高密度数据中心制冷空调系统设计

高密度数据中心制冷空调系统设计
作者：秦雪青
来源：《市场周刊·市场版》2017年第03期
摘要：高密度数据技术打造了高密度机架服务器和存储服务器，两种服务器都具备体积小、数据处理速度快、功能强等优势及特点，已经被广泛应用于制冷空调系统设计中，使单个机柜和刀式服务器的功率得到了大幅度提高，分别由以前的1kW和3kW提高到5kW和
30kW。

关键词：高密度；数据中心；制冷空调；系统设计
传统的机柜其功率密度种类多数属于低功率密度数据中心，对服务器的制冷方法是集中制冷法，当功率>5kW时，就避免不了很多弊端的出现，如机柜运行时出现的局部热点和地板下送风不足等问题，致使制冷设备发生过热保护，进而导致宕机的发生，影响制冷设备的正常运行。

所以本文详细分析高密度数据中心制冷空调系统设计思路及方法。

一、高密度数据中心的简单概述
本文选取某地区现有的办公楼，然后将其改造成一个新的高密度数据中心，该办公楼被改造前的建筑总面积约为8400m2，该办公楼层的高度为20m，一共五层，分为地上四层和低下一层，所有楼层的分布结构包括高密度数据中心部分、辅助用房部分和办公室部分。

其中高密度数据中心部分处于办公大楼的南侧，并且位于地二楼，相应的机房面积为240m2，其楼层高4m。

根据设计需要，该高密度数据中心内设置有90台服务器机柜、5台网络机柜，经确定每一台服务器机柜的总功率都为9kW，设置服务器机柜和网络机柜的同时，还要将防静电的高架地板铺设在机房内，以预防因漏电、触电等带来的电力事故。

根据传统的数据中心制冷空调系统，了解到高密度数据中心制冷空调系统设计内容包括高密度数据中心空调系统冷源的设计、冷冻水系统的设计、新风系统和排风系统的设计[1]。

二、高密度数据中心制冷空调系统设计
1、空调系统冷源的设计
数据中心的耗能量很高，所以为实现数据中心的节能运行，必须实现高密度数据中心制空调系统的设计，即从使用功率上的高密度化来实现数据中心的节能，这决定必须对数据中心制冷空调系统中的空调制冷源进行创新设计。

具体设计可以通过本文选取的某地区办公楼数据中心改造来说明，即：第一，根据该地区气候特点，选择冷却技术。

该地区冬季的最低温度为-20℃，最高温度为10℃；夏季最高温度为38℃，最低温度为21℃；春秋两季最高温度为2℃，最低温度为9℃。

由此可以出，在冬选择自然制冷技术，将自然冷空气转换空调制冷源，以达到节能目的；在夏季则需要降低系统的电源使用效率（PUE），并将制冷效率高的螺
杆式冷冻水机组设置在机房，根据上面给的空间数据及服务器机柜等数据了解到，该机房需要设置螺杆式冷冻水机组3台，其中2台用来制冷，另外1台则当做备用（520kW制冷量）；另外还要设置干冷器2台（500kW制冷量）；冷冻水的进口温度应控制在12℃左右，出口温度应控制在7℃左右[2]。

第二，利用冷冻水机组、干冷器和螺杆式冷冻水机组实现不同季节不同制冷工作模式的构建，即：
1）夏季，将风冷冷冻水机组、螺杆式冷冻水机和干冷器开启，然后将高温的乙二醇溶液放进冷冻水机组，实现冷冻水机组蒸发器的热量释放。

2）冬季，其工作原是先将乙二醇溶液放入干冷器，然后利用室外低冷空气将乙二醇溶液冷却，实现冷冻水机组的停机，进而实现自然冷却模式。

3）过渡季节，该季节工作模式的形成可以两种情况进行分析，其一，室外温度低于冷冻水机组回水温度3℃时，利用干冷器实现半自然冷却模式；当室外温度低于冷冻水机组回水温度10℃时，则直接实现自然冷却模式。

2、冷冻水系统设计
本文研究的某地区高密数据中制冷空调系统中冷冻水可设置为7℃、冷冻水循环系统中冷冻水回水可设置为12℃，即在实际运行中要将冷冻水冷冻水回水温度控制在7℃和12℃左右，所以为实现冷水系统控水能力的提，需要在该系统中设置平衡阀，以保证系统管路上水压的平衡、数据中心的安全和连续的制冷。

具体的设计如下：1）要在数据中心设置IT设备，以保证空调系统的不间断供电，即实现不间断电源（UPS）；2）为有效预防因当断电引起机房温度上升导致数据设备停机或损坏的发生，必须在冷冻水系统中设置安全装置，以保证冷冻水系统和数据中心的稳定性[3]。

3、室内精密空调的设计
室内精密空调也是高密度数据中心空调系统中重组成部分，具有地板下送风房间级空调和水平送风行级制冷空调两种形式；其特点是温度测量及控制精密化、湿度测量和控制精密化；其工作原理是通过对空调回风温度的测量及控制，结合调节阀来实现对冷冻水温度的调节，进而实现对送风温度的测量与控制；根据本文案例相关数据及信息了解到，室内精密空调的设计可从以下几方面进行：1）当室内温度在15℃～30℃时，机组温度的控制精度可以设计为-1℃～1℃；2）当室内温度每小时的温度变化
4、新风与排风系统的设计
新风与排风系统是数据中心空调系统中重要组成部分，其作用在于室外新风的适量提供，所以进行高密度数据中心制冷空调系统设计时，必须对相应的新风系统和排风系统进行设计。

具体设计流程如下：1）要保证设计环境的合格性，即相对应的数据通信房，必须保证其电压值为正值，并且要求室内相关工作人员必须保证室内的卫生；2）为提高新风替换效率，要将
1台1120m3/h台风量的抽流风机，设置在数据中心的北侧，以实现1h/次的换气，达到机房外压差保持在10Pa的目的；3）如果要实现5次换气，则需要在相应的地方，设置台风量为5600m3/h的1台抽流风机，其作用除了实现5次换气，还在于发生火灾且灭火后的换气[4]。

三、结语
综上所述，高密度数据制冷空调系统是由传统的低功率数据制冷空调系统升级而来，包括了空调系统冷源、冷冻水系统、室内精密空调、新风与排风系统，所以高密度数据中心制冷空调系统的设计也从这几方面进行。

（作者单位：邵阳学院）
作者简介：秦雪青，机械与能源工程系，研究方向为制冷与空调。

参考文献
[1]陈修敏，张九根.数据中心机房空调系统设计及气流优化分析[J].流体机械，2014，11：79-82+86.
[2]王丽欣，常琳.高密度数据中心制冷空调系统设计[J].制冷技术，2015，01：48-53.
[3]陈娟.北京某数据中心空调制冷系统用能分析[J].节能，2015，03：46-48.
[4]华晓辉.数据中心冷冻水空调系统多级制冷方案研究[J].通信电源技术，2016，05：134-136+139.。