前言：

隨著高性能服務(wù)器等IT設(shè)備的應(yīng)用，高熱密度數(shù)據(jù)中心對(duì)機(jī)房制冷提出更高的要求，而冷凍水型空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房早已是一個(gè)成熟應(yīng)用，但不少用戶對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用還存在保守的現(xiàn)象，本文將分析冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的幾種節(jié)能措施，以幫助數(shù)據(jù)中心用戶更好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效，下面介紹數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的一般組成、管路設(shè)計(jì)模式以及節(jié)能方法等，對(duì)于相關(guān)工程的咨詢?cè)O(shè)計(jì)工作有一定的借鑒與指導(dǎo)。

目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)大多數(shù)采用風(fēng)冷型專用空調(diào)機(jī)組，其具有裝置靈活、可靠安全的優(yōu)點(diǎn)，但也存在性能系數(shù)較低、運(yùn)行性能不穩(wěn)定、受室外環(huán)境溫度變化動(dòng)搖較大、室內(nèi)外機(jī)組裝置管線較短、室外冷凝器占用大量建筑面積的缺點(diǎn)。隨著機(jī)架熱負(fù)荷在逐漸上升，考慮到室外冷凝器對(duì)建筑立面影響較大且冷凝器的安裝位置受室內(nèi)機(jī)位置和建筑立面的限制，風(fēng)冷型專用空調(diào)機(jī)組經(jīng)常滿足不了需要。采用集中冷源空調(diào)系統(tǒng)即冷水機(jī)組+冷凍水型專用空調(diào)機(jī)組方案（以下統(tǒng)稱冷凍水空調(diào)系統(tǒng)）變得更為普遍。

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)使用集中冷源，制冷效率較高；采用冷卻塔蒸發(fā)冷卻，不需設(shè)置風(fēng)冷冷凝器，降低環(huán)境噪音，對(duì)建筑立面影響小；數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用冷凍水空調(diào)系統(tǒng)具有一定水平的節(jié)電降耗價(jià)值，特別是一些中、大型項(xiàng)目上不但節(jié)能效益顯著，而且可以減少空調(diào)設(shè)備的投資。但凡事有利則有弊，由于冷凍水空調(diào)系統(tǒng)中安裝的設(shè)備及閥門(mén)等部件較多，系統(tǒng)單點(diǎn)故障點(diǎn)較多，為達(dá)到靈活、可擴(kuò)展、可靠、適用、易維護(hù)和節(jié)能的需求，冷凍水空調(diào)中的水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。深入研究冷凍水空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的應(yīng)用，對(duì)于目前移動(dòng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)工作具有極其重要的作用。

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的一般組成

1、冷水機(jī)組

冷水機(jī)組是指能生產(chǎn)冷凍水的機(jī)械制冷設(shè)備（見(jiàn)圖2－1），冷水機(jī)組為冷卻民用建筑而生產(chǎn)的冷水溫度一般為7℃,若用于冷卻數(shù)據(jù)中心機(jī)房，此溫度常顯太低。較高的水溫能夠減少機(jī)房的加濕負(fù)荷，提高空調(diào)顯熱比，具有很大的節(jié)能潛力。冷水溫度較高的缺點(diǎn)是使空調(diào)末端換熱器配置規(guī)格加大。

冷水可以是100%的水，或是水與乙二醇的混合物（如管路位于有凍結(jié)危險(xiǎn)區(qū)域），當(dāng)水中有乙二醇或添加劑時(shí)，冷水機(jī)組的容量會(huì)有所衰減。

2、冷卻塔

冷卻塔是將循環(huán)冷卻水在其中噴淋，使之與空氣直接接觸，通過(guò)蒸發(fā)和對(duì)流把攜帶的熱量散發(fā)到大氣中去的冷卻裝置，冷卻塔有各種形狀、規(guī)格、配置與冷卻容量。由于冷卻塔需要有環(huán)境空氣進(jìn)出的通路，所以通常設(shè)置于室外，一般在屋面或架高平臺(tái)上。對(duì)設(shè)有冷卻塔的數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)有補(bǔ)水儲(chǔ)存，以避免在市政停水時(shí)冷卻塔失水。在大型空調(diào)系統(tǒng)中，冷卻塔通常選用橫流塔，每臺(tái)塔由若干相同模塊組成，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷和室外溫度靈活臺(tái)數(shù)控制，并配置風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，能起到很好的節(jié)能效果。

