷冻水的机械制冷设备（见图2－1），，，，冷水机组为冷却民用建筑而生产的冷水温度一般为7℃,若用于冷却数据中心机房
，，，此温度常显太低。。。较高的水温能够减少机房的加湿负荷，，，，提高空调显热比，，具有很大的节能潜力。。。。冷水温度较高的缺点是使空调末端换热器配置规格加大。。 

冷水可以是100%的水，，或是水与乙二醇的混合物（如管路位于有冻结危险区域），，
，，当水中有乙二醇或添加剂时，，，，冷水机组的容量会有所衰减
。。 

2.2 冷却塔 

冷却塔是将循环冷却水在其中喷淋
，
，，使之与空气直接接触，
，，通过蒸发和对流把携带的热量散发到大气中去的冷却装置（见图2－2）。。。冷却塔有各种形状、、规格
、、、
、配置与冷却容量。。。由于冷却塔需要有环境空气进出的通路，，，，所以通常设置于室外，，一般在屋面或架高平台上。
。对设有冷却塔的数据中心机房空调系统，
，应有补水储存，
，
，以避免在市政停水时冷却塔失水。
。在大型空调系统中，，，冷却塔通常选用横流塔，，每台塔由若干相同模块组成，，根据空调负荷和室外温度灵活台数控制
，，并配置风机变频调速，，，能起到很好的节能效果。。

图2－1  离心式冷水机组

图2－2  横流式冷却塔

2.3 水泵 

冷冻水空调系统中主要的水泵是冷冻水循环水泵和冷却水循环水泵，，，泵系统设计应考虑节能、、、、可靠性与冗余度，
，在满足安全的情况下，，水泵配置设计时通常可配变频调速装置，，并采用高效电机，，，，这样
，，对于每周7天，，24小时运行的泵来说，，
，
，节能效果很显著。。。  

2.4 冷冻水型专用空调机组 

冷冻水型专用空调机组主要结构分为两部份（见图2－3）
：风机段、、、、制冷盘管，，，，其它选配件包括电加热器、、、电极式加湿器等
。。。冷冻水管接管位置设置在机组的背面或侧面
；通常该机组的送风方式采用下送风，，风机段安装于高架地板之下
，，空气从机组顶部吸入，，，从机组底部送出
；采用大风量小焓差设计原则
，，，，显热比大；在典型工况下（回风温度24℃，，，，相对湿度50%，，，进/出水温度7/12℃）的制冷量范围30~210KW，
，风量范围9000~50000 m3/h
；送风机配置EC调速外转子式电机将有良好的节能效果；

图2－3   冷冻水型专用空调机组

冷水机组、、、、冷却塔、
、
、、水泵和专用空调等4部分是冷冻水空调系统的主要耗能设备，，，除以上主要设备外，，，
，还有一些附属设备
，
，包括分水器
、、、、集水器、、、、水处理器、、、补水泵、
、、定压装置、
、、、蓄冷罐等，，
，，在此不一一赘述。
。    

3. 冷冻水空调系统管路设计  

在数据中心机房冷冻水空调管路设计中
，，，
，最重要的一点是可靠性，，，，在可靠性的基础上兼顾易用和节能。
。。根据数据中心机房的面积
、、、、高度、、工艺负荷、、、、功能要求等，
，，，可采用各种不同的管路方式
，，，这些管路方式应在不增加机房风险情况下
，，，，有不同程度的管道冗余、
、、可调节及在线维护功能。。 

3.1 制冷机房管路设计 

制冷机房基本的水系统流程是：空调回水通过冷水机组蒸发制冷降温成空调供水
，，供给各空调末端使用，
，，，冷却塔将冷水机组冷凝器热量通过蒸发冷却散发到大气中，，，完成冷冻水和冷却水两系统水系统的循环。。。。通常最基本的管道形式如图3-1所示，，，，空调冷冻供回主水、、冷却供回水主管均无备份冗余，，如主管有故障时，，需停机检修，，，，这种管路系统在一些要求不高、、、、允许制冷中断的建筑采用（如民用建筑的制冷系统），，，，但通常满足不了数据中心机房安全性的需要。。。

