数据中心制冷系统设计应该注意哪些问题

1、冷水机组设备选型应注意哪些？

数据中心的冷水机组选型：

（1）螺杆式冷水机组和离心式冷水机组（ 从输出冷量大小的角度选择 ）

（2）还有高压冷水机组和低压冷水机组（ 供电电压等级角度选择 ）

这些不同特性设备的选择依据主要是其所承载的业务特性以及设备运行的经济性。

1.1 高压与低压冷水机组的选择

GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.2.4条规定：

当前数据中心的暖通设计中，在满足GB 50736—2012第8.2.4条的情况下，冷水机组的冗余设计通常采用n＋1的方式，其中n台采用高压定频冷水机组，1台采用低压变频冷水机组。

当负载低时用1台低压变频冷水机组，当负载达到一定值后启用高压冷水机组。

表1  高压冷水机组与低压冷水机组的对比

1.2 定频与变频冷水机组的选择

对于定频与变频冷水机组的选择除了考虑设备投资成本外，还要考虑定频与变频冷水机组各自的运行特性以及与数据中心业务发展分阶段建设的负载匹配性。

图1  某品牌冷水机组COP与负荷率的关系曲线图

由上图：

低负荷率下变频冷水机组COP与负荷率的关系曲线存在波峰，有一个最佳运行的负荷率区间（40％～60％）；

在此区间内变频冷水机组较定频冷水机组有很大优势，而在高负荷率（90％～100％）时变频冷水机组和定频冷水机组的COP相当。

图2  某品牌冷水机组COP与冷却水温的关系曲线图

由上图：

在冷却水温低于25 ℃时变频冷水机组相比定频冷水机组在COP方面表现突出，但在25 ℃以上的冷却水温下二者的COP相当。这就要求在冷水机组选型时应考虑与冷却塔选型的匹配性，还要关注当地的气象条件。

1.3 冷水机组n＋1设计时n的选择

电动压缩式机组的台数及单机制冷量的选择应满足空气调节负荷变化规律及部分负荷运行的调节要求，一般为2~4台。

假定单台冷水机组的可靠性是0.99，那么n台冷水机组并联的可靠性逻辑方框图如图3所示。

图3 冷机并联可靠性逻辑方框图

n＋1台冷水机组并联系统可靠性计算公式如下：

（1）式中：R n＋1为n＋1冷水机组并联的系统可靠性；r为单台冷水机组的可靠性，取0.99。

通过计算，当n取1～5台时，冷水机组并联台数越多，并联运行的可靠性越低，单台冷水机组的负荷率越高，冷冻水系统可用的冷量冗余量越低（见表2）。

表2  n＋1台冷水机组并联运行可靠性、负荷率和冗余量

注：η为单台冷水机组的负荷率，?为冷冻水系统冷量的冗余量。

另外，变频与定频冷水机组的选型分析表明，单台冷水机组的负荷率越高，变频冷水机组COP越低。 因此，冷水机组并联台数较多时宜采用定频冷水机组，且n不宜大于3。

2、水泵并联该设计选型？

水泵与冷水机组通常设计成一一对应的关系，且并联运行，系统对水泵的配置台数也有限制。以单台100 m3/h的水泵为例进行分析，如表3所示。

表3  水泵并联运行的流量衰减情况

当并联台数超过3台时，流量衰减超过29%，即使再增加水泵数量，总流量的增加也不显著，导致2种结果：

3、蓄冷罐应该如何设计选型？

数据中心须采用蓄冷罐进行一定时间冷量后备。常见的水蓄冷罐有圆柱形和长方形2种。

在数据中心的蓄冷罐方案设计中，常见的蓄冷罐与冷水机组的位置关系有串联和并联2种。

3.1  蓄冷罐与冷水机组串联

图4  蓄冷罐与冷水机组串联

如图4所示：

另外蓄冷罐串联在冷冻水系统中，水流方向保持不变，增加系统阻力，冷冻水泵扬程必须加大且耗电量增加。

3.2 蓄冷罐与冷水机组并联

图5  蓄冷罐与冷水机组并联

蓄冷罐与冷水机组并联（见图5）时，由于水在蓄冷罐的自然分层特性，蓄冷罐在蓄冷时出水温度也达11 ℃，但该蓄冷罐出水并不进入设备而直接回到冷水机组，因此并不影响空调末端性能。

在放冷时，蓄冷罐的进水端变成出水端，水流方向发生变化，空调末端还是由蓄冷罐提供10 ℃冷冻水，而不会发生冷热水流混合。

可见，在蓄冷罐方案设计选型时应采用蓄冷罐与冷水机组并联的方案。

4、管网应该如何设计选型？

图6  某运营商数据中心冷冻水系统管网设计

数据中心管网设计一般结合各自建筑特点及负荷特性。

如图6所示，某运营商的数据中心冷冻水系统设计中，设计5台冷水机组（4＋1运行）保障设备层面的可靠性，设计5台板式换热器进行自然冷却。在管网设计方面采用双供双回的双管制和环管制相结合的方式，保障管路系统的可靠性，并且在数据中心一般不会进行管网分区和采用二次泵系统，因为数据中心的供冷半径通常较小，除非数据中心的供冷来自园区的冷冻站而不是数据中心的专用冷冻站。

4.1 管网设计方案选择

在管网设计方面，有多种方案（见图7）可以选择，各方案优缺点如表4所示。

图7  管网设计类型       

表4   不同管网设计的特点及优缺点

4.2 管道防冻方案选择

数据中心解决冬季的管道防冻问题，常见的方案有：

（1）向冷却水系统中添加乙二醇溶液

（2）对冷却水管道电伴热

4.2.1添加乙二醇溶液

添加的乙二醇溶液能够降低水溶液的冰点从而防止结冻，如图8所示，25％质量百分数的乙烯乙二醇溶液的冰点为－10.7 ℃。

这种方法简便，但缺点是：

（1） 乙二醇溶液比热容比纯水的比热容高0.43 kJ/（kg?℃）， 将降低水溶液的冷却性能；

（2） 乙二醇溶液 黏度比纯水的 黏度增大2倍多， 会 增加了水溶液的黏性（见表5），导致系统管路阻力增加；

（3）乙二醇溶液对管路设备有轻微腐蚀性，需要进行物理隔离；

图8  防冻液质量浓度与冰点关系

表5   不同防冻液的热物性

4.2.2 管道电伴热

数据中心的管道电伴热一般为20～30 W/m，伴热长度一般达150 m左右，电压220 V或110 V，有防爆和不防爆之分。

优点：不与水接触并不会降低冷却性能；

缺点：施工相对复杂，伴热均匀性差，伴热长度有限 ，对施工工艺要求高， 检修维护频繁，与节能 理念相悖 。

图9 管道电伴热示意图      

图10  结冰时间与内管壁温度的关系

4.2.3 水流自适应

圆管内流体是否结冰仅与圆管内表面最低温度有关，而与圆管内流体流速无关。当圆管内表面最低温度高于一定温度（-5.2 ℃）时，圆管内流动的水在1 800 s内不再发生结冰，如图10所示。

一般情况下供水温度10 ℃，外包20 mm厚保温棉，在室外气温高于-5 ℃的地区，其管内水温在冬季必大于-5 ℃，此种情况下无须采取防冻措施。

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