3、水泵

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)中主要的水泵是冷凍水循環(huán)水泵和冷卻水循環(huán)水泵，泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮節(jié)能、可靠性與冗余度，在滿足安全的情況下，水泵配置設(shè)計(jì)時(shí)通?？膳渥冾l調(diào)速裝置，并采用高效電機(jī)，這樣，對(duì)于每周7天，24小時(shí)運(yùn)行的泵來(lái)說(shuō)，節(jié)能效果很顯著。

4、冷凍水型專用空調(diào)機(jī)組

冷凍水型專用空調(diào)機(jī)組主要結(jié)構(gòu)分為兩部份：風(fēng)機(jī)段、制冷盤(pán)管，其它選配件包括電加熱器、電極式加濕器等。冷凍水管接管位置設(shè)置在機(jī)組的背面或側(cè)面；通常該機(jī)組的送風(fēng)方式采用下送風(fēng)，風(fēng)機(jī)段安裝于高架地板之下，空氣從機(jī)組頂部吸入，從機(jī)組底部送出；采用大風(fēng)量小焓差設(shè)計(jì)原則，顯熱比大；在典型工況下（回風(fēng)溫度24℃，相對(duì)濕度50%，進(jìn)/出水溫度7/12℃）的制冷量范圍30~210KW，風(fēng)量范圍9000~50000 m3/h；送風(fēng)機(jī)配置EC調(diào)速外轉(zhuǎn)子式電機(jī)將有良好的節(jié)能效果；冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵和專用空調(diào)等4部分是冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備，除以上主要設(shè)備外，還有一些附屬設(shè)備，包括分水器、集水器、水處理器、補(bǔ)水泵、定壓裝置、蓄冷罐等，在此不一一贅述。

5、冷凍水空調(diào)系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷凍水空調(diào)管路設(shè)計(jì)中，最重要的一點(diǎn)是可靠性，在可靠性的基礎(chǔ)上兼顧易用和節(jié)能。根據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的面積、高度、工藝負(fù)荷、功能要求等，可采用各種不同的管路方式，這些管路方式應(yīng)在不增加機(jī)房風(fēng)險(xiǎn)情況下，有不同程度的管道冗余、可調(diào)節(jié)及在線維護(hù)功能。

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

（1）高溫冷凍水設(shè)計(jì)：

通常冷凍水空調(diào)中采用機(jī)械壓縮冷水機(jī)組，其節(jié)能性主要體現(xiàn)在能效比EER（energy efficiency ratio）和部分負(fù)荷效率IPLV （Integrated Part Load Value）。同樣溫差情況下，提高壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度可以提高壓縮機(jī)效率，按粗略估計(jì)，蒸發(fā)溫度每升高1℃， EER能提高2~3%。同樣，提高蒸發(fā)溫度對(duì)于利用自然冷源是有利的，對(duì)于同一個(gè)氣候區(qū)來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)溫度越高，每年可資利用的自然冷卻時(shí)間則越多，以北京地區(qū)為例，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)年內(nèi)，溫度在7℃（標(biāo)準(zhǔn)工況蒸發(fā)溫度）以下的時(shí)間是3025小時(shí)，溫度在10℃以下的時(shí)間是3562小時(shí)。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境控制設(shè)備的傳統(tǒng)運(yùn)行是保持機(jī)房空調(diào)的回風(fēng)工況。典型的回風(fēng)溫度20~24℃，導(dǎo)致了來(lái)自空調(diào)的送風(fēng)溫度在10~16℃之間。若熱通道/冷通道環(huán)境設(shè)計(jì)合理，則可采用較高的送風(fēng)溫度，由此可用較高的冷水溫度或蒸發(fā)溫度。最終能在滿足冷負(fù)荷的需要下以可能的最高溫度運(yùn)行供冷系統(tǒng)，達(dá)到最大程度的節(jié)能效果。