图3－1  制冷机房管道系统图（基本型）

为满足机房安全性的需求，，双制冷系统经常被采用
。。
。如图3-2所示，
，，采用二套独立制冷系统，，，每套制冷系统各承担数据中心机房50~100%的冷负荷
，，，，每套系统与基本型的管路系统一样，，，均存在单点故障，
，，如发生故障，，，，一套系统可能需要停机检修
，
，，在检修期间
，，，只能利用另外一套制冷系统供冷。。。 

理论上说，，在双制冷系统中，，，如每套制冷系统承担的数据中心机房负荷不到100%，，当一套系统出现单点故障停机检修时，
，另一套系统是不能完全保证机房使用要求的，，但如果配合机房分级制度
，，，，在系统故障情况下允许部分设备停机，，，，且尽量减少检修时间，，在单套系统70%负荷左右的情况下，，数据中心机房的安全性还是能够保证的。。
。采用双制冷系统的一个缺点是管路数量比较多，，，制冷机房的管路数量较基本型系统要增加一倍
。。。。 

在这种系统下，，，各制冷系统所联接的末端空调也应根据制冷系统设计容量承担相应负荷
，
，，如每套制冷系统承担70%空调负荷，，，，则对应该制冷系统的机房空调末端也应按70%负荷选配，，，这样一个机房的总的空调末端是按140%的空调负荷配置的。
。如每套系统承担100%空调负荷，，
，
，则机房空调末端需按200%负荷选配
，，末端要比基本型要增加一倍数量，，，，机房空调布置区域相应要增加一倍面积。。。。因此，，，按100%负荷配置双制冷系统需要付出更高的投资费用且获得更少的数据中心设备装机面积，，
，这点是需要在设计时加以考虑的。。。

图3－2  制冷机房管道系统图（双系统型）

另一种更常见的制冷机房管路设计是采用环状封闭回路，，，如图3－3所示
，，
，，冻冻水管路设计为环状，，，，在各点上开口为负荷提供冷冻水。。。从冷源开始，，回路中的液体可以向两个方向流动。。环状封闭回路应采用阀门分成若干独立段
。。。。阀门的布置，，，应保证有一段干管可被切断
，，，，以进行维护或检修。。如切断一侧的末端负荷供水则由回路干管的另一侧供水，，，即使某处发生故障，，，
，整个系统不受影响，，，，仍然可以正常运行，，提高系统的安全性
。。与冷冻水系统相似
，，，，相应的冻却水管道也布置成环路。。。。环状系统的一个缺点是管路比较复杂，，，控制阀门较多
。。。。

图3－3  制冷机房管道系统图（环状管路型）

对一些规模不大的数据中心机房，，，制冷机房采用单机单泵形式的接管方式可能在经济上比较合理，
，，
，且能够获得满意的可靠性及安全性，，，如图3－4所示，，，，为保证数据中心机房全年供冷，，冷水机组、、、水泵、、冷却塔采用N+1原则布置，，分集水器采用1+1原则布置。。冷水机组
、、、、冷却塔、
、、冷冻水循环泵、、、冷却水循环泵均一一对应设置
，，不设进出水总管，，每套系统的进出水管均接至分集水器，，，系统设置必要的阀门以保证在管道维护、、、、更换阀门及出现意外故障时可切换，，
，确保无单点故障
。。。
。该系统的一个缺点是对于冷机总数量超过4台的制冷系统
，，，系统管路数量较多，，
，，布置较为不易
，，，因此更适合应用于中小规模的机房。。
。

