数据中心空调水系统及柴油系统设计介绍

叶芳

摘 要：文章介绍了有关数据中心的基本概念、等级划分以及相关的技术要求，同时通过工程实例对数据中心空调水系统和柴油系统的设计计算过程进行介绍，达到介绍指导设计的作用。

关键词：数据中心；分级标准；空调水系统；蓄冷系统

1 基本概念

1.1 什么是数据中心。数据中心通常是指在一个物理空间内实现对数据信息的集中处理、存储、传输、交换、管理，一般还有计算机设备、服务器设备、网络设备、通讯设备、存储设备等关键设备。数据中心的基础设施是指为确保数据中心的关键设备和装置等能安全、稳定和可运行而设计配置的基础工程。

1.2 数据中心机房的分级及分级标准。国家标准《电子信息系统机房设计规范》GB 50174-2008主要从机房的选址、建筑结构、机房环境、安全管理及供电电源质量要求等方面对机房进行分级，可分为A（容错型）、B（冗余型）、C（基本型）三个级别，要求从高到低的顺序为A、B、C。

国际标准，目前国际上通用的标准是美国通信工业协会（TIA）发布的ANSI/TIA-942《数据中心通信基础设施标准》，根据数据中心基础设施的可用性、稳定性和安全性将数据中心分为TierⅠ 基本型，TierⅡ 冗余型，TierⅢ 可在线维护型，TierⅣ 容错型 四个级别。要求从低到高的顺序为TierⅠ，TierⅡ，TierⅢ，TierⅣ。

1.3 术语。N——系统满足基本要求，没有冗余。

N+X冗余——系统满足基本需求外，增加了X个单元，X个模块或X个路径。任何X个单元、模块或路径的故障或维护不会导致系统运行中断。（X=1～N）

2 数据中心级别及对应的技术要求

3 工程设计实例

位于广东省某数据中心设计项目。

数据中心机房具有高发热量、低散湿量的特性，空调系统的负荷特点是显热负荷密度大、湿负荷相对较小，具有极高的显热比，考虑到数据中心本身几乎没有湿负荷，可以按照新风系统单独处理湿负荷或设置湿度控制机组单独控制湿度，其它机房空调机只处理显热负荷的方式进行空调水系统设计。由此将冷冻水系统分为两种出水温度，一种是水温高于数据中心模块露点温度的中温冷冻水系统，只负责数据中心模块和UPS/电池间的显热负荷；一种是水温低于数据中心模块露点温度的，给模块中心及UPS/电池间湿度控制机组提供湿度控制的低温冷冻水系统。在中温水系统中设置水蓄冷罐进行蓄冷。

3.1 低温冷冻水系统设计。本项目低温冷冻水系统总冷负荷约为2500kW。按照国家标准B级技术要求，冷冻水机组采用N+1冗余，设计选用三台水冷离心式冷水机组，两用一备形式。单台机组额定制冷量约为1400kW，额定功率380kW。冷冻水供/回水温度：6/13℃；冷冻水系统为一次泵变流量系统。为辅助办公区域、柴油发电机房、电气室及模块机房AHU机组提供低温冷源。低温冷却水系统在屋面设置3台方形横流冷却塔（2用1备），为3台水冷离心式冷水机组（2用1备）提供冷却水，冷却水供、回水温度为32/37℃。

3.2 中温冷冻水系统设计。本项目中温冷冻水系统总冷负荷约为23000KW。设计共选用八台10kV水冷离心式冷水机组提供，一期四台机组，三用一备；二期四台机组，三用一备。为电气室、模块机房及机房精密空调机组提供中温冷源。单台机组额定制冷量约为4200kW，额定功率720kW。冷冻水供/回水温度：13/20℃；冷冻水系统为一次泵变流量系统。中温冷却水系统在屋面设置8台方形横流冷却塔，其中，一期设备4台（3用1备），二期设备4台（3用1备）。为8台水冷离心式冷水机组提供冷却水，冷却水供、回水温度为35/40℃。

3.3 蓄冷系统设计。（1）空调制冷系统的动力来源为电力，虽然主要系统、部件设置了冗余、备份，但是还要考虑当空调制冷系统的电力供应系统发生意外故障时，如何保证空调制冷系统正常运行。当电力供应系统发生意外故障停电时，空调制冷系统主要受到以下两方面的影响：一是，系统设置备用柴油发电机组。当正常电力供应系统中断时，柴油发电机组将紧急启动提供电力，从柴油发电机组接受指令启动到能够稳定的供电，这个过程大概需要3min的时间；第二，正常运行的制冷机组，遇到停电故障时将进入故障保护状态停止运行。当电力恢复供应后，制冷机组先恢复至正常开机的初始状态，再经过对冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵等相关部件的巡检，确认正常并依次开启运行之后，冷水机组才能再次正常启动。这段恢复过程最短需要约1min，最长需要约15min的时间（相关厂家提供）。综上，为了避免空调制冷系统在电力供应发生故障停电时无法提供制冷，我们在空调系统中设置了蓄冷储罐，用来储备这一时间段所需要的冷量。（2）蓄冷方式的选择。蓄冷空调系统（简称蓄冷系统）是指将冷量以显热或潜热形式储存在某种介质中，并能够在需要时放出冷量的空调系统。主要有水蓄冷和冰蓄冷两种形式。根据数据中心空调冷负荷的特点，其绝大部分为机房内处理数据的计算机及其辅助设备的显热负荷，且在全天时间段内基本不会变化，属于一个稳定的负荷，这部分负荷占整个数据中心空调冷负荷的比例达到90%以上，水蓄冷系统更适合作为数据中心冷量备份的方式。（3）本项目中的中温制冷主机采用两路电源供电，每组四台主机，考虑当其中一路电源中断时，影响相关的机组为四台（其中三用一备），按照储存约20min的冷量进行设计计算，蓄冷总量为：4200kW×3×20/60=4200KWh（约20min冷量）。

蓄冷罐总容积：3600×4200kWh/（20-13）/1000/4.187=516m3。

在供冷系统中采用串联水蓄冷储罐的方式，共设8个储罐（7用1备），则516/7=74m3

选用75m3额定容量蓄冷罐满足设计要求。

3.4 柴油系统设计。本项目共设置21套柴油发电机组（20用1备），单台机组柴油需求量为500L/h。按照国家标准B级技术要求，柴油发电机燃料存储量为24h，设计选用单个储罐容积为50m3储罐，设计计算如下：

柴油总储存量：20×500L/h×24h/1000=240m3

柴油储罐数量：240/50=4.8

共设置6个柴油储油罐（5用1备）。系统设置4套柴油供油泵组、4套柴油泄油泵组、1套柴油过滤装置、21个日用油箱及对应的阀门等。

供油过程：柴油供油泵组将室外埋地柴油储罐中的柴油送至地下室日用油箱间内的日用油箱，再由日用油箱送至对应的柴油发电机组。

泄油过程：泄油泵将日用油箱内的柴油泄至室外埋地柴油储罐。

4 结语

总之，数据中心的相关设计工作最重要的是根据IT业务对可靠性的要求，选择合适的级别，然后按照相应的级别技术要求配置正确合适的空调水系统以及柴油系统等。空调水系统和柴油系统的安全可靠运行，对整个数据中心的安全运行起着非常重要的作用。