從另一個(gè)方面，數(shù)據(jù)中心機(jī)房露點(diǎn)控制是控制加濕和除濕的一種有效辦法。數(shù)據(jù)中心機(jī)房一般推薦的相對(duì)濕度范圍是40~60%之間，相對(duì)濕度過(guò)高有可能給數(shù)據(jù)中心設(shè)備帶來(lái)諸多問(wèn)題，包括導(dǎo)電陽(yáng)極故障、吸濕性粉塵故障和腐蝕等，極端情況下，水蒸汽在電子元器件或電介質(zhì)材料表面形成水膜，容易引起電子元器件之間出現(xiàn)形成通路。當(dāng)相對(duì)濕度過(guò)低時(shí)，容易產(chǎn)生較高的靜電電壓。機(jī)房濕度的設(shè)計(jì)值對(duì)機(jī)房運(yùn)行時(shí)加濕和除濕的能耗有很大的影響。大多數(shù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房主要的濕源是室外空氣，目前新建的數(shù)據(jù)中心機(jī)房密閉性都較好，從外界空氣傳入的水蒸汽不多，機(jī)房除濕能耗相對(duì)不大，主要能耗體現(xiàn)在加濕過(guò)程中，降低機(jī)房設(shè)計(jì)濕度將減少加濕能耗，提高機(jī)房空調(diào)末端的顯熱比。在機(jī)房設(shè)定相比濕度較低的情況下，當(dāng)冷凍水空調(diào)進(jìn)水溫度高于機(jī)房熱通道露點(diǎn)溫度（一般12℃以上），則在空調(diào)末端也許無(wú)需加濕，機(jī)房在干工況下運(yùn)行，即提高衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，又起到節(jié)能作用。因此，總的來(lái)說(shuō)，應(yīng)放棄越冷越好的想法，冷水供水溫度和機(jī)房送風(fēng)溫度應(yīng)盡可能提高，運(yùn)行在可允許的較高的機(jī)房溫度和較低的相對(duì)濕度設(shè)定范圍內(nèi)，不僅可以提高制冷效率，而且能降低加濕能耗，在大多數(shù)氣候條件下還能大大增加利用自然冷源的時(shí)間。

（2）大溫差設(shè)計(jì)

根據(jù)某冷水機(jī)組樣機(jī)特性曲線顯示，蒸發(fā)器兩側(cè)冷水溫差對(duì)于冷水機(jī)組的效率影響很小，因此，從節(jié)能的角度考慮，加大冷凍水供回水溫差是有利的。較大的溫差可使流量減少，于是冷凍水泵的能耗降低，通常冷凍水空調(diào)供回水溫差是5℃，如溫差加大到6℃，冷凍水量將減少17%。但應(yīng)該注意，對(duì)于具體設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)獲得產(chǎn)品的特性曲線，采用大溫差設(shè)計(jì)可能會(huì)潛在地降低冷水機(jī)組效率或加大冷水盤(pán)管規(guī)格。

而通過(guò)資料顯示，冷水機(jī)組效率隨冷卻水溫差的加大而降低。想通過(guò)增大冷卻水溫差以降低水泵能耗將明顯導(dǎo)致冷水機(jī)組的效率降低，因此，在考慮采用冷卻水大溫差設(shè)計(jì)前，需以年為基礎(chǔ)對(duì)冷卻水泵能耗和冷水機(jī)組能耗進(jìn)行詳細(xì)的分析。

（3）自然冷源利用

冷凍水空調(diào)系統(tǒng)即使采用高效設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)秀，其全年運(yùn)行能耗也是十分顯著的。一般情況下，如果沒(méi)有利用自然冷源，數(shù)據(jù)中心機(jī)房PUE值很難低于1.7。要降低PUE，通常主要的途徑是利用自然冷源。根據(jù)氣候區(qū)的不同采用合理的免費(fèi)制冷方案，數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷系統(tǒng)全年能耗通常能節(jié)約10~50%，甚至有時(shí)可能更高。