图3－4  制冷机房管道系统图（单机单泵型）

3.2 空调末端管路设计 

数据中心机房内设备较少
，，，管路设计较为简单，，，但根据制冷机房管道系统的不同，，，数据中心机房空调末端接管形式也有所不同。。。。 

基本的机房内管路系统如图3－5所示单立管系统，，，通常同一竖向的空调末端采用同一根立管相连接，，，如立管出现故障
，，，
，则该竖向机房均不能制冷。。。。

 图3－5  空调末端单立管系统图

为避免末端的单点故障，，通常一个竖向机房组会采用双立管系统
，
，对于制冷机房采用环状管路设计的系统中，，，，双立管系统也通过水平支管连接成环路，，，，如图3－6所示，
，环状封闭回路应采用阀门分成若干独立段。。阀门的布置，，应保证有一段干管可被切断
，，，以进行维护或检修。。如切断一侧的末端负荷供水则由回路干管的另一侧供水，，即使某处发生故障，
，整个系统不受影响，，，仍然可以正常运行，，，，提高系统的安全性。
。。

图3－6 空调末端双立管系统图（环状管路）

如制冷机房采用双系统设计，，，，空调末端如采用环状双立管系统可能会造成问题，，，由于两套制冷系统是独立的，，在末端将两套系统的管路连接可能会造成水力不平衡现象。。为安全起见，
，在这种情况下，，，
，双立管系统不互相连接，，各立管所连接的空调末端采用间插式连接，
，，，间插式连接的目的是为了在一套制冷系统发生故障的情况下，，，机房还能有比较好的末端气流组织。。
。
。如图3－7所示
。。

图3－7 空调末端双立管系统图（间插连接）

4. 冷冻水空调系统节能设计  

4.1 高温冷冻水设计 

通常冷冻水空调中采用机械压缩冷水机组，，
，，其节能性主要体现在能效比EER（energy efficiency ratio）和部分负荷效率IPLV （Integrated Part Load Value）。
。
。。同样温差情况下，，，提高压缩机蒸发温度可以提高压缩机效率
，，
，按粗略估计，
，，蒸发温度每升高1℃，
，， EER能提高2~3%
。。
。同样，，，
，提高蒸发温度对于利用自然冷源是有利的，
，，对于同一个气候区来说，
，蒸发温度越高，，，，每年可资利用的自然冷却时间则越多
，，，以北京地区为例，
，在一个标准年内，
，，温度在7℃（标准工况蒸发温度）以下的时间是3025小时，，，
，温度在10℃以下的时间是3562小时。。。

数据中心机房环境控制设备的传统运行是保持机房空调的回风工况。。。
。典型的回风温度20~24℃，，，导致了来自空调的送风温度在10~16℃之间。
。。若热通道/冷通道环境设计合理，，则可采用较高的送风温度，，由此可用较高的冷水温度或蒸发温度。。。。最终能在满足冷负荷的需要下以可能的最高温度运行供冷系统，，，达到最大程度的节能效果。。。 

从另一个方面，，数据中心机房露点控制是控制加湿和除湿的一种有效办法。。
。数据中心机房一般推荐的相对湿度范围是40~60%之间，，，，相对湿度过高有可能给数据中心设备带来诸多问题，，
，，包括导电阳极故障
、、
、、吸湿性粉尘故障和腐蚀等，，，，极端情况下，，，，水蒸汽在电子元器件或电介质材料表面形成水膜
，，，容易引起电子元器件之间出现形成通路。。。当相对湿度过低时
，，
，容易产生较高的静电电压。
。。。机房湿度的设计值对机房运行时加湿和除湿的能耗有很大的影响。。。。大多数数据中心机房主要的湿源是室外空气，
，目前新建的数据中心机房密闭性都较好
，
，
，从外界空气传入的水蒸汽不多，，
，，机房除湿能耗相对不大
，，，主要能耗体现在加湿过程中
，，，，降低机房设计湿度将减少加湿能耗
，，，提高机房空调末端的显热比。。在机房设定相比湿度较低的情况下，，，，当冷冻水空调进水温度高于机房热通道露点温度（一般12℃以上），，则在空调末端也许无需加湿，，机房在干工况下运行，，，即提高卫生标准，
，，，又起到节能作用。。。因此，，，，总的来说，，应放弃越冷越好的想法，，，，冷水供水温度和机房送风温度应尽可能提高，，，
，运行在可允许的较高的机房温度和较低的相对湿度设定范围内，，，不仅可以提高制冷效率，，
，而且能降低加湿能耗，，，，在大多数气候条件下还能大大增加利用自然冷源的时间。。
。。

