1　工程概述
　　
　　(1)工程概况本工程为内蒙古某信息园内某幢数据中心,该建筑地上共4层,其中1层为配电房、设备机房等辅助用房,2层为电力电池室,3、4层为通信机房。建筑高度21.60米,总建筑面积18082平方米。
　　
　　(2)气候情况
　　
　　室外设计计算参数如表1所示。
　　
　　2　空调冷热源
　　
　　(1)空调系统冷热负荷
　　
　　根据工艺专业规划,该数据中心终期可安装通信设备功耗约为12.5MW,电力电池室不间断电源UPS发热量按设备功耗的8%～10%计,通过逐项逐时的冷负荷计算得到该数据中心夏季冷负荷约为14.5MW,冬季冷负荷约为11.5MW。门厅、卫生间、柴油发电机房、日用燃油间、制冷机房及其他公共区域冬季热负荷为80kW。
　　
　　(2)空调系统冷热源设计
　　
　　①冷源设计
　　
　　根据内蒙古的气候特点和当地缺水的实际情况,结合该数据中心的冷负荷,采用集中式风冷冷水系统和水冷冷水系统相结合的空调系统形式,冷水供/回水温度为12℃/17℃,空调末端采用冷水型恒温恒湿机房专用空调机组。空调系统主机采用自然冷却型风冷冷水机组和水冷离心式冷水机组,根据负荷计算,并考虑15%的冗余量(考虑远期发展),该数据中心选用4台制冷量为1.142MW(320rt)的自然冷却型风冷冷水机组和3台4.22MW(1200rt)的水冷离心式冷水机组及2台2.11MW(600rt)的水冷离心式冷水机组,空调主机按N+1模式配置。其中自然冷却型风冷冷水机组的总容量占系统总负荷的25%;分期建设通信设备安装负荷较小时由风冷冷水机组提供冷量;当通信设备安装负荷较大(超过1台离心式机组的制冷量)时水冷离心式冷水机组投入运行,风冷冷水机组作为系统备份及用水量紧张时的轮转。每台水冷离心式冷水机组配套1台板式换热器。冷水机房内同时还配有落地式自动补水定压装置、全自动综合水处理器、全自动砂过滤器、冷却水循环泵、冷水循环泵等设备。大楼屋面布置了4套低噪声钢制逆流开式冷却塔。
　　
　　②热源设计
　　
　　供暖热源由园区内综合楼地下换热站供热管网引入,门厅、卫生间、柴油发电机房、日用燃油间、值班室、楼梯间、冷水机房等均采用散热器供暖,系统供/回水温度为75℃/50℃。
　　
　　3　空调风系统
　　
　　(1)送风形式
　　
　　该数据中心机房空调末端均采用冷水型机房恒温恒湿专用空调,其主要功能包括制冷、加热、加湿、除湿等。主机房内气流组织形式为:架空地板下送风,机组上部回风。在3、4层走廊吊顶内安装有送风机并配套了粗效、中效过滤器及片式消声器为主机房提供新风,维持主机房正压。具体气流组织形式见图1。
　　
　　(2)封闭冷/热通道
　　
　　封闭冷/热通道是一种基于冷热空气分离有序流动原理的技术。一般来说,冷空气由高架地板下吹出,进入密闭的冷池通道;机柜前端的设备吸入冷空气降温后,形成的热空气由机柜后端排至热通道,并迅速返回到空调回风口。该数据中心主机房采用封闭冷通道(见图2)将冷、热气流完全隔离。在单独的设备间里,机柜面对面摆放后实现冷通道封闭(防止冷气短路),所有机柜均配有盲板,以减少冷、热气流混合,最大限度地提高冷量的利用效率。还有非常重要的一点是,封闭冷通道后,空调系统的回风温度可提高至26～28℃左右(传统机房的回风温度只有24℃),有效减少了空调系统的运行能耗。
　　
　　4　空调水系统
　　
　　(1)冷水系统
　　
　　空调冷水采用一级泵变流量两管制系统,设置双环路,在每个节点两端设置阀门,有效控制供回水总管间的压差,水系统设计保证单点故障或单点维护时不影响整个水系统的运行。同时,冷水系统水源采用两路独立水源+补水池的方式保障,按10h的冷却水补水量配置补水池容量,有效保证了空调冷水系统的不间断运行。为防止机房内空调冷水管、冷凝水管及加湿水管漏水进入主设备区,同时最大限度地提高机房的利用率,该数据中心主机房靠外墙侧全部用隔墙将空调区和机房区分开,并在空调区地面上均匀排布若干排水口,以保证漏水能及时排出,确保主机房设备的安全运行。空调末端循环水回水管均设置电动两通调节阀,配合通信机房内温控器调节进入空调末端的循环水量。
　　
　　(2)冷却水系统
　　