通常利用自然冷源方式分為直接自然冷卻和間接自然冷卻兩種方式，直接自然冷卻意味著直接利用室外的空氣來(lái)冷卻室內(nèi)/設(shè)備，這類自然冷卻通常應(yīng)用在低熱負(fù)載的戶外數(shù)據(jù)中心機(jī)柜和在溫度濕度低要求的場(chǎng)所，與冷凍水空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)系不大，不在此贅述。

間接自然冷卻意味著通過(guò)使用干冷器，冷卻塔或者通過(guò)冷水機(jī)組的自然冷卻盤(pán)管利用室外冷空氣把水冷卻到一定的程度，這樣冷水就能通過(guò)機(jī)房空調(diào)機(jī)組的冷凍水盤(pán)管進(jìn)行制冷，表示通過(guò)干冷器、自然冷卻盤(pán)管進(jìn)行自然冷卻的原理圖

間接自然冷卻與冷凍水空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合可采用冷凍水加閉式冷卻塔的雙冷源系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)制冷冷源選擇：由冷水機(jī)組（配開(kāi)式冷卻塔）和閉式冷卻塔（提供自然冷源）兩部分作為制冷冷源，根據(jù)室外氣溫的變化采取相應(yīng)的組合運(yùn)行方式來(lái)滿足制冷需求，空調(diào)末端采用高顯熱供冷的雙盤(pán)管機(jī)房空調(diào)機(jī)組。

夏季運(yùn)行模式為冷水機(jī)組（開(kāi)式冷卻塔運(yùn)行）獨(dú)立運(yùn)行，由冷水機(jī)組為空調(diào)末端提供冷凍水；冬季運(yùn)行模式為閉式冷卻塔利用室外低溫自然冷源獨(dú)立為空調(diào)末端提供冷凍水；過(guò)渡季節(jié)，高壓離心式冷水機(jī)組和閉式冷卻塔同時(shí)運(yùn)行，由于機(jī)房?jī)?nèi)采用了雙盤(pán)管機(jī)組，過(guò)渡季節(jié)優(yōu)先采用閉式冷卻塔提供的冷凍水對(duì)空調(diào)末端進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷量不能滿足機(jī)房要求時(shí)再啟動(dòng)冷水機(jī)組供冷，從而減少壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。由于該空調(diào)系統(tǒng)冷源為雙冷源，空調(diào)末端為雙盤(pán)管系統(tǒng)，在冬季和過(guò)渡季節(jié)的使用不但不存在自然冷源和冷水機(jī)組供冷切換控制的風(fēng)險(xiǎn)，管道系統(tǒng)還能互為備用，運(yùn)行可靠，控制簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)的冷凍水空調(diào)系統(tǒng)相比，增加了閉式冷卻塔、室內(nèi)單盤(pán)管機(jī)組改為雙盤(pán)管機(jī)組，雖然增加部分管路和設(shè)備投資，但運(yùn)行節(jié)電。

冷凍水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的一些方法

（1）采用中溫冷凍水系統(tǒng)，提高冷凍水供回水溫度至12/18℃，水冷機(jī)組COP值可從5.5提高至7.0，預(yù)計(jì)節(jié)能15～20%；大型可采用高壓離心冷水機(jī)組磁懸浮冷水機(jī)組。

（2）采用溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)。

（3）在上述冷凍水水溫的前提下，可提高機(jī)房送風(fēng)溫度至干球溫度16～18 ℃以上，滿足ASHRAE Class A1等級(jí)要求；以及中國(guó)電信的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）采用冷凍水、風(fēng)機(jī)變頻控制；

（5）采用冷卻塔間接制冷；

其他實(shí)現(xiàn)節(jié)能的一些方法:

（1）機(jī)房專用空調(diào)采用EC風(fēng)機(jī)；直流變頻風(fēng)機(jī)；效率高、可按需送風(fēng)。

（2）機(jī)房專用空調(diào)采用溫濕度獨(dú)立控制設(shè)計(jì)，避免冷熱抵消現(xiàn)象；浪費(fèi)能量；

（3）機(jī)房專用空調(diào)無(wú)電加熱；預(yù)計(jì)室內(nèi)機(jī)部分節(jié)能20～30%；

（4）機(jī)房空調(diào)采用小風(fēng)量大晗差的設(shè)計(jì)思想，溫差大于10℃；

（5）采用新風(fēng)直接制冷；熱管空調(diào)；

（6）采用等焓加濕過(guò)程的濕膜加濕機(jī)組，在空氣增加含濕量的同時(shí)，空氣的干球溫度也隨之降低，從而有效減輕機(jī)房空調(diào)的制冷負(fù)荷；

供電系統(tǒng)節(jié)能的一些辦法：

（1）使用高頻UPS、直流供電等；

（2）提高負(fù)載率，這是節(jié)能的最好方式，同時(shí)也是最直接的；

關(guān)于空調(diào)冷源節(jié)能設(shè)計(jì):

水冷型冷凍水系統(tǒng)通過(guò)板式換熱器實(shí)現(xiàn)水側(cè)自然冷卻，在北京地區(qū)預(yù)期有3~4個(gè)月可實(shí)現(xiàn)完全或部分自然冷卻，使得年均PUE的貢獻(xiàn)值可下降0.1~0.2；

冬季可通過(guò)水源熱泵系統(tǒng)回收機(jī)房余熱，承擔(dān)建筑物所需的供熱負(fù)荷（如：新風(fēng)系統(tǒng)、辦公區(qū)域、發(fā)電機(jī)房等），節(jié)省了工程造價(jià)和運(yùn)維費(fèi)用。

如何提升數(shù)據(jù)中心冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的能效

（1）提高冷水機(jī)組的出水溫度

提高冷水機(jī)組的出水溫度是提升制冷系統(tǒng)整體節(jié)能效果的一個(gè)有力措施。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和冷水機(jī)組廠家提供的數(shù)據(jù)，在其它參數(shù)不變的條件下，每當(dāng)提高1℃的出水溫度，冷水機(jī)組的制冷量將提高3%~4%，而功耗約增加1%左右。

下圖顯示了在不同的出水溫度條件下，冷水機(jī)組的制冷量與用電功率的典型關(guān)系。

不難看出，隨著出水溫度的提升，制冷量和用電功率都在增加，但制冷量的增幅更大。簡(jiǎn)單的說(shuō)，隨著冷水機(jī)組出水溫度的提升，我們可以利用更少的電力消耗提供更多的制冷量。這顯然是一項(xiàng)有效提升制冷系統(tǒng)能效的措施，值得注意的是，冷水機(jī)組的出水溫度也不可以不受限制的提高，且對(duì)于末端空調(diào)設(shè)備而言，當(dāng)來(lái)自冷水機(jī)組的冷凍水供水溫度提升時(shí)，其制冷量將隨之下降。為避免這種情況發(fā)生，就需要末端空調(diào)廠家在研發(fā)階段就以高溫冷凍水供水和高回風(fēng)溫度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

能在研發(fā)與生產(chǎn)階段就全面考慮到數(shù)據(jù)中心冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的最佳能效，這樣的廠家顯然鳳毛麟角。在某用戶的集裝箱數(shù)據(jù)中心內(nèi)，冷凍水進(jìn)水溫度20℃條件下，實(shí)測(cè)的制冷量高達(dá)37 kW/臺(tái)。

（2）充分利用自然冷源，實(shí)施自然冷卻

提高冷水機(jī)組的出水溫度即提高末端空調(diào)的供水溫度，它引申出的另一個(gè)好處是能夠最大限度利用室外冷源進(jìn)行自然冷卻。

在冷凍水系統(tǒng)上增加一套空氣/水熱交換器，從末端空調(diào)返回的高溫冷凍水進(jìn)入該熱交換器并被冷卻至合適的低溫，低溫冷凍水再被送入末端空調(diào)，吸收IT設(shè)備的散熱又變成高溫冷凍水，并再次返回?zé)峤粨Q器，如此循環(huán)。

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