4.2 大温差设计

根据某冷水机组样机特性曲线显示，，，蒸发器两侧冷水温差对于冷水机组的效率影响很小，，，，因此
，，，，从节能的角度考虑，，加大冷冻水供回水温差是有利的。。。。较大的温差可使流量减少，，于是冷冻水泵的能耗降低，
，，通常冷冻水空调供回水温差是5℃，，如温差加大到6℃，，冷冻水量将减少17%。
。
。但应该注意，
，，对于具体设备，，，，系统设计者应获得产品的特性曲线，，采用大温差设计可能会潜在地降低冷水机组效率或加大冷水盘管规格。。

而通过资料显示，
，，冷水机组效率随冷却水温差的加大而降低
。。。。想通过增大冷却水温差以降低水泵能耗将明显导致冷水机组的效率降低，，因此，，，在考虑采用冷却水大温差设计前
，，需以年为基础对冷却水泵能耗和冷水机组能耗进行详细的分析。。

4.3 自然冷源利用

冷冻水空调系统即使采用高效设备
、、
、、系统设计优秀，，，，其全年运行能耗也是十分显著的。
。。。一般情况下，，
，，如果没有利用自然冷源
，，，，数据中心机房PUE值很难低于1.7
。。。要降低PUE，，，，通常主要的途径是利用自然冷源。。。根据气候区的不同采用合理的免费制冷方案，，数据中心机房制冷系统全年能耗通常能节约10~50%，，，甚至有时可能更高。。。 

通常利用自然冷源方式分为直接自然冷却和间接自然冷却两种方式，，，直接自然冷却意味着直接利用室外的空气来冷却室内/设备，
，这类自然冷却通常应用在低热负载的户外数据中心机柜和在温度湿度低要求的场所，，与冷冻水空调系统联系不大，，，不在此赘述。。。
。 

间接自然冷却意味着通过使用干冷器，，，冷却塔或者通过冷水机组的自然冷却盘管利用室外冷空气把水冷却到一定的程度，，这样冷水就能通过机房空调机组的冷冻水盘管进行制冷。。图4－1表示通过干冷器、、、自然冷却盘管进行自然冷却的原理图

图4－1 采用干冷器间接自然冷却原理图

间接自然冷却与冷冻水空调系统结合可采用冷冻水加闭式冷却塔的双冷源系统。。。。空调系统制冷冷源选择
：由冷水机组（配开式冷却塔）和闭式冷却塔（提供自然冷源）两部分作为制冷冷源，，，，根据室外气温的变化采取相应的组合运行方式来满足制冷需求，，，空调末端采用高显热供冷的双盘管机房空调机组。
。如图4－2所示。。。。

图4－2 冷冻水加闭式冷却塔的双冷源系统

夏季运行模式为冷水机组（开式冷却塔运行）独立运行，，，，由冷水机组为空调末端提供冷冻水；冬季运行模式为闭式冷却塔利用室外低温自然冷源独立为空调末端提供冷冻水
；过渡季节
，
，高压离心式冷水机组和闭式冷却塔同时运行，
，由于机房内采用了双盘管机组，，过渡季节优先采用闭式冷却塔提供的冷冻水对空调末端进行冷却
，，当冷量不能满足机房要求时再启动冷水机组供冷，，，从而减少压缩机的运行时间
，，降低空调系统能耗。
。。
。由于该空调系统冷源为双冷源
，，空调末端为双盘管系统，
，，，在冬季和过渡季节的使用不但不存在自然冷源和冷水机组供冷切换控制的风险，，，，管道系统还能互为备用
，，，，运行可靠，，，控制简单。。与传统的冷冻水空调系统相比，，
，，增加了闭式冷却塔、、室内单盘管机组改为双盘管机组，
，，虽然增加部分管路和设备投资，，，但运行节电。。。