　　空调冷却水系统采用钢制低噪声逆流开式冷却塔,经冷水机组升温至37℃的冷却水被送至冷却塔进行冷却,水温降至32℃后,经水过滤器、冷却水泵加压再返回冷水机组。冷却塔存水盘之间设有独立接口和带关断阀的连通管,屋面还预留有补水管及补水计量装置。考虑到内蒙古干燥多尘的环境和冬季室外极低的气温,冷却塔配置了全自动砂过滤器和水盘电伴热装置,室外冷却水管同时配置电伴热设施进行防冻处理,冷却水管路还设置了冷却水加药处理装置以保证冷却水水质。
　　
　　(3)水蓄冷系统
　　
　　由于大型数据中心功能的重要性和特殊性,本工程冷水系统中配置了一个750m3的蓄冷水罐(和另一幢数据中心共用),用以解决市电中断、柴油发电机启动至冷水机组恢复运行这段时间的空调系统供冷(此时蓄冷罐放冷泵、部分空调末端风机用电由UPS保障),从而保证了空调系统与通信设备不间断地同步运行。蓄冷水罐采用开式系统,蓄冷保障时间按满足单栋数据中心15min考虑,并配置了防冻设施。示意图如图3所示。
　　
　　5　工程特色和技术创新
　　
　　(1)自然冷却技术的应用
　　
　　内蒙古的气候特点非常适合应用自然冷却技术。漫长而寒冷的冬季、凉爽的春秋季都使得室外空气成为了免费的冷源。只要室外侧空气温度低于所需冷水温度,就可以采用自然冷却的方法,关闭制冷机组,采用自然冷却器和板式换热器进行换热(见图4),这样就大大减少了开启冷水机组的时间,既能延长压缩机的使用寿命,又可以减少机组耗电,提高运行效率,有效降低能源消耗。(2)提高冷水供/回水温度冷水机组标准的冷水供/回水温度为7℃/12℃,水冷空调的标准工况也是推荐冷水供/回水温度为7℃/12℃。该数据中心空调系统将冷水供/回水温度提高到12℃/17℃,可减少除湿和加湿动作,从而达到降低冷水机组功耗,同时增加系统自然冷却运行时间、提高空调系统整体运行效率的目的。
　　
　　(3)风道智能换热系统的应用
　　
　　该数据中心采用建筑风道智能换热,将机房内热风直接排至风道与室外换热,换热后的冷风送至空调回风口,再由空调机组送至架空地板下。不仅使冷/热通道完全隔离,还实现了空气自然冷却,有效节能,同时也解决了直接引入新风造成的洁净度方面的问题。机房内空调机组要求选用下沉式无蜗壳直流无刷风机(EC风机),变风量控制,最大送风量与建筑风道风机风量匹配,以保证风道智能换热系统的运行效率。
　　
　　6　实验方案设计
　　
　　(1)3种实验方案
　　
　　方案1:光管散热;
　　
　　方案2:辅助换热器散热;方案3:辅助强化换热器散热。
　　
　　(2)风机风量与散热量模拟与实验(结果见图5、6)。
         

 
　　(3)室外温度与风管温降模拟与实验结果
　　
　　7　实验结果分析
　　
　　①风机换热量随风机风量整体呈单调递增,趋近于线性关系;
　　
　　②方案3强化换热效果明显优于光管换热;
　　
　　③室外温度与风管温降呈线性关系;
　　
　　④模拟拟合曲线与实验拟合曲线斜率大致相同,但截距相差0.2～0.6℃;
　　
　　⑤实测结果比模拟结果更为理想。
　　
　　8 工程应用
　　
　　系统风道位于建筑外立面,风道采用3mm厚铝单板,60mm×60mm×5mm方钢管龙骨,铝板采用氟碳喷涂防腐,龙骨作热浸镀锌处理。屋顶上风管采用1.2mm厚镀锌钢板制作。外立面风道底部冷凝水管设电伴热保温。
　　
　　风道智能换热系统可根据数据中心通信设备分期安装特点、设备负荷的实时变化及环境气候带来的季节差异,通过合理开启或关闭主机及充分利用内蒙古春秋季和冬季较低的室外气温,由冷却塔及板式换热器提供冷源,组合出多种供冷运行模式,从而减少冷水机组的开启时间,有效降低机房的能源消耗。在降低数据中心运营成本的同时,也
　　
　　充分体现绿色建筑的理念,很好地贯彻国家节能减排的相关政策。系统具体运行模式如下:
　　
　　•模式1:板式换热器换热(制冷)(室外环境温度t≤-26℃);
　　
　　•模式2:风道智能换热+板式换热器换热(风道换热和板式换热器换热互为补充)(-26℃<t≤-10℃);
　　
　　•模式3:风道智能换热+板式换热器换热(风道换热为辅,板式换热器换热为主)(-10℃<t≤10℃);
　　
　　•模式4:风道智能换热+冷水机组制冷(风冷+水冷)(10℃<t≤20℃);
　　
　　•模式5:冷水机组制冷(风冷+水冷)(t>20℃)。
　　
　　风道智能换热系统节能分析汇总见表2。
　　
　　作者简介
　　
　　王培(1983-),男,大学,华信咨询设计研究院有限公司建筑设计研究院
　　
　　编辑：Harris